Zuletzt aktualisiert: Juni 2021

Neues Quantenmikroskop ermöglicht bessere Untersuchung von Zellen

Das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung ist schon länger bekannt – Forscher haben es nun dazu genutzt, sehr kleine Strukturen – wie sie z. B. in Zellen vorkommen – besser sichtbar zu machen. Gekoppelte Photonen sorgen dafür, dass Fluktuationen innerhalb des Laserstahls verringert werden und auf diese Weise das optische Rauschen unterdrückt wird. Dies sorgt dafür, dass die Kontrastschärfe in dem neu entwickelten Mikroskop um 35 Prozent verringert wird – dies berichtet u.a. auch das Fachmagazin „Nature“.

Auf diese Weise ergeben sich für die Wissenschaft völlig neue Möglichkeiten, um die Struktur lebendiger Zellen zu erforschen – ohne sie zu zerstören.

Was sind die Hintergründe?

Egal ob Röntgengläser, Lichtmikroskope oder Laser-Fluoreszenzmikroskope – die meisten Techniken, mit denen Kleinststrukturen erkennbar gemacht werden, sind von den Eigenschaften des eingesetzten Lichts abhängig. Dabei gilt: je kurzwelliger und fokussierter das Licht, desto feiner auch die Strukturen, die man auflösen kann.

Dabei stößt man irgendwann allerdings auch an Grenzen: Da Photonen niemals alle zur exakt gleichen Zeit auf eine Probe treffen, wird die Auflösung durch das sog. optische Rauschen begrenzt, was sich zwar durch eine höhere Strahlenintensität (wie z. B. bei einem Röntgenlaser) ausgleichen lässt, aber gleichzeitig auch sensible Proben zerstören kann.

Die Raman-Spektroskopie bietet weitere Möglichkeiten

Eine Forschergruppe der University of Queensland unter der Leitung von Catxere Casacio hat nun eine Lösung für dieses Problem entwickelt - den Ausgangspunkt dafür liefert die sog. nichtlineare Raman-Spektroskopie: Dabei handelt es sich um eine Technik, die auf der Rückstreuung von Molekülen des Untersuchungsobjekts beruht.

Um diesen Prozess in Gang zu bringen, wird eine Probe mit dem Licht eines Lasers bestrahlt – dadurch werden die einzelnen Moleküle zum Schwingen gebracht. Je nach Schwingungsmuster wird das Spektrum der Photonen verändert, die zurückgestreut werden. Durch die Frequenzunterschiede, die zwischen eingestrahltem und zurückgestreutem Licht bestehen, kann erkannt werden, an welchen Positionen welche Molekülstrukturen vorhanden sind.

Bei der nichtlinearen Raman-Spektroskopie wird zusätzlich ein Interferenzeffekt zur Verstärkung eingesetzt, da das Signal der rückgestreuten Photonen ansonsten zu schwach ist. Hierbei wird die zu untersuchende Probe zusätzlich mit einem zweiten Laserstrahl bestrahlt, der dieselbe Frequenz wie die rückgestreuten Photonen hat. Sobald sich deren Wellen überlagern, kommt es zu einer Verstärkung des Signals – jedoch ist das optische Rauschen bei dieser gängigen Methode immer noch so stark, dass sehr hohe Laserintensitäten eingesetzt werden müssen.

Abdämpfung des optischen Rauschen durch Verschränkung

Die Wissenschaftler um Catxere Casacio haben sich nun einen quantenphysikalischen Vorgang zunutze gemacht, der sich „Verschränkung“ nennt – dadurch sind die Photonen des zweiten eingesetzten Laserstrahls nicht mehr fluktuierend und unabhängig, sondern miteinander gekoppelt. Laut Aussagen der Forscher wird durch diese Verschränkungen die Amplitude des Rauschens unterdrückt.

Beim Einsatz dieser Technik wird das Signal nicht verändert, allerdings hebt es sich aufgrund des verringerten Rauschens deutlicher ab, ohne dabei die Intensität des Lasers erhöhen zu müssen. Auf diese Weise ist es laut Casacio und seinem Team möglich, hohe Kontraste und Auflösungen auch mit relativ geringen Laserstärken zu erreichen.

Was bedeutet das für die Zellforschung?

Die Forscher haben im nächsten Schritt getestet, wie gut diese neuartige Technik in der Praxis funktioniert und dafür Hefezellen mithilfe der quantenverstärkten nichtlinearen Raman-Spektroskopie untersucht. Sie kamen dabei zu dem Ergebnis, dass durch die Quantenverschränkung eine um 35 Prozent bessere Kontrastschärfe erreicht werden kann, ohne die Zelle während dem Prozess zu zerstören, was es in Zukunft erlaubt, kleinste biologische Strukturen zu erkennen, die ansonsten unsichtbar bleiben würden.

Die Forscher sind der Meinung, dass dieser Prozess der Verschränkung völlig neue Möglichkeiten für die Mikroskopie und Messtechnik eröffnet und der erste Beleg für das Paradigma-verändernde Potenzial sei, das diese Technik bietet. Die Vorteile reichen hierbei von verbesserten diagnostischen Technologien bis hin zu einem besseren Einblick in lebendige Systeme.

Quellen: University of Queensland und Nature Magazine (https://www.nature.com/articles/s41586-021-03528-w)

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