Hochauflösende optische Mikrospektroskopie
Die optische Mikrospektroskopie befasst sich mit der Analyse der Eigenschaften des von einem Material gestreuten Lichts, um daraus Informationen über dessen chemische und physikalische Eigenschaften abzuleiten. Letztere können durch Messung der spektralen oder zeitlichen Veränderungen des Lichts in sehr kleinen bzw. kurzen Intervallen gewonnen werden. Diese können Informationen über die kollektive Molekulardynamik liefern, die wiederum genutzt werden können, um Eigenschaften wie die mikroskopischen viskoelastischen Eigenschaften, d.h. die Viskosität und das Elastizitätsmodul, zu ermitteln. In Verbindung mit einem Mikroskopie-Setup (z.B. einem konfokalen Mikroskop) ermöglicht dies eine nicht-invasive markierungsfreie 4D-Kartierung dieser Parameter mit nahezu beugungsbegrenzter optischer Auflösung (<500 nm).
Während sich der Aufbau des Mikroskops konzeptionell oft nicht allzu sehr von dem anderer optischer Rastermikroskope unterscheidet, sind der Aufbau des Spektrometers sowie die Analyse/Interpretation weniger trivial und erfordern die Anwendung mehrerer „optischer Tricks“, um die erforderliche Empfindlichkeit zur Ableitung der interessierenden Parameter zu erreichen.
Anwendungen für die Anatomie
Die Morphologie und Funktion unserer Anatomie (und in der Tat die jedes lebenden Systems) in verschiedenen Maßstäben wird letztlich durch die physikalischen (mechanischen) Eigenschaften der Bestandteile bestimmt. Das Verständnis dieser Eigenschaften ist daher von wesentlicher Bedeutung für das Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen (z.B. warum ein bestimmtes anatomisches Merkmal so aussieht, wie es aussieht, wie und unter welchen Belastungen oder chemischen Bedingungen es sich verändert und wie sich diese Veränderungen auf seine Funktionalität auswirken und den Organismus als Ganzes beeinflussen).
Neben den grundlegenden anatomischen Erkenntnissen, die uns die Untersuchung der mikroskopischen Mechanik liefern kann, ist bekannt, dass zahlreiche Krankheiten und deren Ausbruch mit Veränderungen der mechanischen Eigenschaften sowohl auf mikroskopischer als auch auf makroskopischer Ebene einhergehen. Es ist zu erwarten, dass die Untersuchung dieser Eigenschaften zu konzeptionell neuartigen, nicht invasiven Instrumenten für die Prognose, die Diagnose und die medizinische Qualitätskontrolle (z.B. Gewebezüchtung, Transplantation usw.) führen wird.
Das Inventar wird ständig erweitert und geändert, doch im Folgenden finden Sie eine Liste der Geräte, die derzeit unsere Infrastruktur bilden. In den meisten Fällen sind die Instrumente mit kundenspezifischer Steuerungs-, Anpassungs- und Dekonvolutionssoftware/Skripten verbunden.
Instrumenten Beschreibung
1. Konfokale Rastermikroskopie mit spontaner Brillouin-Lichtstreuung.
Umgekehrte Mikroskopgeometrie (Olympus IX-73). Rückstreuende Geometrie. Auswechselbare Objektive von 0,1–1,49 NA. Scanbereich: bis zu 300 Mikrometer (Piezo-Tisch) und 2,5 cm (Motor-Tisch). Parallele korrelative Fluoreszenz- und Raman-Streuungsspektroskopie (mit optionaler zusätzlicher Anregung bei 405nm, 488nm und 642nm). Wellenlänge der Betriebsspektroskopie: 532nm. Elastische Unterdrückung durch Gasabsorptionszelle, Interferenzfilter und räumliche Masken. Stabile Temperaturregelung (Raumtemperatur auf ~ 42°C). Freier Spektralbereich: 30 GHz (60 GHz möglich durch Austausch mehrerer optischer Komponenten). Geeignet für einigermaßen transparente feste und flüssige Proben. Ebenfalls erhältlich ist eine handgehaltene fasergekoppelte Sonde, die anstelle des Mikroskopgestells verwendet werden kann.
2. Spontane Brillouin-Lichtstreuung im Hochdurchsatzverfahren.
Spezifische invertierte Geometrie, geeignet für Multiwell-Platten. Nahezu rückstreuende Geometrie. Anregung/Detektion mit niedriger NA. Möglicher Scanbereich: bis zu 2,5 cm (Motor-Tisch). Wellenlänge der Betriebsspektroskopie: 660nm. Elastische Unterdrückung durch Interferenzfilter und räumliche Masken. Stabile Temperaturregelung (Raumtemperatur auf ~42°C). Freier Spektralbereich: ~15 GHz. Geeignet für hauptsächlich flüssige Proben und optimiert für die Extraktion von Informationen über die Linienbreite (effektive und Volumenviskosität). Ebenfalls erhältlich ist ein kommerzielles rolling-ball-Viskosimeter für korrelative Scherviskositätsmessungen in Abhängigkeit von der Temperatur. [Befindet sich im Krankenhauslabor].
3. Winkelaufgelöste spontane Brillouin-Lichtstreuung.
Individuelle invertierte Geometrie. Parallele Detektion aus mehreren Streuwinkeln. Anregungs- und Detektions-NA über räumliche Masken abstimmbar. Scanbereich: bis zu 500 Mikrometer (Piezo-Tisch) und optional 2,5 cm (Motor-Tisch). Wellenlänge der Betriebsspektroskopie: 532nm (durch Austausch mehrerer optischer Komponenten auch auf 660nm änderbar). Elastische Unterdrückung durch Gasabsorptionszelle (für 532nm) und räumliche Masken. Stabile Temperaturregelung. Freier Spektralbereich: 30 GHz (15GHz oder 60GHz durch Austausch mehrerer optischer Komponenten möglich). Geeignet für die Gewinnung von Informationen über die mechanische Anisotropie bei GHz-Frequenzen von einigermaßen transparenten Proben.
4. Polarisationsbasierte Messungen der Doppelbrechung/strukturellen Anisotropie.
Unter Verwendung von polarisiertem Licht (491nm) kann die strukturelle Anisotropie (Orientierungsasymmetrie) von Proben mit Hilfe einer empfindlichen polarisationsaufgelösten Projektion auf ein Detektorarray auf Basis einer S-Platte extrahiert werden. Effektive numerische Apertur <0,5, einstellbar über die Blende. Punktmessungen an diskreten Stellen. Geeignet für einigermaßen transparente Proben.
5. Zeitlich aufgelöste bildgebende Mikrospektroskopie.
Für verschiedene Anwendungen, die die Untersuchung molekularer und kollektiv-molekularer Dynamik auf Zeitskalen von ns-sec unter Verwendung von Linien-/Flächenbeleuchtung und parallelen 2D- und 3D-Detektionsverfahren umfassen. Rückstreuung oder außeraxiale (90°) Detektion. Anregung/Detektion: 0,1–1,49 NA. Scanbereich: bis zu 300 Mikrometer (Piezo). Wellenlängen: 405nm, 488nm, 514nm, 561nm, 642nm. Spektralselektive Detektion in 2D über Bandpassfilter und 1D über Gitter oder VIPA/Metallon möglich.
