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Die Magie der Superauflösungsmikroskopie: Wie kann man die Grenzen des Lichts durchbrechen?
In der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist die Weiterentwicklung der Mikroskopietechnologie zweifellos ein wichtiges Instrument zur Enthüllung der Geheimnisse der mikroskopischen Welt, wobei die Technologie der Superauflösungsmikroskopie besonders ins Auge fällt. Diese Reihe von Technologien durchbricht nicht nur die Beugungsgrenze optischer Mikroskope, sondern weist auch ein großes Anwendungspotenzial in der biomedizinischen Forschung und der Molekularbiologie auf und ermöglicht uns ein umfassenderes Verständnis der inneren Struktur und Funktion von Zellen.
Bildgebungsverfahren mit Superauflösung basieren auf der Wahl zwischen Nahfeldeinstellungen (wie etwa Photonentunnelmikroskopie und Nahfeld-Rastermikroskopie) oder Fernfeldeinstellungen.
Die Superauflösungsmikroskopie kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: deterministische Superauflösungstechnologie und stochastische Superauflösungstechnologie. Ersteres nutzt die nichtlineare Reaktion von Luminophoren (fluoreszierenden Molekülen), die häufig in biologischen Mikroskopen verwendet werden, um die Auflösung zu verbessern. Typische Techniken sind die stimulierte Lumineszenzdepletion (STED) und die Grundzustandsdepletion (GSD). Letztere nutzt das zeitliche Verhalten molekularer Lichtquellen, um es ähnlichen fluoreszierenden Molekülen zu ermöglichen, getrennt Licht auszusenden und auflösbare Bilder zu erzeugen. Zu solchen Techniken gehören die superauflösende optische Wellenbildgebung (SOFI) und die Einzelmoleküllokalisierungsmikroskopie (SMLM). PALM beispielsweise und STURM.
Am 8. Oktober 2014 erhielten Eric Büttig, Walter Molnar und Stefan Hell den Nobelpreis für Chemie für „die Entwicklung der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie“, was den ersten großen Durchbruch auf dem Gebiet der optischen Mikroskopie darstellt. Nanometerbereich.
Theorien zum Durchbrechen der Abbe-Grenze gibt es seit den 1970er Jahren. In einer Forschungsarbeit aus dem Jahr 1978 wurde das Konzept der 4Pi-Mikroskopie vorgeschlagen, ein Laser-Scan-Fluoreszenzmikroskop, das durch die Fokussierung von Lichtquellen von beiden Seiten eine hohe Auflösung erreicht. Der Verbesserung der axialen Auflösung wurde in der damaligen Forschung allerdings nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt. Im Jahr 1986 wurde die optische Mikroskopie mit superhoher Auflösung und stimulierter Emission erstmals patentiert.
Anwendung der Super-Resolution-Technologie
Diese Superauflösungstechniken bieten nicht nur neue Perspektiven für die Mikroskopie, sondern beschleunigen auch die Beobachtung von Biomolekülen. Unter ihnen erhält das Near-Field Optical Random Mapping (NORM)-Mikroskop optische Nahfeldinformationen durch Beobachtung der Brownschen Bewegung von Nanopartikeln in Suspension. Sein Bildgebungsprozess erfordert keine spezielle Positionierungsausrüstung, was zweifellos die Effizienz der Bilderfassung verbessert.
Die Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) erreicht eine verbesserte räumliche Auflösung durch die Erfassung frequenzräumlicher Informationen außerhalb des sichtbaren Bereichs und birgt großes Potenzial für einige medizinische Diagnosen.
Als Spiegelbild dieser technologischen Fortschritte hat die Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) das Potenzial gezeigt, die Elektronenmikroskopie bei bestimmten medizinischen Diagnoseverfahren zu ersetzen. Beispielsweise wird SIM in der medizinischen Diagnostik zunehmend zur Untersuchung von Nieren- und Bluterkrankungen eingesetzt. Darüber hinaus wird durch räumlich modulierte Beleuchtung (SMI) die Genauigkeit von Entfernungsmessungen weiter verbessert, wodurch Molekülgrößenmessungen im zweistelligen Nanometerbereich möglich werden.
Anwendung der Biosensortechnologie in der Superanalytik
In der Zellbiologie ist die Biosensor-Technologie ein wichtiges Mittel, um die Aktivitäten zellulärer Komponenten zu verstehen. Diese Sensoren bestehen normalerweise aus zwei Teilen: Erfassen und Melden. Dabei wird eine Fluoreszenzdetektionstechnologie zur Quantifizierung biologischer Aktivitäten verwendet. Die Entwicklung neuer Fluoreszenzsonden hat die Möglichkeiten zur Beobachtung dynamischer Prozesse innerhalb von Zellen erheblich erweitert.
Die RESOLFT-Mikroskopie (REversible Saturable Optical Fluorescence Transitions) ermöglicht nicht nur die Erfassung von mehr Details in Bildern, sondern erweitert auch das Konzept der Superauflösung, wodurch sie in der biomedizinischen Forschung zunehmend an Bedeutung gewinnt.
Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Technologie wurden deterministische Methoden wie STED und GSD schrittweise verbessert und bieten neue Lösungen. Die Praktikabilität dieser Technologien wird jedoch immer noch durch die Komplexität der Geräte und das Risiko einer Probenbeschädigung in Frage gestellt. Obwohl die Technologie der Superauflösungsmikroskopie über ein außergewöhnliches Auflösungsvermögen verfügt, müssen Wissenschaftler ihre optimale Anwendung in verschiedenen Bereichen noch weiter erforschen.
Die Integration und Anwendung dieser Technologien ermöglicht uns ein intuitiveres Verständnis der Zellmechanik, -struktur und -funktion und inspiriert letztlich weitere biomedizinische Forschung. Wie werden zukünftige wissenschaftliche Entdeckungen unser Verständnis des Lebens erweitern? Wollstoff?
