Stefan Hell

Stefan Walter Hell (* 23. Dezember 1962 in Arad, Volksrepublik Rumänien) ist ein rumäniendeutscher Physiker und Hochschullehrer. Er ist Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. 2014 wurde ihm zusammen mit Eric Betzig und William Moerner der Nobelpreis für Chemie verliehen.

Leben und Wirken
Stefan Hell entstammt einer Familie Banater Schwaben aus dem zwanzig Kilometer von Arad entfernten Dorf Sântana (deutsch Sanktanna), wo er die deutsche Schule besuchte. Von 1977 bis 1978 war er Schüler des Nikolaus-Lenau-Lyzeums in Timișoara, bevor seine Familie 1978 mit ihm in die Bundesrepublik Deutschland übersiedelte und er am Carl-Bosch-Gymnasium in Ludwigshafen am Rhein das Abitur ablegte

Hell studierte ab 1981 Physik an der Universität Heidelberg. Er war von 1984 bis 1990 Stipendiat der Konrad-Adenauer-Stiftung. Nach dem Diplom-Examen 1987 nahm er bei Siegfried Hunklinger die Arbeiten zu seinem Dissertationsthema Abbildung transparenter Mikrostrukturen im konfokalen Mikroskop auf, die er 1990 mit der Promotion abschloss. Danach war er kurzzeitig als freier Erfinder tätig. In dieser Zeit beschäftigte er sich mit Möglichkeiten, Lichtmikroskope zu konstruieren, die eine höhere Auflösung ermöglichen als die bis dahin entwickelten, und legte die Grundlage für die 4Pi-Mikroskopie.

Von 1991 bis 1993 arbeitete Hell im Heidelberger Hauptlabor des European Molecular Biology Laboratory.Es gelang ihm hier, das Prinzip der 4Pi-Mikroskopie praktisch zu demonstrieren und die Tiefenauflösung wesentlich zu verbessern.

Hell war anschließend ab 1993 als Gruppenleiter an der Universität Turku in Finnland angestellt, und zwar in der Abteilung für Medizinische Physik, wo er das Prinzip der STED-Mikroskopie (STED: Stimulated Emission Depletion) entwickelte. Parallel dazu verbrachte er 1993 bis 1994 insgesamt sechs Monate an der Universität Oxford als Gastwissenschaftler im Bereich Ingenieurwissenschaften. Seine Habilitation für Physik erfolgte 1996 wiederum in Heidelberg. Im darauf folgenden Jahr wurde er Leiter einer Nachwuchsgruppe am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, die im Bereich optische Mikroskopie forschte. Um das Jahr 2000 gelang es der Gruppe, die Theorien von Hell und Wichmann experimentell zu bestätigen.

Am 15. Oktober 2002 wurde Hell zum Direktor am Institut ernannt. Neben seiner Tätigkeit in Göttingen wurde er 2003 als außerplanmäßiger Professor an die Universität Heidelberg berufen und wurde zudem Leiter der Abteilung „Hochauflösende Optische Mikroskopie“ am Deutschen Krebsforschungszentrum. 2004 wurde er zusätzlich zum Honorarprofessor für Experimentalphysik der Universität Göttingen ernannt.

Mit der Erfindung und Entwicklung der STED-Mikroskopie und verwandter Mikroskopieverfahren gelang es Hell, zu zeigen, dass man die herkömmlich auf etwa eine halbe Lichtwellenlänge (~200 Nanometer) begrenzte Auflösung im Fluoreszenz-Lichtmikroskop überwinden kann. Hell konnte erstmals experimentell nachweisen, dass das Auflösungsvermögen des Fluoreszenzmikroskops von der Beugung des Lichts (Diffraktion) entkoppelt und auf Bruchteile der Lichtwellenlänge (Nanometerbereich) gesteigert werden kann. Dies galt seit den Arbeiten von Ernst Abbe (1873) zur Beugungsbegrenzung des Auflösungsvermögens der Mikroskope bis dahin als undurchführbar. Für diese Leistung und ihre Bedeutung für andere Bereiche der Wissenschaft, wie den Lebenswissenschaften und der medizinischen Grundlagenforschung, erhielt er am 23. November 2006 den 10. Deutschen Zukunftspreis. Seit 2013 ist er Mitglied der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina.

2014 wurde Stefan Hell für die Entwicklung superauflösender gemeinsam mit Eric Betzig und William E. Moerner der Nobelpreis für Chemie zuerkannt.

Hell ist Mitglied des Exzellenzclusters CellNetworks, seine Arbeitsgruppe forscht im BioQuant-Zentrum der Universität Heidelberg. 2017 wurde Hell zum Honorarprofessor mit korporationsrechtlicher Stellung an der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Heidelberg bestellt.

1 Definition
Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine lichtmikroskopische Methode, die auf der Fluoreszenz basiert. Sie wird vor allem in der Biologie, Biochemie, Biophysik und Medizin für morphologische Untersuchungen sowie dynamische Analysen auf molekularer Ebene eingesetzt. Das Gerät selbst nennt man Fluoreszenzmikroskop.

2 Hintergrund
Unter Fluoreszenz versteht man die Eigenschaft von Stoffen, kurzwelliges Licht (Anregungslicht) zu absorbieren und längerwelliges Licht (Emissionslicht) wieder abzugeben. Daher kann man mit dieser Methode nur Proben untersuchen, die von Natur aus fluoreszieren oder in die fluoreszierende Stoffe eingebracht wurden.

3 Prinzip und Aufbau eines Fluoreszenzmikroskops
Das Licht aus einer Lichtquelle passiert einen Anregungsfilter, der die benötigte Anregungswellenlänge herausfiltert. Dieser Strahl trifft dann auf einen dichroitischen Spiegel, der eine kritische Wellenlänge besitzt. Hat der auftreffende Strahl eine kleinere Wellenlänge als die kritische Wellenlänge des Spiegels, so wird dieser reflektiert. Im umgekehrten Fall wird der Strahl durchgelassen. Die kritische Wellenlänge des Spiegels wird so gewählt, dass sie zwischen der Absorptions- und Emissionswellenlänge liegt. Dadurch wird das kürzerwellige Anregungslicht am Spiegel reflektiert und durch das Objektiv auf das Präparat gelenkt. Das Objektiv dient der Konzentrierung des Strahls.

Die Elektronen fluoreszierender Moleküle im Präparat absorbieren die Photonen und werden dadurch auf ein höheres Energieniveau gehoben, auf dem sie sich aber nicht halten können. Deshalb fallen die Elektronen auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurück und setzen dabei die aufgenommene Energie wieder frei. Das energieärmere Emissionslicht hat eine größere Wellenlänge und ebenfalls eine andere Lichtfarbe als das energiereichere Anregungslicht. Die Differenz in der Wellenlänge zwischen den beiden Lichtarten wird als Stokes-Shift bezeichnet. Das längerwellige Emissionslicht wird im Objektiv konzentriert, auf den Spiegel gelenkt und kann diesen passieren, da die Wellenlänge des Emissionslichts über der kritischen Wellenlänge des Spiegels liegt. Ein Emissionsfilter sorgt dafür, dass nur das Emissionslicht auf den Detektor trifft, in dem das restliche Anregungslicht aus dem Strahl entfernt wird. Beim Detektor wird die Probe in der jeweiligen Emissionsfarbe vor schwarzem Hintergrund wahrgenommen.