Brillouin-Mikroskopie

Impulsiv stimuliertes Brillouin (ISBS) Mikroskopie zur Vermessung von mechanischen Eigenschaften

Motivation

Die mechanischen Eigenschaften von biologischen Zellen sind eng mit ihren funktionalen Fähigkeiten verwandt und werden daher zunehmend als Schlüssel zum Verständnis vieler grundlegender Aspekte der Biologie sowie der Entstehung von Krankheiten betrachtet. Gleichzeitig sind die mechanischen Eigenschaften wie die Elastizität auch wirksame Marker für Krankheiten, wodurch eine leistungsfähige Diagnostik beispielsweise für die Onkologie zur Verfügung gestellt werden kann.

Funktionsweise

Das Messsystem nutz den physikalischen Effekt der impulsiv stimulierten Brillouin-Streuung (ISBS) [1]. Hierbei erfolgt die Anregung im Messvolumen durch die Überlagerung eines auf zwei Strahlen aufgeteilten Kurzpulslasers. Durch Elektrostriktion regt das entstehende Interferenzstreifenmuster eine stehende akustische Welle an. Diese kann durch einen zweiten kontinuierlichen Laser ausgelesen werden. Die Frequenz wird mit einem Detektor erfasst und ermöglicht die Erfassung der Schallgeschwindigkeit. Von dieser kann auf die mechanischen Eigenschaften rückgeschlossen werden. Dies ermöglicht Messungen mit folgenden Eigenschaften:

• berührungslos
• markierungsfrei
• in vivo
• dreidimensional
• hohe Orts- und Zeitauflösung

Kenndaten und Anforderungen:

Das Messsystem befindet sich in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess. Derzeit wird eine räumliche Auflösung von etwa 20 µm in axialer Richtung erreicht. Der größte Vorteil gegenüber vergleichbaren Messtechniken ist die geringe Messdauer und somit die hohe zeitliche Auflösung. Abhängig von der Lichtempfindlichkeit der Probe sind Messdauern von kleiner 1 ms technisch möglich. Der Aufbau erfordert den optischen Zugang zur Probe von zwei Seiten und eine ausreichende optische Transparenz. Die eingesetzten Wellenlängen sind 517 nm (VIS grün) für die Anregung und 895 nm (NIR) für das Auslesen. Genauere Angaben können anhand des jeweiligen Anwendungsfall besprochen werden.

Beispielhafte Messung

Im Folgenden ist eine beispielhafte Messung an drei PAA-Hydrogelen mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen dargestellt. Es erfolgte eine statistische Auswertung von 60 Messungen an jeder Probe. Genauere Informationen können Quelle [1] entnommen werden.

[1] Benedikt Krug, Nektarios Koukourakis, and Juergen W. Czarske, "Impulsive stimulated Brillouin microscopy for non-contact, fast mechanical investigations of hydrogels," Opt. Express 27, 26910-26923 (2019)