Es kostet weniger als 1.000 Euro und kann aktive SARS-CoV-2-Viren sichtbar machen: Der Nachwuchsforscher Benedict Diederich hat mit einem internationalen Team aus Jena, Tromsö und Oslo ein Do-it-Yourself-Mikroskop konstruiert, das mit einem Smartphone und speziellen photonischen Wellenleiter-Chips hochauflösende Bilder jenseits der optischen Auflösungsgrenze liefert.

Mit einer nanometergenau positionierbaren Linse aus einem handelsüblichen Blu-Ray-Player koppeln die Forschenden einen Laserstrahl in den Singlemode-Wellenleiter. Auf dem Wellenleiter liegt eine fluoreszierende Probe; diese lässt sich mittels Total Internal Reflection Flourescent Microscopy (TIRFm) visualisieren. „Die Intensität im TIRF-Bereich und die Sensitivität der Handy-Kamera sind groß genug, um einzelne Moleküle nachzuweisen“, erläutert Benedict Diederich; beispielsweise mittels direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (dSTORM).

Die fluoreszierenden Moleküle binden die Forschenden mit Antikörpern an das Skelett einer Zelle oder an die Spike-Proteine des SARS-CoV-2-Virus. Indem sie viele dieser Proteine lokalisieren, können sie eine Auflösung im Bereich von weniger als 80 nm erzielen.

„Aus einer Variation des Anregungsmusters und der damit verbundenen Änderung des Emissionssignals können wir mithilfe maschinell lernender Algorithmen die Auflösung bei Lebendzellaufnahmen noch einmal erhöhen“, so Diederich. Das Handy übernimmt dabei sowohl die Bildverarbeitung als auch die Steuerung des 3D-gedruckten Mikroskops.

Das komplette Gerät passt in eine handliche Box und damit gut in einen Inkubator oder ins Hochsicherheitslabor. Dort könnte man damit etwa Lebendzellen sichtbar machen oder sich anschauen, wie Viren in Zellen eindringen. „Ideal, wenn man nicht die Probe zum Mikroskop bringen will, sondern das Mikroskop zur Probe“, sagt Diederich, der seine Promotion am Leibniz-IPHT und der Universität Jena Anfang 2021 erfolgreich abgeschlossen hat (Ein Mikroskop für alle, S. 28).

„Sicherheitslabore mit superauflösenden Mikroskopen, das ist eine exklusive Kombination, die es nur in sehr wenigen Forschungseinrichtungen auf der Welt gibt“, erläutert er. Die Bauanleitung für das DIY-Nanoskop indes sind mitsamt der Handy-Software quelloffen zugänglich. Damit wurden bereits einige Geräte auch außerhalb des Leibniz-IPHT nachgebaut.