Chipbasierte Nanoskope bieten einen stabilen und kostengünstigen Einblick ins Reich der Atome

Um hochauflösende Bilder zu erzielen, werden in der optischen Nanoskopie Glasträger für die Proben und fortgeschrittene Mikroskope zur Bildgebung eingesetzt. Diese Mikroskope haben jedoch ihre Grenzen und sind komplex und kostspielig – einige können sogar 1 Million Euro kosten.

Mitglieder des EU-finanzierten Projekts NANOSCOPY (High-speed chip-based nanoscopy to discover real-time sub-cellular dynamics) gaben kürzlich bekannt, dass sie mit einer alternativen Lösung erfolgreich waren, bei der die Proben auf einen filigranen photonischen Chip aufgebracht werden und man die Bilder anschließend über ein gewöhnliches optisches Mikroskop erzeugen kann. Hierbei enthält der Chip nicht nur die Probe, so wie ein Glasträger, sondern bietet auch einen Wellenleiter, der das erforderliche Beleuchtungsmuster liefert, um die superauflösenden Bilder zu erzielen.

Ein Nanoskop, das nicht nur kleiner, sondern auch günstiger ist

Das Team von NANOSCOPY demonstrierte die Nutzung des komplexen optischen Chips anhand von zwei verschiedenen Ansätzen. Wellenleiter, die aus einem Material mit einem hohen Brechungsindexkontrast bestanden, lieferten ein starkes evaneszentes Feld, das man zur Umschaltung einzelner Moleküle und zur Fluoreszenzanregung nutzt. Somit wurde eine chipbasierte Mikroskopie zur Lokalisierung einzelner Moleküle ermöglicht. Darüber hinaus erzeugten vielwellige Interferenzmuster räumliche Variationen der Fluoreszenzintensität, die eine fluktuationsbasierte superauflösende Bildgebung möglich machten.

Da die chipbasierte Nanoskopie die Strahlengänge von Beleuchtungslicht und Detektionslicht voneinander trennt, ist eine Totalreflexion der Fluoreszenzanregung über ein großes Sichtfeld hinweg möglich. Es wurde demonstriert, dass dieses Sichtfeld bis zu 0,5 x 0,5 mm betragen kann.

Wenn diese photonischen Chips, ähnlich wie Siliziumchips, in Massen gefertigt werden könnten, würden die Kosten sinken, was eine großflächige Anwendung fördern könnte. Wie Dr. Balpreet Singh Ahluwalia, ein Projektmitglied von der Arktischen Universität Norwegen erklärte: „Wir hoffen, dass dieser Vorteil den Durchbruch der optischen Nanoskopie in den Entwicklungsländern fördern wird. In Forschungsumgebungen mit begrenzten Ressourcen sind die meisten Labore mit qualitativ geringwertigen optischen Mikroskopen ausgestattet, weil die Investitionskosten für Nanoskope nicht tragbar sind.“

Ausblick in die Zukunft

Die Vorteile der neuen Technologie zusammenfassend, fügte Dr. Ahluwalia hinzu: „Abgesehen davon, dass es kompakter, stabiler und günstiger ist, erfasst unser chipbasiertes Nanoskop auch Bilder über extrem große Sichtfelder. Es kann superauflösende Bilder aus einem Sichtfeld erlangen, das 100-mal größer ist als das, was derzeit mit handelsüblichen optischen Nanoskopen erzielt werden kann.“

Diese Vorteile wirken sich auf eine Reihe medizinischer Felder aus, insbesondere auf die Pathologie, bei der ein optisches Mikroskop üblicherweise jeweils eine Fläche von 50 Mikrometern abtasten kann. Es dauert somit Tage, um eine ganze Gewebe-, Blut- oder Urinprobe von einigen Quadratmillimetern zu untersuchen.

Das Team untersucht derzeit Leberzellen, um besser zu verstehen, wie die Filtration funktioniert. Bislang war dies nicht möglich, da die spezialisierten Zellen Nano-Öffnungen aufweisen, die nur etwa 50 bis 200 Nanometer breit sind und mit einem normalen Mikroskop nicht beobachtet werden können.

Im Bestreben, so viele handelsübliche optische Mikroskope wie möglich mit dem photonischen Chip nachzurüsten, steht das Projektteam derzeit in Kontakt mit möglichen Herstellern. Dr. Ahluwalia fasst zusammen: „Unser Geschäftsszenario ist solide. Stellen Sie sich eine Kaffeemaschine vor – der Kunde muss nur den Kaffee auswechseln, was deutlich billiger ist als jedes Mal eine neue Maschine zu kaufen, wenn man Lust auf einen Espresso hat.“

Weitere Informationen:
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