Durch Zufall entdeckt: das Brechungsindex-Mikroskop

Was ursprünglich als hartnäckiges Hindernis bei der molekularen Untersuchung biologischer Proben begann, erwies sich an der TU Wien als wegweisender Durchbruch. Die Forscher standen zunächst vor dem Problem massiver Messungenauigkeiten, verursacht durch den schwankenden Brechungsindex der Proben. Doch anstatt an dieser Hürde zu scheitern, gelangten sie zu einer entscheidenden Erkenntnis: Durch die Kombination zweier grundlegend unterschiedlicher Mikroskopie-Methoden lässt sich dieser störende Faktor exakt bestimmen und somit selbst als wertvolles Messergebnis nutzen.

Aus dieser beinahe zufälligen Entdeckung entwickelte das Team eine neuartige Technik, die den Brechungsindex mit einer Präzision erfasst, die weit über die theoretischen Grenzen der herkömmlichen Lichtmikroskopie hinausgeht. Damit wurde ein einstiger Störfaktor zum Schlüssel für eine hochauflösende Bildgebung im Nanobereich.

Der Trick für Auflösung unterhalb der Wellenlänge

Wenn man versucht, zwei Moleküle abzubilden, deren Abstand geringer als die Wellenlänge des Lichts ist, stößt die herkömmliche Optik an ihre Grenzen: Anstatt zweier separater Punkte erscheint lediglich ein diffuser Lichtfleck, da sich die Abbildungen unabhängig von der Präzision des Mikroskops überlagern. Abhilfe schafft hier die sogenannte „Einzelmolekül-Mikroskopie“. Bei diesem Verfahren werden spezielle, blinkende Moleküle in die Probe integriert, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufleuchten. Da jedes Molekül eine charakteristische Lichtscheibe auf dem Kamerasensor erzeugt, lässt sich dessen exakte Position durch die Bestimmung des Zentrums dieser Scheibe ermitteln. Selbst wenn sich mehrere Moleküle im selben Bereich befinden, können sie nacheinander gemessen und somit präzise voneinander unterschieden werden – ein Detailgrad, der in gewöhnlichen Aufnahmen durch das Verschwimmen der Bilder verloren ginge.

Diese Methode birgt jedoch komplexe Herausforderungen in der praktischen Anwendung. „Die Lichtscheiben, die man auf diese Weise misst, sind allerdings nicht immer gleich groß“, sagt Prof. Gerhard Schütz. „Die Größe der Lichtscheibe hängt etwa davon ab, wie nahe sich das Molekül an der Fokusebene der Kamera befindet.“ Ursprünglich wollte man genau dieses Phänomen als nützliche Informationsquelle nutzen: Wenn man aus der Größe der Lichtscheiben den Abstand des Moleküls ermitteln könnte, dann ließe sich theoretisch aus den Lichtscheiben ein 3D-Bild erzeugen. Doch bald zeigte sich: Ganz so einfach ist das nicht.

Ändert sich der Abstand – oder der Brechungsindex?

Die praktische Umsetzung dieser Theorie stößt jedoch auf eine physikalische Hürde, da die optischen Eigenschaften des Mediums die Messung verzerren. „Das Problem ist, dass die Größe der Lichtscheiben auch vom Brechungsindex des Materials abhängt“, erklärt Gerhard Schütz. Da nicht jedes Material Lichtstrahlen mit derselben Geschwindigkeit passieren lässt – ein Effekt, der auch für die Lichtbrechung in Prismen oder Linsen verantwortlich ist –, wird die Auswertung komplex. Die Ausdehnung des Lichtflecks wird somit von zwei Variablen gleichzeitig beeinflusst: dem räumlichen Abstand und dem Brechungsindex.

Anstatt an dieser Doppelabhängigkeit zu scheitern, entwickelte das Team an der TU Wien einen innovativen Lösungsansatz. Doch was ist, wenn man genau aus dieser Not eine Tugend macht? „Wir entschlossen uns, dieses Problem einfach umzukehren“, sagt Gerhard Schütz. „Wir messen die 3D-Struktur unserer Probe einfach auf andere Weise, nämlich mit einem Rasterkraftmikroskop. Dann können wir unsere Lichtaufnahme verwenden, um punktgenau an jeder Stelle unserer Probe den Brechungsindex zu berechnen.“ Durch diese geschickte Kombination zweier Messverfahren wird die ursprüngliche Fehlerquelle somit zur wertvollen Datenquelle für die Materialanalyse.

Neue Messmethode für biologische Materialforschung

Auf diese Weise entstand ein innovatives Verfahren, das die Messung des Brechungsindex biologischer Proben in Dimensionen ermöglicht, die deutlich unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegen.

Diese Präzision eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die biomedizinische Analytik. „Das ist gerade bei Kollagen im Gewebe höchst spannend“, sagt Gerhard Schütz. „Kollagen kann unterschiedliche Mengen von Wasser aufnehmen, dementsprechend ändert sich auch der Brechungsindex. Mit unserer Methode kann man nun punktgenau bestimmen, wie viel Wasser sich an welcher Stelle befindet. Auch über die chemische Zusammensetzung des Gewebes können wir Daten erhalten, die bisher nicht direkt zugänglich waren.“

Was als fast zufällige Entdeckung während der Fehlersuche begann, hat sich somit zu einer wegweisenden Verbindung zwischen physikalischer Messtechnik und mikrobiologischer Forschung entwickelt, die tiefere Einblicke in die Beschaffenheit organischer Gewebe erlaubt als je zuvor.

Quelle

Technische Universität Wien (01/2026)