Neue Methode zur Manipulation von Lichtstrahlen verbessert die Verfolgung von Molekülen

Die Steuerung von Licht auf bestimmte Weise ist wichtig für viele wissenschaftliche Werkzeuge wie optische Pinzetten und Mikroskope. Techniken für hochauflösende Bilder, wie STED und RESOLFT, basieren darauf, Lichtstrahlen zu erzeugen, die spezielle Bereiche haben, wo die Lichtintensität auf null sinkt. Diese Bereiche helfen Wissenschaftlern, genau herauszufinden, wo Atome oder Moleküle sind.

MINFLUX ist eine Methode, die sich in diesem Bereich abhebt, weil sie sich darauf konzentriert, den genauen Standort einzelner Moleküle zu finden. Das erledigt sie, indem sie die Form des Lichtstrahls verändert und anschaut, wie sich das von einem Molekül emittierte Licht verändert, während der Strahl um seine Position bewegt wird. Diese Technik ist effizient und benötigt weniger Lichtemissionen, um hohe Genauigkeit zu erreichen. Durch die Anpassung der Formen der Lichtstrahlen auf verschiedene Arten kann MINFLUX Moleküle in einer, zwei oder drei Dimensionen lokalisieren.

Verschiedene Geräte, darunter galvanometrische und piezoelektrische Ablenker, werden verwendet, um die Bewegung dieser Strahlen zu steuern. MINFLUX nutzt oft elektro-optische Geräte, da sie klein, einfach zu bedienen und sehr schnell anpassbar sind. Allerdings waren andere Methoden komplizierter und teurer, wie bestimmte Arten von Linsen oder Spiegeln.

Wir schlagen eine neue Methode vor, die Interferometrie verwendet, bei der zwei oder mehr Lichtstrahlen gemischt werden, um schnell und effizient die Strahlformen zu verändern. Unser Setup umfasst ein Vierkanal-Gerät, das verschiedene Arten von Lichtstrahlen verarbeiten kann und so detaillierte Bilder und Nachverfolgung ermöglicht. Diese neue Technologie hat zu spannenden neuen Möglichkeiten der Molekülverfolgung geführt.

#Manipulation von Lichtstrahlen

In Bereichen, wo Lichtstrahlen fokussiert sind, gibt es Stellen, Linien oder Ebenen, in denen es keine Lichtintensität gibt. Diese Nullintensitätsbereiche können durch speziell gestaltete Masken geschaffen werden. Die Standorte und Formen dieser Nullintensitätsregionen können durch das Mischen verschiedener Lichtstrahlen mittels Interferenz angepasst werden.

Wir haben Simulationen und Messungen durchgeführt, um zu sehen, wie verschiedene Kombinationen von Strahlen die Lage dieser Nullintensitätsstellen verschieben konnten. Zum Beispiel ist es möglich, ein Gebiet ohne Intensität seitlich zu verschieben, wenn man einen zirkular polarisierten Strahl mit einem Gaussstrahl kombiniert. Ähnlich erzeugt eine andere Kombination von Strahlen ein einzigartiges Muster, das noch genauere Messungen ermöglicht. Das Ändern der Winkel und Formen dieser Strahlen verändert nicht nur die Position der Nullen, sondern ermöglicht es den Forschern auch, Moleküle genauer zu untersuchen.

#Ein neuer Gerätetyp

Wir haben ein neues Gerät entwickelt, das Interferometrie nutzt, um Lichtstrahlen in Echtzeit zu manipulieren. Dieses Gerät hat drei Hauptteile: einen Polarisationstuhler, einen Strahlformer und einen Strahl-Mischer. Zusammen ermöglichen diese Teile, dass zwei unterschiedliche Strahlen sich mischen und spezifische Lichtmuster erzeugen. Unser Gerät arbeitet effizient in zwei verschiedenen Lichtfarben, was die Genauigkeit bei der Bildgebung verschiedener Moleküle erhöht.

Der Polarisationstuhler passt die Intensität der Strahlen an, bevor sie sich mischen. Der Strahlformer modifiziert die Form der Lichtstrahlen, damit sie effektiver miteinander interagieren können. Nach dem Formen werden die Strahlen kombiniert, was das gewünschte Interferenzmuster erzeugt, ohne dass komplizierte Anpassungen und Rückmeldesysteme notwendig sind.

Unser System kann vier unabhängige Wege gleichzeitig manipulieren, was die Untersuchung von zwei Lichtfarben zur gleichen Zeit ermöglicht. Alle Teile des Systems arbeiten zusammen, um die Strahlen zu stabilisieren, sodass eine schnelle und präzise Manipulation des Lichts möglich ist.

#Schnelle und effiziente Bilderstellung

Um Moleküle genau zu verfolgen und zu studieren, ist es wichtig, ihre Emissionen mit verschiedenen Strahlformen zu prüfen. Unser System bietet verschiedene Konfigurationen für die 2D- und 3D-Lokalisierung einzelner Moleküle. Durch die Kombination mehrerer Strahlformen können wir während des Bildgebungsprozesses eine höhere Präzision erreichen.

Mit unserem neuen Gerät können die Strahlen schnell bewegt werden, was wichtig ist, um zu verfolgen, wie sich Moleküle über die Zeit verhalten. Diese Fähigkeit ist entscheidend für die Untersuchung verschiedener biologischer Prozesse in Echtzeit mit minimalen Verzögerungen.

Unser interferometrischer Ansatz ist besonders effektiv für axiale Bewegungen und gewährleistet, dass das Tracking schnell und mit hohen Detailgraden erfolgen kann. Er ermöglicht auch eine bessere Beobachtung, wie sich Moleküle über die Zeit bewegen, was in vielen Forschungsbereichen wichtig ist.

#Anwendungen in der realen Welt

Wir haben unsere neuen Methoden sowohl mit statischen als auch mit beweglichen Objekten getestet, einschliesslich gestalteter DNA-Strukturen und Zellen. Zum Beispiel haben wir mehrere fluoreszierende Farbmoleküle auf einem DNA-Origami angeordnet und deren Positionen mit unglaublicher Präzision verfolgt.

Die Ergebnisse zeigten, dass alle Positionen mit sehr kleinen Fehlergrenzen genau aufgelöst wurden. Diese Präzision ist entscheidend für Anwendungen, die exakte Messungen benötigen, wie das Verständnis davon, wie Proteine innerhalb von Zellen interagieren und sich bewegen.

Ein Beispiel für unsere Tracking-Fähigkeit betraf einen DNA-Strang, der hin und her zwischen zwei Punkten bewegte. Wir haben seine Bewegung genau gemessen und den Abstand zwischen diesen Punkten bestätigt, was hohe zeitliche Auflösung in unseren Messungen demonstrierte.

Ausserdem haben wir die Fähigkeit gezeigt, gleichzeitig zwei verschiedene Arten von Farbmolekülen zu verfolgen. Dieses Dual-Color-Tracking ermöglicht es Wissenschaftlern, besser zu verstehen, wie verschiedene Moleküle miteinander interagieren und wie sie in Bezug aufeinander agieren.

#Vorteile der neuen Methode

Unser Ansatz zur Manipulation von Lichtstrahlen bringt mehrere Vorteile mit sich. Er kann sich an verschiedene Situationen anpassen, ohne dass komplizierte mechanische Setups nötig sind. Diese Vielseitigkeit macht unsere Methode in einer breiten Palette von Bereichen anwendbar, von der Biologie bis zur Materialwissenschaft.

Das neue Gerät ist kompakt und kosteneffektiv im Vergleich zu bestehenden Lösungen und liefert dennoch hochwertige Ergebnisse. Mit der Fähigkeit, mehrere Strahlformen und -farben zu erzeugen, können Forscher mehr Informationen als je zuvor sammeln, was zu einem besseren Verständnis komplexer molekularer Prozesse führt.

Darüber hinaus ermöglicht diese Methode das kontinuierliche Scannen und Verfolgen von Molekülen, was zukünftige Forschungstechniken verbessern könnte, wie das Untersuchen, wie Neuronen im Gehirn kommunizieren oder die Dynamik von Proteininteraktionen in Zellen zu beobachten.

#Fazit

Zusammenfassend haben wir eine neue Methode zur Manipulation von Lichtstrahlen für hochpräzise Bildgebung und Verfolgung von Molekülen vorgestellt. Unser Ansatz nutzt Interferometrie, um eine schnelle und genaue Kontrolle über Licht zu erreichen, was fortgeschrittene Techniken in der wissenschaftlichen Forschung ermöglicht. Wir glauben, dass diese Arbeit zukünftige Studien erheblich profitieren und die Möglichkeiten bestehender Methoden verbessern wird, was den Weg für tiefere Einblicke in molekulare Dynamik und Interaktionen ebnet.