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Lehrstuhl für Physikalische Chemie I (Nanobiophotonik)
Prof. Dr. Rainer Heintzmann
Forschungsschwerpunkte
Hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie
Untersuchung und Entwicklung von neuen Ansätzen zur Mikroskopie
Lichtschichtmikroskopie
52 — FORSCHUNG
Die Nanobiophotonik Arbeitsgruppe arbeitet vornehmend
auf dem Gebiet der hochauflösenden Fluoreszenzmikro-
skopie. In der Vergangenheit wurden wichtige Beiträge zu
den pointilistischen Methoden und zur linearen und nichtli-
nearen strukturierten Beleuchtung geliefert, welches in der
Laudatio zum Nobelpreis 2014 für Chemie explizit gewür-
digt wurde. Bei der strukturierten Beleuchtung wird der
Moiré-Effekt, den ein sehr feines Beleuchtungsmuster mit
der Probe erzeugt gezielt genutzt um feine Details ober-
halb der Auflösungsgrenze zu übertragen. Durch Aufnahme
mehrerer Rohbilder können computerbasiert hochauflö-
sende Bilder rekonstruiert werden.
In der Gruppe werden weiterhin neue Ansätze zur
hochauflösenden Mikroskopie untersucht. Insbesondere
wurde eine rein optische Variante (OPRA) der bereits exis-
tierenden „Image Scanning Microscopy“ (ISM) entwickelt
und patentiert. Weiterhin wird nun wieder verstärkt an
der Hochauflösung mittels Bildinversionsinterferometer
Forschungsprofil
(UZI) geforscht. Hierbei wird die konfokale Lochblende
durch ein spezielles Interferometer ersetzt, dass in den
beiden Pfaden das die Bilder gegeneinander um 180 Grad
verdreht und dann auf zwei Detektoren schickt (konstruk-
tiv und destruktiv). Das hat zur Folge, dass ein Emitter auf
der optischen (Scan-)Achse nur im konstruktiven Kanal
sichtbar ist, während er nur wenige Nanometer weiter
bereits im destruktiven Kanal erscheint. Durch Subtraktion
der so erhaltenen Scan-Bilder kann ein hochauflösendes
Bild erhalten werden.
Als weiterer Forschungsschwerpunkt hat sich in den
letzten Jahren die Lichtschichtmikroskopie entwickelt. Hier
kann mittels seitlicher Beleuchtung nur die Schicht in der
Probe beleuchtet werden, die gleichzeitig auch scharf ab-
gebildet werden kann. Damit vermeidet man Signal und
Bleichen von Außerfokalschichten und kann gleichzeitig
einen hohen Durchsatz erreichen.
In der strukturierten Beleuchtung wurden in den Jahren
2014/15 einige Fortschritte erzielt. Zum einen wurden Ma-
ximum-Likelihood basierte Rekonstruktionstechniken im-
plementiert und eingehend untersucht. In Zusammenarbeit
mit einer Gruppe aus Marseille, wurde das „blinde“ Rekon-
struktionsverfahren, ohne präzise Kenntnis der Beleuch-
tungsverteilung zur „dicken Schicht (thick slice)“ Methode
erweitert. Somit konnten aus 2-dimensionalen Daten eine
kleine Anzahl von Schnitten rekonstruiert werden und so-
mit außerfokales Licht effektiv aus der Fokusschicht
entfernt werden [1].
Weiterhin bemerkten Kai Wicker und Rainer Heintz-
mann, dass es viele Publikationen in zum Teil hochwertigen
Zeitschriften gab, die offensichtlich auf der Fehlannahme
beruhen, dass SIM sich direkt auch auf kohärente Mikro-
skopieverfahren, wie die Durchlichtmikroskopie anwenden
lässt. Sie haben versucht dieses Missverständnis zu beseiti-
gen, indem sie es aus theoretischer Sicht beleuchteten [2].
Die Methodik der strukturierten Beleuchtung wurde
technisch weiterentwickelt, indem sie beschleunigt wurde
[3,4]. Dies ist insbesondere wichtig vor dem Hintergrund
nichtlineare strukturierte Beleuchtung (ca. 50 nm Auflö-
sung) für lebende Zellen entwickeln zu wollen.
[1] Jost A.,Tolstik E., Feldman P., Wicker K., Sentenac A., Heintzmann R.
(2015): Optical Sectioning and High Resolution in Single-Slice Structured
Illumination Microscopy by Thick Slice Blind-SIM Reconstruction. PLoS One,
10, e0132174-1. DOI:10.1371/journal.pone.0132174.
[2] Wicker K., Heintzmann R. (2014): Resolving a misconception about
structured illumination. Nature Photonics, 8, 342–344. DOI:10.1038/
nphoton.2014.88.
[3] Foerster R., Lu-Walther H.W., Jost A., Kielhorn M., Wicker K., Heintz-
mann R. (2014): Simple structured illumination microscope setup with high
acquisition speed by using a spatial light modulator. Optics Express, 22,
20663-20677. DOI: 10.1364/OE.22.020663.
[4] Lu-Walther H.W., Kielhorn M.,, Förster R., Jost A., Wicker K., Heintzmann
R. (2015): FastSIM: a practical implementation of fast structured illumina-
tion microscopy. Methods Appl. Fluoresc., 3, 014001. DOI:10.1088/2050-
6120/3/1/014001.
Strukturierte Beleuchtung (SIM)