Der Coherent-Ultraschnelllaser als Schlüssel zur multispektralen Raman-Gewebeabbildung

Aufgabe

Sowohl in der biologischen Forschung als auch bei zukünftigen klinischen Anwendungen wie der intraoperativen Biopsie besteht das Endziel der Schwingungsbildgebung darin, schnelle 3D-Bilder (bis hin zur Videogeschwindigkeit) mit ausreichenden Spektralinformationen zu erstellen, um eine detaillierte chemische Kartierung zu ermöglichen. Darüber hinaus ist sie für die biologische Forschung von Nutzen, und in der präklinischen Forschung ist es wichtig, dass es sich um eine markierungsfreie Bildgebung handelt.

Die spontan emittierende Raman-Mikroskopie ist eine leistungsstarke Technik für die markierungsfreie Bildgebung, jedoch ist sie durch sehr schwache Signale gekennzeichnet, was ihre Geschwindigkeit und Empfindlichkeit einschränkt. Die stimulierte Raman-Streuung (SRS) verstärkt das Signal um mehrere Größenordnungen. Allerdings findet SRS normalerweise nur bei einer oder zwei diskreten Frequenzen statt und ermöglicht lediglich grundlegende Kartierungen, wie beispielsweise die Unterscheidung zwischen proteinreichen und lipidreichen Bereichen. Professor Giulio Cerullo und sein Team vom Polytechnikum Mailand (Italien) haben damit begonnen, SRS auf mehrere (ursprünglich 32) Wellenlängenkanäle erheblich zu erweitern. Dazu war ein Hochgeschwindigkeitslasersystem mit einer Wellenlänge von 1 Mikrometer erforderlich, bei dem kein Wasser absorbiert wird und das Risiko einer Lichtschädigung der DNA durch Multiphotonenabsorption äußerst gering ist.

Lösung

Sie haben sich aus mehreren Gründen dafür entschieden, ein SRS-angeregtes Lasersystem aufzubauen, dessen Herzstück ein 10-Watt-Ultraschnelllaser von Coherent bildet. Zum einen liegt die Wellenlänge bei 1.040 nm und damit in einem für die Gewebeabbildung geeigneten Bereich. Da dieser Strahl zum Teil als SRS-Pumpstrahl und zum Teil zum Antrieb eines selbstgebauten optischen parametrischen Oszillators (OPO) verwendet wird, der einen breitbandigen SRS-Stokes-Strahl erzeugt, ist eine hohe Leistung ein entscheidender Faktor. Da es sich bei SRS um einen optischen Effekt dritter Ordnung handelt, ist der Stromverbrauch zudem sehr hoch. Die hohe Wiederholfrequenz dieses Lasers (80 MHz) ist auch insofern wichtig, als sie eine schnelle Abtastung und Modulation mit einer Verweildauer von weniger als 50 μs/Pixel ermöglicht. Die schnelle Modulation ist der Schlüssel auf der Detektorseite. Zu diesem Zweck wird nach dem Fotodiodenarray ein eigens entwickelter 32-Kanal-Lock-in-Verstärker-Chip verwendet. Dieser ist mit der schnellen (2 MHz) Modulation des Pumpstrahls synchronisiert. (Coherent hat bereits in der Planungsphase sorgfältig gemessen und bestätigt, dass dieser Laser bei dieser Frequenz besonders rauscharm ist, was ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht und somit das schnelle Scannen erlaubt.)

Ergebnisse

Der Forschungsgruppe von Professor Cerullo ist es gelungen, nachzuweisen, dass dieses System detaillierte Kartierungen mit hoher räumlicher Auflösung bei spektral überladenen Proben durchführen kann. Mithilfe der Spektralanpassung über 32 SRS-Wellenlängenkanäle haben sie die relativen Konzentrationen zweier Fettsäuren in kultivierten Leberzellen auf der Ebene einzelner Lipidtröpfchen gemessen und so die chemische Zusammensetzung heterogener Proben unterschieden. Darüber hinaus haben sie in einem präklinischen Mausmodell für Fibrosarkome den Tumorrand identifiziert. Vor kurzem haben sie zudem die Systemleistung durchden Umstieg auf denneuesten leistungsstarken (18 W)Coherent-Ultrakurzpulslaserverbessert.