Das Lichtmikroskop ist für die Biologie und die Medizin ein unverzichtbares Instrument. Anders als mit einem Elektronenmikroskop oder einem Rasterkraftmikroskop kann man mit ihm tief ins Innere von biologischen Zellen schauen, und im Gegensatz zum Röntgenmikroskop tötet das Lichtmikroskop die beobachteten Zellen nicht ab. Doch lange schien es, als ließen sich mit dem Lichtmikroskop keine Details sichtbar machen, die kleiner als 200 Nanometer sind, was für die anderen genannten Mikroskope kein Problem ist.
Der Grund für diese Beschränkung liegt in der 1873 von Ernst Abbe gefundenen Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops, das zwei Objekte nur dann voneinander trennen kann, wenn ihr Abstand nicht kleiner ist als die halbe Wellenlänge des zur Abbildung benutzten Lichtes. Sind die Objekte jedoch mit fluoreszierenden Molekülen markiert, so kann man unter Einbeziehung molekularer An- und Auszustände bei der Bilderzeugung die Abbesche Auflösungsgrenze aufheben. Dies gelang Dr. Stefan Hell und Dr. Thomas Klar vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen. Für ihre Arbeit wurden sie mit dem Helmholtz-Preis 2001 ausgezeichnet.
Bei der von Stefan Hell und Thomas Klar entwickelten STED-Mikroskopie (STED steht für Stimulated Emission Depletion oder stimulierte Emissionslöschung) können die fluoreszierenden Moleküle, die auf dem abzubildenden Objekt sitzen, in einem hellen oder einem dunklen Zustand sein. Ein fokussierter grüner Laserstrahl bringt sie vom dunklen in den hellen Zustand, sodass sie fluoreszieren. Normalerweise werden dabei alle Moleküle im Laserlichtfleck angeregt, der stets größer ist als die halbe Laserwellenlänge.
Doch die beiden Forscher fanden einen Weg, den leuchtenden Bereich wesentlich kleiner zu machen. Dazu werden die Moleküle zusätzlich mit einem fokussierten roten Laserstrahl belichtet, dessen räumliches Intensitätsprofil man so verändert hat, dass sein Lichtfleck die Form eines Rings aufweist, mit einem winzigen dunklen Loch im Zentrum. Werden der grüne und der rote Lichtfleck übereinandergelegt, so können die Moleküle im Loch des Rings weiterhin fluoreszieren. Doch die weiter außen liegenden Moleküle werden vom roten Licht durch stimulierte Emission vom hellen in den dunklen Zustand gebracht, sodass ihre Fluoreszenz unterdrückt wird. Auf diese Weise entsteht ein fluoreszierender Bereich, der kleiner als 20 nm sein kann.
Indem die Forscher ein Untersuchungsobjekt mit den beiden übereinanderliegenden Lichtflecken abrasterten und die auf ihm sitzenden Moleküle nacheinander zum Leuchten brachten, erzeugten sie eine Abbildung, die die Abbesche Auflösungsgrenze weit unterbot und 20 nm große Details sichtbar machte. Inzwischen haben Hell und seine Mitarbeiter andere hochauflösende Verfahren der Lichtmikroskopie entwickelt, die ohne stimulierte Emission arbeiten. Zum Beispiel transferiert der ringförmige Laserstrahl die außerhalb des Lochs liegenden Moleküle aus dem hellen in einen dunklen Zustand, in dem sie geparkt werden. Da man die verschiedenen Organellen in einer biologischen Zelle mit geeigneten fluoreszierenden Molekülen markieren kann, lassen sich mit den neuen Verfahren lichtmikroskopische Aufnahmen und sogar Filme von lebenden Zellen machen, die eine unerreichte Detailfülle aufweisen und für die Zellbiologie von unschätzbarem Wert sind. Thomas Klar und seine Mitarbeiter an der Universität Linz arbeiten derzeit daran, das Prinzip der STED-Mikroskopie auf die optische Lithographie zu übertragen.