Anja Schué: Lichtmikroskope erschließen die Nanowelt

Als Ernst Leitz 1869 das optische Institut von Carl Kellner in Wetzlar übernahm, dachte noch niemand daran, mit Licht­­mikros­kopen wenige Nanometer kleine Strukturen zu betrachten. Nachdem der Physiker Ernst Abbe 1873 die Grund­­lagen der moder­­nen Optik und die Theorie formu­liert hatte, dass die maximale mikrosko­pische Auf­­lösung auf etwa die halbe Lichtwellenlänge, also auf 200 bis 350 Nanometer, be­­grenzt sei, galt diese Grenze als unumstößlich. Bis vor wenigen Jahren.
Über die Grenze hinaus gedacht. Der entscheidende Durchbruch gelang dem Physiker Professor Stefan Hell Anfang der 1990er Jahre. Hell, heute Direktor am Max-Planck-Institut Göttingen und Leiter der Abteilung für NanoBiophotonik, er­­fand Fluoreszenzmikroskope, die die gängige Lehrmeinung gründlich auf den Kopf stell­­ten. Sie erlauben optische Auf­­lösungen weit unter 100 Nanometer. Tiefe Ein­bli­­cke in den Nanokos­­mos ermöglicht die von Hell erfundene STED-Technologie.

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Mit dem STED-Mikroskop können bereits bis zu 50 Nano­­meter kleine Details auf­­gelöst werden. „STimulated Emission De­­ple­­tion“ bezeichnet den physikalischen Ansatz dieses neuartigen Fluores­­zenz­­ver­­­­fah­rens, wofür Hell im November 2006 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet wurde. Einzelne fokussierte Fluores­­zenz­­punkte werden in ihren Rand­­bereichen durch zusätzliches ring­­förmi­ges Licht am Fluoreszieren gehindert. Die ver­blei­­benden Licht­­punkte können so weit verkleinert werden, dass wenige Nano­meter voneinander entfernte Struk­­­­turen ge­­trennt darstellbar werden. STED-Mikros­­kope, die das Unternehmen in Exklusiv­­li­­zenz herstellt und vertreibt, sind heute in hoch­­karätigen Forschungs­­ein­­rich­­tun­­gen im Einsatz, beispielsweise um moleku­lare Struk­­turen innerhalb der Zelle oder Pro­­zesse der Signal­­über­­tra­­gung zwischen Nerven­­zellen zu untersuchen. Zu beo­bach­ten, wie Pro­­teine und mole­­ku­­lare Kom­plexe sich in der Zelle be­­we­­gen, funktionieren und zu­­sam­­men­­wirken, hilft der Wis­­sen­­­­schaft zu verstehen, wie Krank­­hei­­ten entstehen und behandelt werden können.

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Kombinierte Präzision. Für industrielle Anwendungen im Nano­bereich wurden inzwischen die Konfo­kal­mikroskopie und die Interferometrie in einem einzigen Sensor­­kopf kombiniert. Das Dual-Core 3D-Messmikroskop Leica DCM 3D ba­­siert auf einem schnell rea­gie­ren­­den Mikro­­dis­­play, das in der Leucht­feld­­blende positioniert ist. Über das Mikrodisplay können Hellfeld-, In­­ter­fe­ro­­metrie- und Konfo­­kalbilder er­­zeugt werden. Die Kom­­­­bi­­na­­tion aus konfokalem Mikro­­dis­­play, zwei Lichtquellen und zwei Kameras er­zeugt hochpräzise 3D-Mes­sun­­gen und unbegrenzte Tiefen­schärfe. Inner­­halb von Sekun­­den werden glatte sowie raue Ober­­flächen und Flan­­ken bis zu 70 Grad erfasst. Dabei können Höhen­­unter­­schiede von wenigen Nano­metern bis zu mehreren Milli­me­tern ge­­messen werden. Das 3D-Mess­mikros­kop wird für vielfäl­tige Mess­an­wendungen in For­­schung und Entwicklung sowie in Quali­täts­siche­­­rungs­­labors bis hin zu auto­ma­ti­sier­ten Online-Prozess­­kon­­trollen eingesetzt, bei denen hohe Geschwin­dig­­keiten und Auf­­­lö­­sun­gen bis 0,1 Nano­meter erforder­­lich sind.

Anja_SchueDie Autorin ist Diplom-Oecotrophologin und staatlich geprüfte Kommunikations­­fachfrau. Medi­zin, Wirtschaft, Dienst­­leis­­­­tungen und Technik sind ihre Fach­­ge­­biete. Seit 2006 ist Anja Schué als Redakteurin für Technologie und Appli­kationen bei Leica Microsystems tätig und für die Erstellung des Kunden­magazins reSOLUTION und Veröffent­li­chungen in Fachmagazinen verantwortlich.