Coherent -Laser-Gewebebildgebung mit Coherent für die Multispektral-Raman-Spektroskopie

Aufgabe

Sowohl in der biologischen Forschung als auch in zukünftigen klinischen Anwendungsbereichen wie der intraoperativen Biopsie besteht das ultimative Ziel der Schwingungsbildgebung darin, schnelle 3D-Bilder mit maximaler Bildrate zu erzeugen, wobei ausreichende Spektralinformationen für eine detaillierte chemische Kartierung genutzt werden. Dies ist zudem für die biologische Forschung von Nutzen und spielt in präklinischen Anwendungen der markierungsfreien Bildgebung eine wichtige Rolle.

Die spontane Raman-Mikroskopie ist zwar eine leistungsstarke Technik für die markierungsfreie Bildgebung, zeichnet sich jedoch durch sehr schwache Signale aus, was zu Einschränkungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Empfindlichkeit führt. SRS (stimulierte Raman-Streuung) verstärkt diese Signale um mehrere Ordnungen. Allerdings wird SRS in der Regel nur bei einer oder zwei diskreten Frequenzen durchgeführt, was eine grundlegende Kartierung ermöglicht, d. h. die Unterscheidung von Bereichen mit hohem Protein- oder Lipidgehalt. Prof. Giulio Cerullo vom Polytechnikum Mailand und seine Kollegen haben damit begonnen, SRS auf mehrere (zunächst 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 DNA-Lichtschädigung durch Multiphotonenabsorption äußerst gering ist.

Lösung

Das Team um Professor Giulio Cerullo hat sich aus mehreren Gründen dafür entschieden, ein SRS-Anregungslasersystem auf Basis eines 10-Watt Coherent aufzubauen. Zunächst einmal liegt die Wellenlänge bei 1040 nm, was dem für die Gewebeabbildung erforderlichen Bereich entspricht. Eine hohe Leistung ist wichtig, da der Strahl zum Teil als SRS-Pumpstrahl verwendet wird und zum Teil dazu dient, einen selbstgebauten OPO (optischen parametrischen Oszillator) anzusteuern, der einen breitbandigen SRS-Stokes-Strahl erzeugt. Da es sich bei SRS um einen optischen Effekt dritter Ordnung handelt, ist der Energieverbrauch zudem sehr hoch. Da kurze Verweilzeiten von weniger als 50 µs pro Pixel und schnelle Modulation Hochgeschwindigkeits-Scans ermöglichen, ist auch die hohe Wiederholfrequenz (80 MHz) des Lasers von Bedeutung. Die schnelle Modulation ist für die Detektion entscheidend. Daher verwendet das Team ein Photodiodenarray in Verbindung mit einem eigens entwickelten 32-Kanal-Lock-in-Verstärker-Chip. Dieser ist mit der Hochgeschwindigkeitsmodulation (2 MHz) des Pumpstrahls synchronisiert. (Coherent hat bereits in der Planungsphase durch genaue Messungen und Überprüfungen sichergestellt, dass das Rauschen des Ultrahochgeschwindigkeitslasers bei dieser Frequenz besonders gering ist, was ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht und somit schnellere Scans unterstützt.)

Ergebnis

Das Team von Professor Cerullo hat erfolgreich gezeigt, dass dieses System detaillierte Kartierungen mit hoher räumlicher Auflösung bei spektral überladenen Proben durchführen kann. Mithilfe der Spektralanpassung über 32 SRS-Wellenlängenkanäle konnten sie die relativen Konzentrationen zweier unterschiedlicher Fettsäuren in kultivierten Interzellularzellen auf der Ebene einzelner Lipidtröpfchen messen und so die chemische Zusammensetzung heterogener Proben unterscheiden. Zudem identifizierten sie Tumorränder in präklinischen Mausmodellen für Fibrosarkome. Vor kurzem wurde die Systemleistung durch den Austausch gegenCoherent modernen, leistungsstarken (18 W) Coherent verbessert.