Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hochaufgelöste Bilder in drei Dimensionen

13.04.2017

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) stellen eine neue Mikroskopiemethode vor, die dreidimensionale Fluoreszenzbilder biologischer Proben in hoher Auflösung und Geschwindigkeit liefert.

Für die detaillierte Abbildung zellulärer Strukturen und Zellorganellen nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zunehmend neue hochauflösende Mikroskopiemethoden, die die physikalisch mögliche Auflösungsgrenze scheinbar überwinden. Viele dieser Methoden beleuchten die Proben mit hoher Lichtintensität. Dadurch treten bei empfindlichen Untersuchungsobjekten, wie lebenden Zellen, unerwünschte Veränderungen auf oder es kommt zum Absterben der Zellen.


Die Mikroskopieaufnahmen zeigen Aktinfilamente in einer Endothelzelle aus einer Rinderpulmonalarterie unter strukturierter Beleuchtung. Im Bild rechts wurde Licht, das nicht aus dem Fokuspunkt stammt,

rechnerisch entfernt und damit die Auflösung verbessert. Maßstab: 2 µm; Quelle: Leibniz-IPHT

Fluoreszenzmikroskopieverfahren, die nach dem Prinzip der optischen Photonenzuweisung arbeiten, erreichen eine gute Auflösung und hohe Detektionsempfindlichkeit mit viel geringeren Lichtintensitäten. Sie konzentrieren das von der Probe ausgestrahlte Licht besser auf dem Detektor.

Allerdings liefert die Methode nur in einer Ebene gute Auflösung. Prof. Rainer Heintzmann und seinem Doktoranden Stephan Roth vom Leibniz-IPHT ist es nun gelungen, scharfe Bilder in drei Dimensionen zu erzeugen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachmagazin „Methods and Applications in Fluorescence“, das den Artikel zu einem der Highlights des vergangenen Jahres kürte.

Rainer Heintzmann, der als Professor für Physikalische Chemie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Abteilungsleiter am Leibniz-IPHT Verfahren zur hochauflösenden Bildgebung biologischer Proben erforscht, beschreibt die Methode. „Bei konventionellen Laser-Scanning-Mikroskopen rastert ein fokussierter Laserstrahl die Probe in zwei Raumrichtungen mittels beweglicher Spiegel ab.

Dieses Anregungslicht bringt die fluoreszierenden Moleküle der Probe dazu Licht auszusenden. Hinter einer Lochblende fängt ein Detektor die emittierten Photonen in der sogenannten Zwischenbildebene ein. Die erhaltenen Intensitätswerte werden der jeweiligen Anregungsposition zugeordnet, gespeichert und anschließend zum resultierenden Bild zusammengesetzt.

Um bei herkömmlichen Mikroskopen eine Auflösungserhöhung zu erzielen, müssen wir die Lochblende sehr klein wählen, was zu einem enormen Lichtverlust führt. Bei der optischen Photonenzuweisung verkleinern wir hingegen das Zwischenbild in der Lochblenden-Ebene mit Hilfe optischer Linsen um einen Faktor 2. Mit Hilfe der Scan-Spiegel werden anschließend die Intensitätswerte einer Position zugewiesen, an der sich das Molekül am wahrscheinlichsten befindet. Nach dem Scannen der gesamten Probe erhalten wir ein Bild mit etwa 40 Prozent höherer Auflösung ohne das Photonen verloren gehen.“

Die hohe Auflösung beschränkt sich bisher auf die horizontale Ebene, die der Laser in der Probe abrastert. Insbesondere dickere Untersuchungsobjekte erscheinen verrauscht, da auch Licht, das von außerhalb dieser Ebene stammt, detektiert wird. Um die Auflösung entlang der optischen Achse, also in der dritten Raumrichtung, zu erhöhen, nutzt Stephan Roth einen weiteren optischen Trick. „Wir unterdrücken das Licht, welches von Molekülen außerhalb des Fokus ausgesandt wird, indem wir die Probe in einem bestimmten Muster beleuchten. Mittels eines Computeralgorithmus können wir die Photonen, die nicht aus dem Fokuspunkt stammen, identifizieren und vom richtigen Signal abziehen.“ so der Physiker und Erstautor der Studie.

Mit der Kombination aus optischer Photonenzuweisung und strukturierter Beleuchtung konnten die Forscher die benötigte Zeit und Lichtdosis für dreidimensionale hochaufgelöste Fluoreszenzbilder von Zellen reduzieren. Damit hat die Methode das Potential konfokale Fluoreszenzmikroskopie als Standarduntersuchungsverfahren abzulösen. Sein Forschungsziel beschreibt Heintzmann so: „Mit Hilfe detaillierterer und schnellerer Visualisierungsmethoden wollen wir zusammen mit Partnern aus Biologie und Medizin die Funktionsabläufe in Zellen weiter aufklären.“

Weitere Informationen:

http://iopscience.iop.org/journal/2050-6120/page/highlights-of-2016

Dr. Anja Schulz | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten
23.01.2018 | Universität Basel

nachricht Reisetauglicher Laser
22.01.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sich Atome auf der Nanoskala abbilden lassen. Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen. Dies berichten die Wissenschaftler des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in «Nature Photonics».

Mikroskope machen Strukturen sichtbar, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers...

Im Focus: Optical Nanoscope Allows Imaging of Quantum Dots

Physicists have developed a technique based on optical microscopy that can be used to create images of atoms on the nanoscale. In particular, the new method allows the imaging of quantum dots in a semiconductor chip. Together with colleagues from the University of Bochum, scientists from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute reported the findings in the journal Nature Photonics.

Microscopes allow us to see structures that are otherwise invisible to the human eye. However, conventional optical microscopes cannot be used to image...

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

23.01.2018 | Veranstaltungen

Gemeinsam innovativ werden

23.01.2018 | Veranstaltungen

Leichtbau zu Ende gedacht – Herausforderung Recycling

23.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Lebensrettende Mikrobläschen

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

3D-Druck von Metallen: Neue Legierung ermöglicht Druck von sicheren Stahl-Produkten

23.01.2018 | Maschinenbau

CHP1-Mutation verursacht zerebelläre Ataxie

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics