Aberrationskorrektur für Echtzeitmessungen in der adaptiven konfokalen Mikroskopie
Für die Untersuchung von biologischen Zellen oder Gewebe werden mikroskopische Verfahren mit hohen Orts- und Zeitauflösungen benötigt. Ein etabliertes Verfahren ist die konfokale Mikroskopie, welche durch die Nutzung einer auf Lochblenden basierten Detektion einen axialen optischen Schnitt erzeugen kann. Die zeitliche Auflösung, die die konfokale Mikroskopie erreichen kann, ist limitiert, weil es sich um ein punktförmiges Messverfahren handelt und eine Abrasterung in drei Dimensionen benötigt, um volumetrische Bilder aufzunehmen. Diese 3D-Abrasterung erfolgt durch eine mechanische Bewegung von Optiken, zumeist durch Piezo-Scanner und Galvo-Spiegel, die durch die Masseträgheit limitiert sind und zudem zu Bewegungsartefakten führen können. Die Notwendigkeit zum Scannen führt zu sperrigen Aufbauten, die die Miniaturisierung der Mikroskope erschweren. Aufgrund der Nutzung von Mikroskop-Objektiven mit großer numerischer Apertur können in der konfokalen Mikroskopie hohe Ortsauflösungen erreicht werden, wodurch aber gleichzeitig die systeminduzierten Aberrationen erhöht werden, welche mit den probeninduzierten Aberrationen das Auflösungsvermögen eines konfokalen Mikroskops limitieren. Diese Aberrationen können mit adaptiven optischen Elementen kompensiert werden. Durch die Nutzung von adaptiven Elementen ist zudem die Implementierung von schnellen Scans möglich. In den Vorarbeiten wurde bereits nachgewiesen, dass es in einem konfokalen Mikroskop mit einer adaptiven Linse im Beleuchtungsarm und einer im Detektionspfad möglich ist, axiale Scans mit konstanter Auflösung über den gesamten Messbereich durchzuführen. In dem hier beantragten Vorhaben soll ein voll-adaptives konfokales Mikroskop realisiert werden, welches durch die verstärkte Nutzung von adaptiven optischen Elementen sowohl eine hohe Scangeschwindigkeit als auch eine hohe Auflösungen erreicht. Dafür werden neuartige adaptive Linsen mit integrierter Aberrationskorrektur entwickelt und für den axialen Scan eingesetzt. Diese ermöglichen einerseits, symmetrische (sphärische- und defokus) und asymmetrische (Astigmatismus und Koma)- Aberrationen in unserem konfokalen Mikroskop zu korrigieren und erlauben zusätzlich, die Brennweite der adaptiven Linse über integrierte Drucksensoren zu regeln. Um 3D-Messungen zu realisieren, werden adaptive Prismen als lateral scannende Elemente genutzt. Im Vergleich mit anderen Lösungen, wie z.B. Galvo-Scannern, ermöglichen die Prismen eine Strahlführung mit geringeren Aberrationen und kompakterem Aufbau zu realisieren und die lateralen Scans weiter zu beschleunigen. Unser konfokales Mikroskop bietet durch die neuen adaptiven Elemente die Möglichkeit der Miniaturisierung und der Entwicklung von kompakten und robusten handheld-Systemen. Für erste Demonstrationsmessungen soll zur Untersuchung der Effekte von Goitrogenen in Zebrabärblingsembryonen Anwendung finden. Im Ergebnis wird ein wichtiger Beitrag zur Weiterentwicklung von adaptiven optischen Elemente und der adaptiven Mikroskopie im speziellen geleistet.
Bearbeiter: K. Philipp
Zeitraum: 03/15 - 03/19
Partner: Universität Freiburg, Prof. Wallrabe; UFZ Leibzig, Dr. Stefan Scholz
Fluoreszenzaufnahmen der Schilddrüse von transgenen Zebrabärblingsembryonen ohne (a) und mit (b) Korrektur sphärischer Aberrationen. Aufnahme des gesamten Embryos, Dimensionen sind ca (1.5x5) mm2 (c). Intensitätsprofile entlang spezifischer Zeilen (d). Die Aufnahmen erfolgten 110 Stunden nach der Befruchtung.
K. Philipp, A. Smolarski, N. Koukourakis, A. Fischer, M. Stürmer, U. Wallrabe, J. Czarske “Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens”, Opt. Express 24(13), 15029-15041 (2016).
K. Philipp, F. Lemke, S. Scholz, U. Wallrabe, M. C. Wapler, N. Koukourakis, J. W. Czarske. "Diffraction-limited axial scanning in thick biological tissue employing an aberration
correcting adaptive lens." arXiv preprint arXiv:1811.11457 (2018).