25.04.2022 - Optica Publishing Group

Forscher präsentieren markierungsfreie Super-Resolution-Mikroskopie

Bildgebendes Verfahren misst Partikelgröße und -position mit Nanometergenauigkeit

Forscher haben einen neuen Mess- und Abbildungsansatz entwickelt, mit dem Nanostrukturen, die kleiner als die Beugungsgrenze des Lichts sind, ohne Farbstoffe oder Markierungen aufgelöst werden können. Die Arbeit stellt einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zu einer neuen und leistungsstarken Mikroskopiemethode dar, die eines Tages dazu verwendet werden könnte, die feinen Merkmale komplexer Proben über das hinaus zu sehen, was mit herkömmlichen Mikroskopen und Techniken möglich ist.

Die neue Methode, die in Optica, der Zeitschrift der Optica Publishing Group für Spitzenforschung, beschrieben wird, ist eine Abwandlung der Laser-Scanning-Mikroskopie, bei der ein stark fokussierter Laserstrahl zur Beleuchtung einer Probe verwendet wird. Die Forscher erweiterten die Technik, indem sie nicht nur die Helligkeit oder Intensität des Lichts nach der Wechselwirkung mit einer zu untersuchenden Probe maßen, sondern auch andere im Lichtfeld kodierte Parameter erfassten.

"Unser Ansatz könnte dazu beitragen, das Instrumentarium der Mikroskopie zur Untersuchung von Nanostrukturen in einer Vielzahl von Proben zu erweitern", so der Leiter des Forschungsteams Peter Banzer von der Universität Graz in Österreich. "Im Vergleich zu Superresolution-Techniken, die auf einem ähnlichen Scanning-Ansatz beruhen, ist unsere Methode völlig nicht-invasiv, d. h. es müssen keine fluoreszierenden Moleküle vor der Bildgebung in die Probe injiziert werden."

Die Forscher zeigen, dass sie die Position und Größe von Gold-Nanopartikeln mit einer Genauigkeit von mehreren Nanometern messen können, selbst wenn sich mehrere Partikel berühren.

"Unser neuartiger Ansatz für die Laser-Scanning-Mikroskopie könnte die Lücke zwischen konventionellen Mikroskopen mit begrenzter Auflösung und Super-Resolution-Techniken schließen, die eine Modifikation der zu untersuchenden Probe erfordern", so Banzer.

Mehr vom Licht einfangen

Bei der Laser-Scanning-Mikroskopie wird ein Lichtstrahl über die Probe gescannt und das von der Probe kommende durchgelassene, reflektierte oder gestreute Licht gemessen. Obwohl die meisten Mikroskopieverfahren die Intensität oder Helligkeit des von der Probe kommenden Lichts messen, sind viele Informationen auch in anderen Merkmalen des Lichts gespeichert, z. B. in der Phase, der Polarisation und dem Streuungswinkel. Um diese zusätzlichen Informationen zu erfassen, untersuchten die Forscher die räumliche Auflösung der Intensitäts- und Polarisationsinformationen.

"Phase und Polarisation des Lichts variieren zusammen mit seiner Intensität räumlich in einer Weise, die feine Details über die Probe enthält, mit der es wechselwirkt - ähnlich wie der Schatten eines Objekts uns etwas über die Form des Objekts selbst verrät", sagt Banzer. "Ein Großteil dieser Informationen bleibt jedoch unberücksichtigt, wenn nach der Wechselwirkung nur die Gesamtlichtleistung gemessen wird."

Sie demonstrierten den neuen Ansatz, indem sie ihn zur Untersuchung einfacher Proben mit metallischen Nanopartikeln unterschiedlicher Größe verwendeten. Dazu scannten sie den interessierenden Bereich und nahmen dann polarisations- und winkelaufgelöste Bilder des durchgelassenen Lichts auf. Die gemessenen Daten wurden mit einem Algorithmus ausgewertet, der ein Modell der Partikel erstellt, das sich automatisch so anpasst, dass es den gemessenen Daten so genau wie möglich entspricht.

"Obwohl die Partikel und ihre Abstände viel kleiner waren als die Auflösungsgrenze vieler Mikroskope, konnten sie mit unserer Methode aufgelöst werden", sagt Banzer. "Darüber hinaus, und das ist noch wichtiger, konnte der Algorithmus weitere Parameter über die Probe liefern, wie die genaue Größe und Position der Partikel."

Die Forscher arbeiten nun daran, die Methode so anzupassen, dass sie auch bei komplexeren Proben eingesetzt werden kann. Die Funktionalität des Ansatzes kann auch erweitert werden, indem die Struktur des Lichts, das mit der Probe interagiert, angepasst wird und auf künstlicher Intelligenz basierende Ansätze in die Bildverarbeitungsschritte einbezogen werden. Was die Detektion betrifft, so entwickeln die Autoren zusammen mit anderen Experten im Rahmen eines europäischen Projekts namens SuperPixels derzeit eine spezielle Kamera. Dieses Detektionsgerät der nächsten Generation wird in der Lage sein, neben der Intensität auch Polarisations- und Phaseninformationen aufzulösen.

"Unsere Studie ist ein weiterer Beweis für die zentrale Rolle, die die Struktur des Lichts im Bereich der Optik und der lichtbasierten Technologien spielen kann", so Banzer. "Viele faszinierende Anwendungen und Phänomene wurden bereits demonstriert, aber es gibt noch mehr zu entdecken."

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