Mehrwegphotonen ermöglichen rauscharme Mikroskopie

Eine neue Mikroskopiemethode haben österreichische Forscher in den USA entwickelt. Sie bringen jedes einzelne Lichtteilchen dazu, mehrmals mit der Probe zu interagieren, berichten die Physiker im Fachjournal „Nature Communications“. Die Methode zeichnet sich durch ein geringes Rauschen im Verhältnis zur Signalstärke aus und eignet sich etwa für lichtempfindliche Proben wie lebende Zellen.

Aufgrund der Quantennatur des Lichts liefern bildgebende Verfahren bei geringer Lichtintensität grundsätzlich verrauschte Bilder. „Bei geringen Intensitäten sieht man, dass Licht aus einzelnen Quanten, den sogenannten Photonen, besteht: Auf jeden Pixel einer Kamera kann immer nur eine gewisse Anzahl von Photonen treffen, also drei oder fünf Lichtteilchen, nie aber 3,7 oder 5,2 Photonen“, erklärte der aus Oberösterreich stammende Physiker Thomas Juffmann, der seit 2013 an der Stanford University arbeitet, gegenüber der APA.

Stärkeres Signal

Daher gebe es keine kontinuierlichen Übergänge, weshalb ein Bild bei geringer Lichtintensität immer verrauscht sei. Die Wissenschafter nennen diesen Effekt auch „Schrotrauschen“. Dieses Rauschen limitiert die Genauigkeit zahlreicher optischer Messverfahren. Um das zu verhindern, verwenden die Physiker in ihrer Methode die einzelnen Photonen mehrmals. Ein Lichtteilchen geht dabei durch die Probe durch und wird von einem optischen System genau an dieselbe Stelle wieder zurückgeschickt. Von jeder Interaktion zwischen Photon und Probe wird Information gesammelt und das Signal aufgebaut. „Erst nach mehrmaliger Interaktion detektieren wir das Licht und erhalten so die Information über die Probe“, sagte Juffmann.

Der Vorteil dabei sei, dass das Signal stärker wird, das Rauschen aber weitgehend unverändert bleibt. Dadurch erhöht sich die Qualität der mikroskopischen Aufnahmen, so Juffmann. Er hat in der Arbeit neben Kollegen in Stanford mit dem aus Niederösterreich stammenden Physiker Philipp Haslinger von der University of California in Berkeley zusammen gearbeitet. Ein anderer Ansatz Mikroskopie zu betreiben, die nicht durch Schrotrauschen beschränkt ist, verwendet Verbindungen zwischen quantenmechanisch verschränkten Photonen. „Statt die Verbindungen zwischen mehreren Photonen zu nutzen, recyceln wir einzelne Photonen, was technologisch leicht realisierbar ist. Es kann gezeigt werden, dass damit die theoretisch bestmöglichen Resultate erzielt werden können“, sagte Juffmann.

Eingesetzt werden könnte die Methode nicht nur für die Mikroskopie lebender Zellen, sondern auch für räumlich hochaufgelöste Untersuchungen atomarer Schichten und die Mikroskopie im UV-Bereich oder mit Elektronen. So sei es in der Elektronenmikroskopie derzeit unmöglich, einzelne Proteine atomar aufgelöst abzubilden. „Ein Grund dafür ist, dass man nur wenige Elektronen mit der Probe wechselwirken lassen kann, bis sich die Struktur der Probe aufgrund der zugeführten Energie verändert.“, so Juffmann.