Tomographische Brechungsindex­messung mittels adaptiver, faseroptischer Zellrototation

Die dreidimensionale Brechungsindexverteilung von biologischen Zellen ist reich an Informationen über den Metabolismus, den Gesundheitszustand und die intrazellulare Struktur. Deshalb ist der Brechungsindex ein wichtiger biophysikalischer Parameter, der ohne invasive Markierung der Zelle, durch quantitative Phasenmessung (QPI) bestimmt werden kann. Allerdings messen phasensensitive Methoden nur die projizierte, integrale optische Weglänge. Daherwerden eine Vielzahl von Projektionen, mit unterschiedlichen Winkeln, benötigt, um die dreidimensionale Verteilung des Brechungsindex zu
bestimmen. Die Rotation der Probe bietet Vorteile gegenüber einer Änderung des Beleuchtungswinkels, weil dadurch eine große Ortsfrequenzabdeckung erreicht warden kann. Dieses Vorhaben hat die Untersuchung einer neuartigen adaptiven Zweistrahlfalle zum Ziel, die erstmalig eine gezielte Positionierung und Rotation von Zellen im
dreidimensionalen Raum ermöglicht. Das Besondere am verfolgten Ansatz ist, dass zwei Multikernfasern (MCF) zusammen mit einer digital programmierbaren Optik eine nahezu universelle Gestaltung des Lichtfeldes ermöglichen, wodurch eine mehrdimensionale
Zellrotation ermöglicht wird. In Kombination mit örtlichen Lichtmodulatoren (SLM) fungieren die Fasern als Phased-Arrays bei denen die Amplitude und Phase der Lichtwelle gezielt verändert werden. Durch in-situ Kalibrierung mittels digital optischer
Phasenkonjugation und on-line Kontrolle der Intensitätsverteilung mit jeweils nur proximalem Zugang, kann durch das distale Faserende ein beliebiges Lichtfeld in das Messvolumen projiziert werden. Das für die Rotation einer optisch gefangenen Zelle um die optische Achse benötigte symmetriebrechende Intensitätsprofil wird durch die digital
programmierbare Optik erzeugt. Die Nutzung von Intensitätsgradienten ermöglicht die Zelle in drei Dimensionen zu orientieren. Dadurch wird erstmalig die gezielte Zellrotation um zweiorthogonale Achsen ermöglicht, wodurch eine Verringerung der  Messunsicherheit der Brechungsindexverteilung resultiert. Wir werden den Brechungsindex für mehrere Zelllinien untersuchen, um zu verifizieren, ob der Brechungsindex des Zellkerns kleiner als der Brechungsindex des Zytoplasmas ist. Zusätzlich werden die Zelldehnung und die Steifigkeit der Zelle gemessen. Der adaptive
Aufbau ermöglichet die Fallengeometrie flexibel an die Probengröße und an lokale Probencharakteristika anzupassen. Diese Flexibilität wird im Rahmen des Projektes beispielsweise dafür genutzt, große Proben, wie C. Elegans Oozyten optisch einzufangen und zu rotieren.

Bearbeiter:  N. Koukourakis

Zeitraum:  01/19 - 12/21

Partner: BIOTEC, Dresden, Prof. Jochen Guck