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Super-resolution Fluorescence Microscopy based on Artificial Mesoscopic Structures

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Objektträger für bessere optische Eigenschaften

Die Abbildung lebender Zell- und Gewebeproben in Echtzeit stellt ein bedeutendes Mittel dar, um Strukturen und Signalwege mit Funktionen in Verbindung zu bringen. Ein neuartiger nanostrukturierter Mikroskopie-Objektträger führt zu höherer Auflösung und Effizienz und könnte eine neue Möglichkeit zur Untersuchung zellulärer Mechanismen darstellen.

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Für die zelluläre Echtzeit-Bildgebung sind Verfahren erforderlich, die eine weitwinklige hohe Auflösung, guten Kontrast, hohe Aufnahmegeschwindigkeiten und schnelle Signalverarbeitung unterstützen. Trotz wesentlicher Fortschritte in der Fluoreszenz-basierten Mikroskopie konnte eine schnelle Aufnahme von Bildern bisher nicht mit einem hohen räumlichen Auflösungsvermögen vereinigt werden, um eine Echtzeit-Bildgebungsplattform für Molekulardynamik mit der erforderlichen Leistung zu erreichen. Fluoreszenzverfahren sind aufgrund der Wellennatur des Lichts mit begrenzter Auflösung verbunden. EU-finanzierte Wissenschaftler haben biokompatible, künstliche, mesoskopische Strukturen und Nanostrukturen entwickelt, die über vollkommen neue optische Eigenschaften verfügen. Im Rahmen des Projekts "Super-resolution fluorescence microscopy based on artificial mesoscopic structures" (SMARTS) entwickelten Wissenschaftler Materialen, die als Mikroskopie-Objektträger eingesetzt werden können, um die Vorgänge in lebenden Zellen untersuchen zu können. Das neuartige künstliche Material wurde optimiert, charakterisiert und auf Biokompatibilität überprüft, und die Nanoherstellungsverfahren wurden als simpel und kosteneffektiv demonstriert. Lebende Zellen konnten nach einfachen, gängigen Vorgehensweisen kultiviert werden, und ein beeindruckendes axiales Auflösungsvermögen von etwa 10 nm konnte erreicht werden. Des Weiteren ist durch dieses fortschrittliche Verfahren kein Scanvorgang mehr erforderlich, was die Bilderfassung und -verarbeitung erheblich beschleunigt. Die Ergebnisse wurden in der renommierten, durch Experten geprüften Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) veröffentlicht. Die Forscher setzten ihr nanostrukturiertes Material in einer Studie zur Untersuchung des Förster-Resonanzenergietransfers (FRET) ein. Dabei handelt es sich um ein Fluoreszenz-Bildgebungsverfahren, bei dem ein Donator-Fluorophor und ein Rezeptor-Fluorophor zum Einsatz kommen. Es stellt einen ausgezeichneten Sensor auf sehr kurzen Distanzen dar, ist jedoch nicht für größere Dimensionen nicht geeignet. Das Team zeigte, dass ihre Nanostrukturen ein sehr schwaches FRET-Signal durch einen quantenmechanischen Effekt  – die Fähigkeit der Nanostruktur, Oberflächenplasmon-Modi zu unterstützen – verstärken können. Dies ist eine sehr wichtige Entdeckung, da die meisten Techniken zur Verstärkung von FRET-Signalen nicht biokompatibel sind. Das Ende des SMART-Projekts bedeutet nicht das Ende der Weiterentwicklung der Technologie. Das Team hat sich zum Ziel gesetzt, die Materialien und Verfahren innerhalb der nächsten zwei Jahre in einer funktionalen Bildgebungsplattform zusammenzuführen. Die Zusammenarbeit mit einem renommieren Labor, indem die zelluläre Signalgebung über FRET-Signale untersucht wird, verspricht, die Optimierung und Vermarktung zu beschleunigen.

Schlüsselbegriffe

Echtzeit-Bildgebung, Mikroskopie-Objektträger, mesoskopische Strukturen, Nanostrukturen, Fluoreszenzmikroskopie

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