23.03.2017 | Presseinformationen:

Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope ChipScope will ins Innere lebender Zellen blicken

(See english Version below)

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben sich eine Anwendung herausgegriffen. Zum Projektende sollen anhand medizinischer Laboruntersuchungen Zellveränderungen veranschaulicht werden, die bei idiopathischer Lungenfibrose, kurz IPF, auftreten. Diese Zellveränderungen können mit dem neuen Mikroskop im Inneren der lebenden Zellen und in Echtzeit beobachtet werden. Bei IPF handelt es sich um eine aggressive und schnell fortschreitende Lungenkrankheit, der weltweit jährlich 0.5 Mio Menschen zum Opfer fallen.

Die neuen Mikroskope werden kostengünstig und einfach benutzbar sein. Dies wird Forschung z.B. in der Medizin, der Biologie und Biotechnologie sowie vielen anderen Fachgebieten unterstützen und beschleunigen. Auch für Entwicklungsländer wird das kompakte Mikroskop sehr interessant werden, da dann direkt vor Ort kostengünstige höchstauflösend mikroskopiert werden kann, um zum Beispiel Krankheitserreger zu identifizieren. In nicht allzu ferner Zukunft könnten ChipScope-Mikroskope auch in Consumer Electronics eingebaut werden, so wie heute die Smartphone-Kameras.

Warum neue optische Mikroskope?

Was wir heute mit konventionellen optischen Mikroskopen sehen können, wird von physikalischen Gesetzen, genauer gesagt der Wellenlänge des Lichts, limitiert. Sie beträgt circa ein halbes tausendstel Millimeter. Zellbestandteile, DNA-Moleküle oder Proteine sind jedoch wesentlich kleiner und können daher mit diesen konventionellen Mikroskopen nicht beobachtet werden.

Anspruchsvolle Projektziele

Im Forschungsprojekt ChipScope soll eine neue Generation optischer Mikroskope zur Erforschung der Nanowelt realisiert werden. Ziel ist es, sehr kleine LEDs mit nur 50 Nanometern Durchmesser, das ist tausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars, zu entwickeln und als Lichtquellen für ein neues Mikroskop zu verwenden. Der grundlegende Unterschied zu konventionellen optischen Mikroskopen besteht darin, dass die Beleuchtung durch extrem kleine, individuell ansteuerbare Lichtquellen erfolgt, und nicht mittels eines breiten Beleuchtungsfeldes und winzigen Detektoren in der Kamera. Dies ermöglicht die Rekonstruktion eines Durchlichtbildes und somit hochauflösende optische Mikroskopie in Echtzeit von extrem kleinen Strukturen wie Bakterien oder von Vorgängen innerhalb lebender Zellen.

Hoch spezialisiertes, interdisziplinäres Projektteam

Das ChipScope-Projekt läuft von Januar 2017 bis Dezember 2020. Partner sind kleine und mittlere Unternehmen, Universitäten und Forschungsinstitute aus fünf europäischen Ländern: Die Technische Universität Braunschweig, die Universität Tor Vergata in Rom, die Firma Expert Ymaging in Barcelona, das Austrian Institute of Technology AIT in Wien, die Medizinische Universität Wien sowie die Schweizerische Forschung für mikrotechnische Forschung FSRM. Koordiniert  wird das Projekt von der Universität Barcelona.


TU Braunschweig: Partner in a Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time the interior of cells present in a disease called Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF), a chronic age-related lung disease killing 0.5 Million people each year worldwide.

The new microscope will be affordable and ubiquitously available. In science, it is expected to lead to fundamental breakthroughs in virtually every field of research that currently makes use of optical microscopes – particularly in the medical field. Making microscopic images will be easy and accessible to researchers who operate out in the field, away from scientific infrastructures and they will be affordable to researchers in developing countries. In the future, these microscopes-in-a-chip could also be integrated into consumer electronic products, being as common as a camera is in a smartphone today.

Background

Today, optical microscopes are limited in resolution by physical laws related to the wavelength of light, around half a thousandth of a millimetre. Single proteins, DNA molecules or the interior of living cells are much smaller and cannot be directly observed with conventional optical microscopes. At the moment, only indirect observation – that means interpretation of measured data – can be made, for example in complex, expensive and bulky electron microscopes. These devices, however, are not suitable for the observation of delicate living tissues.

The Ambitious Project Objectives

The objective of the ChipScope project is to develop a new kind of optical microscope allowing to see the infinitely small. During the project, very small LEDs of 50 nanometers, this is 1000 times smaller than the diameter of a human hair, will be developed and used as light sources for the new microscope which will be integrated on a chip. The fundamental difference with conventional optical microscopy will be that the illumination is made by extremely small individual light sources instead of a wide illumination field and tiny detectors in the camera. This allows super-resolution optical microscopy, which could be used to investigate extremely small structures such as viruses, DNA or living cells, in real time.

A Highly Interdisciplinary Project Team

The ChipScope project is running from January2017 to December 2020. The project team includes SMEs, universities and research organisations under the leadership of the University of Barcelona. Other partners are the Technical University of Braunschweig in Germany, the University Tor Vergata in Rome, the company Expert Ymaging in Barcelona, the AIT Austrian Institute of Technology, the Medical University of Vienna and the FSRM – the Swiss Foundation for Research in Microtechnology.