Spektroskopie, Visualisierung und Photomanipulation einzelner Moleküle: die Grundlage für superhochauflösende Mikroskopie (Nobel‐Aufsatz)

Die ersten Schritte hin zur optischen Detektion und Spektroskopie einzelner Moleküle in kondensierter Materie folgten auf Tieftemperaturstudien inhomogen verbreiteter Absorptionsprofile molekularer Verunreinigungen in Festkörpern. Spektrale Charakteristika, die mit der Anzahl der Moleküle in Resonanz zusammenhingen, führten durch den Einsatz von frequenzmodulierter Laserspektroskopie zum Erreichen der Einzelmolekülgrenze im Jahr 1989. In den frühen 90er Jahren wurden zahlreiche faszinierende physikalische Effekte einzelner Moleküle entdeckt. Ihre Visualisierung, die Beobachtung spektraler Diffusion und optischer Schaltung sowie die Möglichkeit, verschiedene einzelne Moleküle im selben Fokusvolumen durch schlichtes Variieren der Frequenz des eingestrahlten Pumplasers auszuwählen, waren Wegbereiter für die spätere superhochauflösende Mikroskopie mit einzelnen Molekülen. Die Visualisierung individueller Kopien des grün fluoreszierenden Proteins förderte ebenfalls Erstaunliches zu Tage. Insbesondere ist hier das Blinken und die lichtinduzierte Schaltbarkeit zu nennen, welche die Entwicklung photoschaltbarer Proteine als Fluoreszenzmarkierungen anregten. Da sich jeder einzelne Fluorophor wie eine Lichtquelle von ungefähr 1 nm Größe verhält, ist die mikroskopische Beobachtung und Lokalisierung individueller Fluorophore eine Grundvoraussetzung für Abbildungen über die optische Beugungsgrenze hinaus. Die Kombination dieser Techniken mit aktiver Kontrolle der Anzahl emittierender Moleküle im Anregungsvolumen führte zur superhochauflösenden Mikroskopie von Eric Betzig und anderen. Im Folgenden werden die Voraussetzungen, die in diese Entdeckungen mündeten, dargestellt und gegenwärtige Entwicklungen zusammengefasst.