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Superresolution-Mikroskopie

Wie Nano-Graphenflocken die Bildauflösung steigern

| Autor/ Redakteur: Dr. Christian Schneider* / Christian Lüttmann

Um mit Lichtmikroskopen Objekte unterhalb der 200 Nanometer-Grenze aufzulösen, sind spezielle Techniken nötig. So nutzt man fluoreszierende Materialien, die wie Spurensicherungspulver zuvor Verborgenes sichtbar machen. Dass sich nanoskalige Graphenflocken hierfür besonders gut eignen, haben nun Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung gezeigt.

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Nanopartikel aus Graphen blinken unregelmäßig, wenn sie mit Licht angeregt werden. Dies sorgt für eine höhere Auflösung in der Mikroskopie.
Nanopartikel aus Graphen blinken unregelmäßig, wenn sie mit Licht angeregt werden. Dies sorgt für eine höhere Auflösung in der Mikroskopie.
(Bild: MPI-P)

Würzburg, La Palma/Spanien – Mikroskopie ist eine wichtige Untersuchungsmethode in der Physik, Biologie, Medizin und vielen anderen Wissenschaften. Sie hat jedoch einen Nachteil: Ihre Auflösung ist durch physikalische Prinzipien beschränkt. Strukturen können nur abgebildet werden, wenn diese räumlich eine Distanz größer als die halbe Lichtwellenlänge haben. Dies entspricht, bei blauem Licht, ungefähr einem Abstand von 200 Nanometern.Diese Grenze kann durch die so genannte „Superresolution-Microscopy“ umgangen werden, die in den 1980er Jahren entwickelt wurde. Heute gibt es eine Reihe verschiedener solcher Verfahren. So werden z.B. fluoreszierende Partikel durch Licht zum Leuchten angeregt und das wieder ausgesendete Licht analysiert. Dieses hat eine leicht andere Wellenlänge als das anregende Licht.

Voraussetzung für die Funktion dieser Mikroskopie-Technik ist aber, dass die Partikel nicht konstant leuchten, sondern zufällig blinken. Zwei benachbarte Partikel leuchten dann i.d.R. nicht gleichzeitig. Dies bedeutet, dass deren Signale sich nicht überlagern und hierdurch die Positionen der einzelnen Partikel unabhängig voneinander bestimmt werden können. Die Partikel lassen sich also auch bei sehr kleinen Abständen getrennt voneinander abbilden bzw. „auflösen“.

Nanographen als neuer Goldstandard?

Nun haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) einen Weg gefunden, um diese Mikroskopie-Technik zu verbessern. Sie haben gezeigt, dass aus Graphen bestehende Nano-Moleküle genutzt werden können, um die Auflösung dieser Technik zu verbessern.

In der Vergangenheit wurden für diese Art der Mikroskopie bereits andere Materialien eingesetzt, wie Farbstoffe, so genannte Quantenpunkte oder auch fluoreszierende Proteine. Nanographen zeigt hierbei optische Eigenschaften, die mit den besten dieser Materialien mithalten können. Zusätzlich ist Nanographen nicht toxisch und besteht aus sehr kleinen Partikeln. Im Vergleich zu allen anderen Materialien zeichnet es sich dadurch aus, dass seine Blinkfrequenz unabhängig von der jeweiligen Umgebung ist. Somit kann Nanographen sowohl in Luft wie auch in wässrigen Lösungen oder anderen Lösungsmitteln verwendet werden. Nanographen kann zusätzlich modifiziert werden, damit es nur an bestimmten interessanten Stellen einer zu untersuchenden Probe haftet, z. B. an einer spezifischen Organelle in einer Zelle.

„Wir haben Nanographen mit dem Goldstandard bei dieser Mikroskopie-Technik verglichen – dem organischen Farbstoff Alexa 647“, sagt Prof. Mischa Bonn, Direktor am MPI-P. „Dabei konnten wir feststellen, dass Nanographen ähnlich effizient ist wie dieser Farbstoff, also ähnlich viel des eingestrahlten Lichts in eine andere Farbe umwandeln kann, hierbei jedoch keine speziell zugeschnittenen Umgebungsbedingungen benötigt, wie dies bei Alexa der Fall ist“.

Zehnfach bessere Auflösung

Vergleich der Auflösungen in konventioneller Mikroskopie („Widefield“, links) und Superresolution-Mikroscopy (rechts)
Vergleich der Auflösungen in konventioneller Mikroskopie („Widefield“, links) und Superresolution-Mikroscopy (rechts)
(Bild: IMB / MPI-P)

Um das am MPI-P hergestellte Nanographen zu testen, haben die Wissenschaftler mit der Gruppe von Prof. Christoph Cremer am Institut für Molekulare Biologie (IMB) in Mainz zusammengearbeitet. Sie haben eine Glasoberfläche so präpariert, dass sie nanometergroße Risse aufwies. Hier brachten sie die Nanographen-Partikel auf, die sich vor allem in den Rissen anlagerten. Im Vergleich mit konventioneller Mikroskopie zeigten die Forscher so, dass sich die Auflösung mithilfe der Graphen-Nanopartikel um das Zehnfache steigern lässt. Darin sehen sie einen wichtigen Schritt bei der Weiterentwicklung der Superresolution-Mikroskopie.

Originalpublikation: Xiaomin Liu, Shih-Ya Chen, Qiang Chen, Xuelin Yao, Márton Gelléri, Sandra Ritz, Sachin Kumar, Christoph Cremer, Katharina Landfester, Klaus Müllen, Sapun Parekh, Akimitsu Narita, Mischa Bonn: Nanographenes: ultrastable, switchable, and bright probes for super‐resolution microscopy, Angewandte Chemie, International Edition; DOI: 10.1002/anie.201909220

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

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