3D-Mikroskopie: Laser dreht Proben kontaktfrei

Karlsruher Forschende haben ein neues laserbasiertes Verfahren entwickelt, um empfindliche Proben, beispielsweise Zellen, ohne Berührung drehen und wenden zu können. Die Methode soll genauere 3D-Bilder liefern – ein wichtiger Schritt für die medizinische Grundlagenforschung.

Hochempfindliche Proben unter dem Mikroskop ohne Berührung in alle Richtungen drehen – das war technisch bislang kaum möglich. Ein laserbasiertes Verfahren soll das nun ändern. Der Laser erzeugt dabei kleinste Temperaturunterschiede im Flüssigkeitsmedium, die sanfte Strömungen auslösen und so die Probe bewegen. Das schützt empfindliche Proben und liefert genauere 3D-Bilder. Entwickelt wurde das neue Verfahren von Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Kontaktlos in alle Richtungen drehen

Wollen Medizinerinnen und Mediziner etwa menschliche Krebszellen untersuchen, liefern moderne Mikroskope zwar extrem scharfe Bilder in einer Ebene. In der Tiefe sind die Abbildungen jedoch oft ungenau. Um dem abzuhelfen, müssen Proben aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen und die Einzelbilder zu einem 3D-Modell zusammengesetzt werden. Dafür müssen Untersuchungsobjekte gedreht werden. Das neue Verfahren der Forschenden des KIT ermöglicht diese Drehung nun auf schonende Weise.

Das Team um Prof. Moritz Kreysing und Dr. Fan Nan vom Institut für Biologische und Chemische Systeme des KIT nutzt einen Laser, um die Flüssigkeit, in der die Probe schwimmt, punktuell zu erwärmen. Dadurch entstehen feine Strömungen, mit denen freischwebende mikroskopische Objekte gezielt bewegt werden können – ganz ohne mechanische Mikro-Werkzeuge wie Pipetten, Nadeln oder Greifer.

„Wir manipulieren die Probe nicht direkt“, erklärt Nan. „Stattdessen steuern wir die Bewegung der umgebenden Flüssigkeit so, dass sich das Objekt von selbst ausrichtet.“ Zwar waren lasergetriebene Strömungen bereits bekannt, aber nur für Bewegungen in einer Ebene. Nun sind auch kontrollierte Drehungen im Raum möglich: Durch schnelles Abtasten mit dem Laser entsteht eine schraubenförmige Strömung, die Objekte sanft rotieren lässt – ähnlich wie ein Papierschiffchen, das sich in einem kleinen Strudel selbst dreht.

Nutzen für Medizin und Technik

Durch die dreidimensionale Kontrolle lassen sich Zellstrukturen besser aus verschiedenen Blickwinkeln erfassen. „Wenn sich Proben genauer ausrichten lassen, sehen wir mehr Details“, so Kreysing. „Das ist eine zentrale Voraussetzung, um biologische Strukturen und Prozesse besser zu verstehen.“ Langfristig könnte die Methode auch für kontaktfreie Mikromanipulation, mikroskopische Robotik oder präzise Fertigung im Kleinstmaßstab relevant werden, ergänzt Kreysing.

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