Coherent Ultrafast als Schlüssel zur multispektralen Raman-Gewebeabbildung

Die Herausforderung

Sowohl in der biologischen Forschung als auch bei zukünftigen klinischen Anwendungen wie intraoperativen Biopsien besteht das oberste Ziel der Schwingungsbildgebung darin, schnelle (d. h. mit Videogeschwindigkeit) 3D-Bilder mit ausreichenden spektralen Informationen zu erstellen, um eine detaillierte chemische Kartierung zu ermöglichen. In der biologischen Forschung ist es zudem von Nutzen und in präklinischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, dass die Bildgebung markierungsfrei erfolgt.

Die spontane Raman-Mikroskopie ist eine leistungsstarke Technik für die markierungsfreie Bildgebung, zeichnet sich jedoch durch sehr schwache Signale aus, was ihre Geschwindigkeit und Empfindlichkeit einschränkt. Die stimulierte Raman-Streuung (SRS) verstärkt das Signal um viele Größenordnungen. Allerdings wird SRS in der Regel nur bei einer oder zwei diskreten Frequenzen durchgeführt, was lediglich eine grundlegende Kartierung ermöglicht, z. B. die Unterscheidung zwischen protein- oder lipidreichen Bereichen. Professor Giulio Cerullo und seine Kollegen am Politecnico di Milano (Italien) machten sich daran, SRS deutlich auf mehrere (zunächst 32) Wellenlänge zu erweitern. Dazu benötigten sie ein Lasersystem Wellenlänge Wasser nicht absorbiert und das Risiko einer Photodamage der DNA durch Absorption extrem gering Absorption .

Die Lösung

They decided to build an SRS excitation laser system around a 10 watt Coherent ultrafast laser for several reasons. First the output is at 1040 nm, in the desired window for tissue imaging. The high power is important since the beam is used in part as the SRS pump beam and in part to drive a home-built optical parametric oscillator (OPO) that generates the broadband SRS Stokes beam. In addition, SRS is a third-order optical effect that is thus very power-hungry. The laser’s high (80 MHz) repetition rate is also important as it enables high-speed scanning with dwell times as short as <50 µs/pixel and fast modulation. The fast modulation is key to the detection side. For this, the team uses a photodiode array followed by a unique 32-channel lock-in amplifier chip. This is synchronized to fast (2 MHz) modulation of the pump beam. (Coherent helped at the planning stage by carefully measuring and confirming the ultrafast laser noise was particularly low at this frequency, enabling high signal-to-noise and, as a result, faster scanning.)

Das Ergebnis

Die Cerullo-Gruppe hat erfolgreich nachgewiesen, dass dieses System eine detaillierte Kartierung von Proben mit hoher räumlicher Auflösung und spektraler Überlagerung ermöglicht. Mithilfe der spektralen Anpassung der 32 Wellenlänge konnten sie die chemischen Bestandteile heterogener Proben unterscheiden, indem sie die relativen Konzentrationen zweier verschiedener Fettsäuren in kultivierten Hepatozyten auf der Ebene einzelner Lipidtröpfchen maßen. Außerdem identifizierten sie Tumorränder in einem präklinischen Mausmodell für Fibrosarkome. Und sie haben kürzlich die Leistungsfähigkeit ihres Systems durch den Umstieg auf den neuesten leistungsstarken (18 W)Ultrafast verbessert.