STED-Mikroskop, Stefan Hell und Timo Mappes

[Muschelbluemchen]

Hallo

Ein interessanter "Planet Wissen" - Beitrag beschäftigt sich mit dem STED-Mikroskop und zeigt einen sehr sympatischen Nobelpreisträger.
Timo Mappes kommt in diesem Film auch vor, der ja auch hier im Forum mitwirkt.

https://youtu.be/uMoV1vv9kJA

Für die Mikroskop-Sammler, die noch nicht alles haben (zumindest kein STED) wird im Film auch ein Preis genannt.
Die Firma Leica dürfte es auch schon produzieren - siehe http://www.physik.uni-kl.de/uploads/media/Weitere_optische_Mikroskopie-Verfahren.pdf, Seite 44
Wo bleibt da Zeiss?

Hier im Forum wurde schon mal was zu STED gepostet: http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=11490.0

mit herzlichen Mikrogrüßen
Leo

[the_playstation]

Hallo.
Was mich ein wenig enttäuscht beim ersten Beitrag über Mikroskopie ist, daß fast nur Elektronenmikroskop-Bilder und Auflicht-Aufnahmen gezeigt werden, die wenig mit Lichtmikroskopen oder STED-Mikroskopen zu tun haben. Natürlich eine tolle Leistung.

Beste Grüße Jorrit.

[Oecoprotonucli]

Hallo zusammen,

ein paar ältere Links aus dem Forum dazu:

Abbe ausgetricktst - Spiegel-Artikel zum Leica STED-Mikroskop von Hell
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=4666.5

"STED Mikroskop" von Prof. Hell
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=11490.0

Einfache Methode zur Fluoreszenzmikroskopie mit 3x verbesserter Auflösung
(nicht ganz zum Thema STED)
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=7955.5

Schöne Grüße vom Linksammler

Sebastian

[TPL]

Danke für den Link, Leo!

Ich habe den Beitrag sehr genossen; auch und gerade die Abschnitte zum Sinn von Grundlagenforschung. Stellte man die Frage nach dem Nutzen zu früh, würde es derartige Erkenntnisse und Anwendungen nicht (oder nur per Zufall) geben. Es macht mich optimistisch, zu sehen, dass "wir" uns solchen "Luxus" leisten können.

Viele Grüße
Thomas

[d65]

Die Firma Leica dürfte es auch schon produzieren ...
Wo bleibt da Zeiss?

STED Mikroskope werden seit einigen Jahren von Leica und seit Mai auch von Abberior Instruments angeboten, eine Göttinger Firma die Stefan Hell mitbegründet hat. Im Mai war das ursprüngliche Patent, das Herr Hell exklusiv an Leica lizenziert hatte, ausgelaufen.
Zeiss hat sich, vermutlich auch auf Grund der Patentlage, schon seit einigen Jahren auf andere superresolution Techniken konzentriert: Das Elyra PS kann sowohl strukturierte Beleuchtung (ca Verdopplung der Auflösung) als auch 'PALM', eine von den Lokalisierungstechniken. Nikon bietet übrigens auch eine strukturierte Beleuchtung an, N-SIM, auch General Electric hat (seid der Übernahme von Applied Precision) mit dem OMX ein 3D-SIM Gerät am Start während Olympus bisher keine Superresolution-Techik anbietet.

Gruß
Steffen

[Peter V.]

Hallo,

worüber ich immer noch grüble, ist, ob man wirklich sagen kann, dass damit die "Abbe-Grenze" überwunden sei oder gar das Abbesche Gesetz nicht mehr gelte. Es ist ja doch ein trickreiches Verfahren und eigentlich keine klassische "Lichtmikroskopie" mehr. Oder sehe ich das so falsch?

Herzliche Grüße
Peter

[d65]

Hallo Peter,

beim Grübeln bist Du nicht allein. Die Diskussion ging viel darum, ob das Abbe-Limit "gebrochen" oder 'nur' "umgangen" wurde. Stefan Hell ist in seinen Vorträgen sehr dezidiert der Meinung, das die Grenze gebrochen wurde.

Die Konfusion kommt vielleicht einerseits davon, dass die Super-Auflösungen, egal mit welchem Ansatz, halt nur unter recht speziellen Bedingungen erzielt werden können, aber natürlich nicht mit einem "normalen" Mikroskop. Wenn man das Abbe-Limit simplifiziert interpretieren würde als "ein Lichtmikroskop kann keine Strukturen kleiner als 140 nm auflösen" dann ist es klar gebrochen, durch STED, 3D-SIM, Lokalisationsmikroksopie, aber eigentlich auch schon durch konfokale Mikroskopie, die theoretisch einen Faktor 1.4 besser ist als normale Mikroskopie (praktisch aber nur, wenn man das Pinhole ganz zuziehen kann). Ein Phänomen, das Zeiss bei seinem Airy-Scan-Ansatz ausnutzt.

Übrigens hat sich Abbe in seiner Originalarbeit sehr wissenschaftlich korrekt und nachgerade Hell-seherisch ausgedrückt (entschuldigt das Wortspiel): Aus dem Gedächtnis zitiert schrieb er ungefähr: "Dies gilt zumindest solange keine gänzlich anderen Faktoren zur Geltung gebracht werden".

Gruß
Steffen

[the_playstation]

Vermutlich gibt es viele wissenschaftliche Erkenntnisse, die einer näheren Betrachtung nicht standhalten würden. Die Erde soll ja auch keine Scheibe sein.

Hallo Safari. Dazu benötigt man auch eine weite Betrachtung aus dem All.

Da die STED Mikroskopie doch sehr speziell ist, gibt es auch nur spezielle Anwendungsbeispiele. Es ist auch die Frage, ob die Ergebnisse nicht z.B. durch den Einsatz von Marker-Molekülen beeinflußt werden?

Beste Grüße Jorrit.

[Haus@Hund]

Guten Morgen zusammen,

soweit ich es verstanden habe, folgt die Abbesche Abbildungstheorie unmittelbar aus der Fourieranalyse ausgedehnter Objektstrukturen, so dass immer die Abbildung zweidimensionaler Strukturen vorausgesetzt wird.

Eine ganze Reihe von Höchstauflösungsverfahren, beginnend mit der Konfokalmikroskopie, manipuliert die Punktbildverwaschungsfunktion (point spread function, PSF), damit die entstehenden Airy-Scheibchen kleiner werden. STED macht das bekannterweise in einem fluoreszenzmikroskopischen Aufbau, indem mit einem zweiten Laser die Fluoreszenz in einer ringförmige Zone um den ersten Anregungslaser herum wieder gelöscht wird. Der Preis, der dafür zu zahlen ist, ist die Notwendigkeit des Abscannens des Präparates. Dieser Fall wird von der Abbeschen Theorie meines Wissens überhaupt nicht behandelt, so dass ich eher von einem "Umgehen" sprechen würde.

Viele Grüße
Jörg

[d65]

Es ist auch die Frage, ob die Ergebnisse nicht z.B. durch den Einsatz von Marker-Molekülen beeinflußt werden?

Das ist eine sehr wichtige Frage, die viel (aber IMHO immer noch zu wenig) diskutiert wird. Es ist aber kein spezielles Problem von STED, sondern generell von Fluoreszenzmikroskopie und damit ein Problem von geschätzten weit über 90% der Mikroskopie in der biomedizinischen Forschung. Auch sollte man nicht aus dem Auge verlieren, dass STED wohl meistens doch mit fixierten Präparaten verwendet wird, zum Beispiel mit einer Antikörper-Färbung. Die paar Beispiele an lebenden Strukturen sehen eben besonders beeindruckend aus, weswegen sie wohl häufiger zu sehen sind. Weil aber Mikroskopie in der Forschung heute hauptsächlich Fluoreszenzmikroskopie ist, sind die potentiellen Anwendungsfelder von STED und den anderen beiden Prinzipien dann doch wieder ziemlich groß.

Die Hauptprobleme von STED in der praktischen Anwendung sind andere: Für den Abregungslaser werden sehr hohe Energien gebraucht. Je nachdem mit welcher Wellenlänge da abgeregt wird wird dieses Licht natürlich auch von verschiedenen Strukturen absorbiert. Das mögen lebende Zellen dann vielleicht nicht so... Außerdem ist die Photochemie eine andere: ein künstlich abgeregtes Fluorochrom kann auch schneller wieder angeregt werden, d.h. die Fluorochrome zyklieren viel schneller zwischen an- und abgeregtem Zustand als bei 'normaler' Laserscanningmikroskopie. Vermutlich ist es das, was dazu führt, dass die meisten Farbstoffe sehr viel schneller ausbleichen als sonst.

Noch ein Wort zur Umgehung/zum Brechen des Abbe-Limits: man sollte im Kopf behalten, dass das ein zwar womöglich intellektuell anregender, aber letztlich doch ziemlich akademischer Streit ist: Entscheidend ist ja letztlich, was mit der neuen Technik gemacht werden kann. und das ist eine ganze Menge.

Gruß
Steffen

[wilfried48]

Ich habe den Film auch mit sehr großem Interesse gesehen. Für mich wurde das Abbe-Limit eindeutig gebrochen. Nicht umsonst gab es für diese Arbeit den Nobelpreis. Vermutlich gibt es viele wissenschaftliche Erkenntnisse, die einer näheren Betrachtung nicht standhalten würden. Die Erde soll ja auch keine Scheibe sein.

Hallo Wolfgang,

das Abbesche Gesetz ist eine grundlegende Erkenntnis der Physik für die natürlich auch nobelpreiswürdig gewesen wäre, wenn es diesen Preis damals schon gegeben hätte. Es ist natürlich nach wie vor gültig und wird nur im Falle der Fluoreszenzmikroskopie durch eine schlaue Ingenieurleistung mit den beiden jetzt mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Verfahren STED und PALM umgangen.
Das Ganze in die Nähe der übeholten Erkenntnis "die Erde ist eine Scheibe" zu rücken ist also schlichtweg Quatsch.

viele Grüsse
Wilfried

[treinisch]

Hallo,

der Vergleich mit der Annahme, die Erde sei eine Scheibe ist natürlich in vielerlei Hinsicht wenig erhellend. Erstens handelte es sich bei genannter These zu keinem Zeitpunkt um ein Naturgesetz und zweitens wurde diese These nie gebrochen oder umgangen, sondern schlicht als falsch entlarvt, falsifiziert, falls man so möchte.

Das Abbe-Limit könnte man als Naturgesetz oder naturgesetzlichen Zusammenhang bezeichnen, ich persönlich würde es allerdings als Corollar viel grundlegenderer Naturgesetze einstufen, ohne ihm damit irgendwie am Wert flicken zu wollen.

Wie auch immer: Naturgesetze kann man weder brechen noch umgehen. Solche Formulierungen sind meiner Bescheidenen Meinung nach unsemantische (d.h. semantisch unsinnige) Übergriffe der Alltagssprache auf die Fachsprache. Gesetze kann man brechen, denn sie regeln ein Sollen und ein Nichtsollen. Kategorien, die Naturgesetzen völlig wesensfremd sind. Gesetze kann man umgehen. Unter Umgehung versteht man eine Tat, die zwar rein formal ein Gesetz nicht bricht, aber erkennbar gegen den gegebenen Sinn eines Gesetzes verstößt. Einen ,,Sinn" in diesem Sinne, ein ethisches Handlungsziel, ist Naturgesetzen natürlich ebenso völlig wesensfremd.

Man kann Naturgesetze falsifizieren und verifizierend, vielleicht auch ignorieren, jedenfalls weder brechen noch umgehen.

Die Bedingungen unter denen das Abbe-Limit gilt, sind bei den Superresolution-Techniken schlicht nicht gegeben, fertig. Sie brechen, umgehen oder falsifizieren das Abbe-Limit nicht und tun auch nicht das Gegenteil, es ist schlicht nicht einschlägig.

Vlg
Timm

[the_playstation]

Hallo Timm.
Naturgesetze kann man schon umgangssprachlich umgehen oder brechen. Die Quantenmechanik tut dieses regelmässig bei der Relativitätstheorie. Die Relativitätstheorie tut dieses regelmässig bei der klassischen Mechanik. Eigentlich müßte man daher viele Naturgesetze / Formeln modifizieren und anpassen.

Selbst Photonen und Atome "ignorieren" manchmal die Naturgesetze. Ich bin ein großer Verfechter der Naturgesetze und Sie sind ein kleiner Fels in der sich stetig wandelnden Brandung. Aber auch Naturgesetze basieren nur auf unserem momentanen Wissensstand und unserem Verständins der Natur.

Beste Grüße Jorrit.

[wilfried48]

...
Die Bedingungen unter denen das Abbe-Limit gilt, sind bei den Superresolution-Techniken schlicht nicht gegeben, fertig. Sie brechen, umgehen oder falsifizieren das Abbe-Limit nicht und tun auch nicht das Gegenteil, es ist schlicht nicht einschlägig.

Vlg
Timm

Hallo Timm,
das ist sicher richtig zumal es sich bei den fluoreszenmikroskopischen Methoden um die Abbildung von Selbstleuchtern handeln und hierfür eigentlich die Theorie nach Helmholtz (Stichwort Airy Scheibchen) zuständig ist. Abbe gilt ja streng genommen nur für Durchlichtmikroskopie also Nichtselbstleuchter, auch wenn die beiden von Abbe und Helmholtz abgeleiteten Formeln zu den gleichen Ergebnissen führen.

viele Grüsse
Wilfried
nach

[Detlef Kramer]

Hallo,

und dazu muss man noch bedenken, dass das, was man schließlich auf dem Bildschirm sieht, das Ergebnis einer hoch komplexen mathematischen Berechnung ist, also eigentlich keine wirkliche Abbildung.

Herzliche Grüße
Detlef