Schnelle Überauflösungsmikroskopie durch rotierendes, kohärent gestreute Laserlicht

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413220392

Die Erforschung immer kleinerer und damit dynamischerer Strukturen stellt eine der größten technischen Herausforderung der Gegenwart und der Zukunft dar. Lang bekannte physikalische Gesetze schienen messtechnisch unverrückbare Grenzen gesetzt zu haben, wie beispielsweise die optische Auflösungs-begrenzung in der Mikroskopie. Er stellte sich heraus, dass viele dieser Grenzen mit erfindungsreichen Tricks umgangen werden können, ohne sie zu verrücken. Je kleiner die Strukturen sind, die über Lichtmikroskopie räumlich aufgelöst werden sollen, desto mehr Photonen und Messzeit sind benötigt. Je kleiner die Strukturen in lebenden Systemen aber sind, desto schneller bewegen sie sich auch und desto weniger Messzeit steht zur Verfügung.In dieser Initiative arbeiten wir an einem neuen optischen Mikroskopie-Konzept, bei dem Objekte kohärent beleuchtet und Bilder kohärent generiert werden. Durch die Ausnutzung von definierten Vielfach- Interferenzen bei schräger Beleuchtung und einer angularen Integration vieler kohärenter Bilder, lässt sich prinzipiell eine räumliche Auflösung von gut 100 nm bei einer Zeitauflösung von typischerweise 100 Hz und einem ausgezeichneten Bildkontrast erreichen. Im Rahmen eigener Vorarbeiten, konnten wir 150 nm Auflösung durch rotierendes, kohärent gestreutes (ROCS) Laserlicht im TIR-Dunkelfeld-Modus erreichen. Mit dieser Technik konnten wir Tausende von Bildern ohne Qualitätsverlust (wie Fluorophorbleichen in der Fluoreszenzmikroskopie) und ohne Bildrekonstruktion (wie z.B. in der Überauflösungsmikroskopie mit strukturierter Beleuchtung) aufnehmen. Dadurch wurden noch nie gesehene Dynamik an in lebenden Zellen sichtbar.Im vorliegenden Forschungsvorhaben wollen wir mit dieser Technik bei 120nm räumlicher Auflösung und 100Hz zeitlicher Auflösung zwei neue Ziele erreichen. Einerseits wollen wir spezifisch markierte Strukturen im Bild unterscheiden durch Ausnutzung von spezifischer Absorption und Phasenverzögerung des gestreuten Laserlichts. Andererseits – und dabei weitgehend unabhängig vom ersten Ziel - soll eine neue Art zeit-korrelativer Mikroskopie entwickelt werden, wo kohärenten Abbildungen unmarkierter Strukturen mit hoher Zeitauflösung (ROCS) korreliert werden sollen mit fluoreszenzbasierten Abbildungen von Fluorophorverteilungen mit geringer Zeitauflösung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen