Ein gewöhnliches optisches Mikroskop – eines, das mit sichtbarem Licht und Glaslinsen ein Bild erzeugt – kann keine Details zeigen, die kleiner als etwa 200 Nanometer beziehungsweise 0,2 Mikrometer sind. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, ein Mikrometer ein Millionstel Meter. Diese Grenze rührt daher, dass sich Licht wie eine Welle verhält, und sie ist ein Näherungswert.

Größe

Die Grenze betrifft das Auflösungsvermögen: den kürzesten Abstand zwischen zwei Punkten, den ein Mikroskop noch getrennt zeigen kann. Liegen zwei Punkte näher beieinander, verschmelzen sie zu einem. Die Grenze hängt nicht von der Vergrößerung ab. Jenseits einer etwa 1.000-fachen Vergrößerung macht ein weiteres Vergrößern das Bild zwar größer, zeigt aber keine weiteren Details.

1873 veröffentlichte der Mikroskopiker Ernst Abbe eine Gleichung, die zeigte, dass das Auflösungsvermögen von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Im besten Fall beträgt es etwa die Hälfte der Wellenlänge. Eine gängige Form der Berechnung teilt die Wellenlänge durch die doppelte numerische Apertur, eine Größe, die angibt, wie viel Licht die Linse sammelt.

Die besten Linsen blicken durch einen Öltropfen und erreichen eine numerische Apertur von etwa 1,4. Mit grünem Licht von 550 Nanometern Wellenlänge können sie Details auflösen, die etwa 0,2 Mikrometer auseinanderliegen. Mit rotem Licht von 700 Nanometern Wellenlänge ergibt dieselbe Berechnung eine gröbere Grenze, mit violettem Licht eine feinere.

Größenvergleiche

Ein rotes Blutkörperchen mit einem Durchmesser von etwa 7,5 Mikrometern ist etwa 37-mal so groß wie die Auflösungsgrenze, weshalb seine Form deutlich erkennbar ist.
Ein Mimivirus-Partikel mit einem Durchmesser von etwa 750 Nanometern ist fast viermal so groß wie die Auflösungsgrenze. Es ist groß genug, um mit einem Lichtmikroskop sichtbar zu sein, was bei einem Virus selten ist.
Ein HIV-Partikel mit einem Durchmesser von etwa 145 Nanometern ist kleiner als die Auflösungsgrenze, weshalb ein Lichtmikroskop seine Form nicht zeigen kann.
Etwa 400–500 Details in der Größe der Auflösungsgrenze würden nebeneinander in die Breite eines menschlichen Haares passen, das 80–100 Mikrometer breit ist.
Wäre die Auflösungsgrenze auf die Größe von 1 Millimeter vergrößert – dem kleinsten Strich auf einem metrischen Lineal –, wäre ein menschliches Haar 40–50 Zentimeter breit. Ein HIV-Partikel hätte dann einen Durchmesser von etwa 0,7 Millimetern, kleiner als einer der Striche auf dem Lineal.

Einen Punkt sehen, ohne seine Form zu erkennen

Die Grenze betrifft die Detailschärfe, nicht die reine Erkennbarkeit. Ein einzelnes leuchtendes Molekül kann in einem gewöhnlichen Mikroskop als Lichtpunkt erscheinen, wenn es mehr als 0,2 Mikrometer von jedem anderen leuchtenden Molekül entfernt ist. Der Punkt ist auf die Größe der Auflösungsgrenze verschwommen, sodass er zeigt, wo sich das Molekül befindet, aber nicht, wie es aussieht.

Kürzere Wellenlängen liefern feinere Details. Mikroskope, die nahes ultraviolettes Licht nutzen, können kleinere Details auflösen als solche mit sichtbarem Licht. Elektronenmikroskope gehen noch viel weiter. Die darin verwendeten Elektronen verhalten sich wie Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 0,005 Nanometern – weit kürzer als die des Lichts.

Die Grenze überwinden

Über weite Strecken des 20. Jahrhunderts glaubten Wissenschaftler, dass optische Mikroskope niemals etwas zeigen könnten, das kleiner als etwa 0,2 Mikrometer ist. Stefan Hell schlug 1994 einen Weg vor, diese Grenze zu umgehen, und zeigte 2000, dass er funktioniert. Seine Methode nutzt einen ersten Lichtimpuls, um Moleküle zum Leuchten zu bringen, und einen zweiten, ringförmigen Laserstrahl, der alle bis auf die Moleküle in einem winzigen Fleck abschaltet.

W. E. Moerner und Eric Betzig entwickelten ein anderes Verfahren, bei dem jeweils nur wenige leuchtende Moleküle eingeschaltet werden und viele Aufnahmen kombiniert werden. Die drei teilten sich 2014 den Nobelpreis für Chemie „für die Entwicklung der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie". In den Worten der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die den Preis vergibt, bedeutet ihre Arbeit, dass „aus der Mikroskopie eine Nanoskopie geworden ist".

Quellen

How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
Resolution. Nikon MicroscopyU.
Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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