Funktionelle CARS-Mikroskopie von Zellen

Das Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer neuen Art der nichtlinearen Mikroskopie, die auf der kohärenten anti-Stokes Raman Streuung beruht. Diese Methode soll eine funktionelle Abbildung biologischer Proben, wie z.B. ungefärbter Zellen, ermöglichen. Die entstehenden Bilder ähneln Fluoreszenz-Mikroskopie Aufnahmen, haben aber den großen Vorteil, dass keine vorhergehende Zellpräparation, wie z.B. das Anfärben mit einem Fluoreszenz-Farbstoff, nötig ist, wodurch unerwünschte Beeinflussungen der Zellen vermieden werden. Die Methode basiert auf der nichtlinearen Vier-Wellen-Mischung, bei der zwei einfallende Laserstrahlen in der Probe ein starkes Signal bei einer wesentlich kürzeren Wellenlänge erzeugen, jedoch nur in Bereichen in denen die gewählten Raman-aktiven Substanzen konzentriert sind. Unterschiedliche Substanzen können gezielt selektiert werden, indem man den Frequenzunterschied der beiden einfallenden Laserstrahlen entsprechend einstellt. Erst vor kurzem wurde diese neue Art der Mikroskopie in einem konfokalen Aufbau realisiert, wobei die Probenfläche Pixel für Pixel abgerastert wurde. Dagegen beabsichtigen wir in unserem Projekt diese Methode so abzuändern, dass die komplette Probenfläche auf einmal abgebildet werden kann. Dies verspricht eine schnellere Bildgebung. Um dies zu erreichen verwenden wir eine neue Anregungsgeometrie, bei der die sogenannte "wave-matching-condition", die notwendig ist um ein CARS-Signal zu erhalten, auf dem gesamten Probenausschnitt gleichzeitig erfüllt ist. Im Gegensatz zu anderen Methoden verwenden wir ein im Nanosekundenbereich gepulstes Lasersystem mit einer geringeren spektralen Bandbreite. Dies ermöglicht eine wesentlich höhere spektroskopische Unterscheidbarkeit (gezielte Anregbarkeit) unterschiedlicher chemischer Substanzen in der Probe. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung der neuen Methode zur Erzeugung von schnellen Abbildungen von biologischen Proben und schließlich lebenden Zellen mit hoher Selektivität für zellbiologisch relevante Substanzen. Wir erwarten uns für diese neue Art der funktionellen Mikroskopie ein großes zukünftiges Anwendungspotenzial im Bereich der biomedizinischen, physiologischen und pharmazeutischen Forschung.

Das Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer neuen Art der nichtlinearen Mikroskopie, die auf der kohärenten anti-Stokes Raman Streuung beruht. Diese Methode soll eine funktionelle Abbildung biologischer Proben, wie z.B. ungefärbter Zellen, ermöglichen. Die entstehenden Bilder ähneln Fluoreszenz-Mikroskopie Aufnahmen, haben aber den großen Vorteil, dass keine vorhergehende Zellpräparation, wie z.B. das Anfärben mit einem Fluoreszenz-Farbstoff, nötig ist, wodurch unerwünschte Beeinflussungen der Zellen vermieden werden. Die Methode basiert auf der nichtlinearen Vier-Wellen-Mischung, bei der zwei einfallende Laserstrahlen in der Probe ein starkes Signal bei einer wesentlich kürzeren Wellenlänge erzeugen, jedoch nur in Bereichen in denen die gewählten Raman-aktiven Substanzen konzentriert sind. Unterschiedliche Substanzen können gezielt selektiert werden, indem man den Frequenzunterschied der beiden einfallenden Laserstrahlen entsprechend einstellt. Erst vor kurzem wurde diese neue Art der Mikroskopie in einem konfokalen Aufbau realisiert, wobei die Probenfläche Pixel für Pixel abgerastert wurde. Dagegen beabsichtigen wir in unserem Projekt diese Methode so abzuändern, dass die komplette Probenfläche auf einmal abgebildet werden kann. Dies verspricht eine schnellere Bildgebung. Um dies zu erreichen verwenden wir eine neue Anregungsgeometrie, bei der die sogenannte "wave-matching-condition", die notwendig ist um ein CARS-Signal zu erhalten, auf dem gesamten Probenausschnitt gleichzeitig erfüllt ist. Im Gegensatz zu anderen Methoden verwenden wir ein im Nanosekundenbereich gepulstes Lasersystem mit einer geringeren spektralen Bandbreite. Dies ermöglicht eine wesentlich höhere spektroskopische Unterscheidbarkeit (gezielte Anregbarkeit) unterschiedlicher chemischer Substanzen in der Probe. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung der neuen Methode zur Erzeugung von schnellen Abbildungen von biologischen Proben und schließlich lebenden Zellen mit hoher Selektivität für zellbiologisch relevante Substanzen. Wir erwarten uns für diese neue Art der funktionellen Mikroskopie ein großes zukünftiges Anwendungspotenzial im Bereich der biomedizinischen, physiologischen und pharmazeutischen Forschung.