Kleine Teilchen, große Wirkung

Nanoteilchen aus Graphen könnten die Auflösung von Mikroskopen verbessern

20. November 2019

Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist. Mit „Super-resolution Microscopy“, entwickelt  seit  den 80er Jahren, kann man diese Einschränkung jedoch umgehen, indem fluoreszierende Materialien eingesetzt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz haben nun entdeckt, dass aus Graphen bestehende Nano-Moleküle genutzt werden können, um diese Mikroskopie-Technik zu verbessern. Diese Nano-Moleküle bieten eine Reihe essentieller Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Materialien, die die Mikroskopie-Technik noch vielfältiger einsetzbar machen.

Nanopartikel aus Graphen blinken unregelmäßig, wenn sie mit Licht angeregt werden. Dies sorgt für eine höhere Auflösung in der Mikroskopie.

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, dann ungefähr einem Abstand von 200 Nanometern, also 200 millionstel Millimetern.

Diese Grenze kann durch die sogenannte Superresolution-Microscopy umgangen werden. Heute gibt es eine Reihe verschiedener solcher Verfahren. Bei einer solchen Mikroskopie-Technik werden fluoreszierende Partikel durch Licht zum Leuchten angeregt. Das wieder ausgesendete Licht besitzt jedoch eine leicht andere Wellenlänge, also andere Farbe, als das anregende Licht. Die Position dieser fluoreszierenden Partikel kann mit einer größeren Genauigkeit bestimmt werden als durch die Lichtwellenlänge vorgegeben: Wenn sie hierbei zufällig blinken, leuchten zwei benachbarte Partikel typischerweise nicht gleichzeitig. Dies bedeutet, dass deren Signale sich nicht überlagern und hierdurch die Positionen der einzelnen Partikel unabhängig voneinander bestimmt werden können, die Partikel also auch bei sehr kleinen Abständen getrennt voneinander abgebildet, also „aufgelöst“ werden können. Forscherinnen und Forscher am MPI-P haben nun gezeigt, dass aus Graphen hergestellte Nanopartikel – sogenanntes „Nanographen“, welches aus einer nur eine Atomlage dicken Kohlenstoff-Schicht besteht – Eigenschaften besitzt, die ideal für diese spezielle Mikroskopie-Technik sind.

Die Blinkfrequenz ist unabhängig von der Umgebung

In der Vergangenheit wurden für diese Art der Mikroskopie bereits andere Materialien eingesetzt, wie Farbstoffe, sogenannte Quantenpunkte oder auch fluoreszierende Proteine. Nanographen zeigt hierbei optische Eigenschaften, die mit den besten dieser Materialien mithalten können. Zusätzlich zu seinen exzellenten optischen Eigenschaften ist Nanographen nicht toxisch und sehr klein. Im Vergleich zu allen anderen Materialien zeichnet es sich durch die Eigenschaft 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, zum Beispiel an einer spezifischen Organelle in einer Zelle.

Vergleich der Auflösungen in konventioneller Mikroskopie („Widefield“, links) und Superresolution-Mikroscopy (rechts)

„Wir haben Nanographen mit dem goldenen Standard bei dieser Mikroskopie-Technik verglichen – dem organischen Farbstoff Alexa 647“, so Mischa Bonn, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerfortschung. „Wir konnten dabei 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“.

Um das am Max-Planck-Institut für Polymerforschung hergestellte Nanographen zu testen, haben die Wissenschaftler mit der Gruppe von Christoph Cremer am Institut für Molekulare Biologie in Mainz zusammengearbeitet. Es wurde eine Glasoberfläche präpariert, die nanometergroße Risse aufwies. Hier wurden Nanographen-Partikel aufgebracht, die sich vor allem in den Rissen anlagerten. Im Vergleich mit konventioneller Mikroskopie konnten sie so zeigen, dass unter Nutzung der Graphen-Nanopartikel die Auflösung um einen Faktor 10 gesteigert werden konnte. Die Wissenschaftler sehen die Entwicklung ihres Materials daher als einen wichtigen Schritt bei der Superresolution-Mikroskopie.

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