Kombinierte Brillouin- und Ramanspektroskopie
Bei der Interaktion von Licht mit Gewebe, kommt es neben der elastischen Rayleigh-Streuung auch zu inelastischen Streuprozessen. Dabei wird Energie von Lichtquanten (Photonen) mit Schwingungsquanten (Phononen) ausgetauscht. Diese Interaktion kann ausgenutzt werden, um berührungslos, nichtinvasiv und zerstörungsfrei Informationen über biologisches Gewebe zu erlangen.
Die beiden spektroskopischen Methoden unterscheiden sich darin, mit welcher Art von Phononen die Photonen wechselwirken. Bei der Ramanspektroskopie sind dies optische Phononen, die Aufschluss über die chemischen Bindungen und damit über die Biochemie einer Probe geben. Im Fall der Brillouinspektroskopie findet die Interaktion mit akustischen Phononen statt, welche mit der Schallausbreitung assoziiert sind und darüber Informationen über die biomechanischen Eigenschaften der Probe liefern.
Die Kombination der beiden optischen Verfahren in einem Messsystem ist möglich, da der grundsätzliche Aufbau der beiden Streuexperimente ähnlich ist. Allein bei der Detektion werden zwei unterschiedliche Spektrometer benutzt, da die Brillouin-gestreuten Photonen im Gegensatz zu den Raman-gestreuten Photonen lediglich eine
Instrumenteller Aufbau des kombinierten Brillouin-Raman-Systems
Wellenlängenverschiebung von einem Bruchteil eines Nanometers aufweisen. Apparativ werden hierbei sogenannte virtually imaged phased arrays (VIPA) verwendet. Eine zeitgleiche und co-lokaliserte Aufnahme von Brillouin- und Ramanspektren ermöglicht es, die biochemischen Informationen direkt mit den biomechanischen Eigenschaften zu verknüpfen.
Anwendung findet dieses Verfahren beispielsweise in der Tumorforschung. Dabei wird untersucht, welche biomechanischen und biochemischen Eigenschaften Tumorzellen besitzen. Eine genaue Kenntnis ihrer Eigenschaften, insbesondere bei Prozessen wie der Proliferation, der Invasion und der Metastasierung, hilft dabei, entsprechende Angriffspunkte für neuartige Therapieansätze zu finden. Dies eröffnet neue Behandlungsmöglichkeiten für Tumorarten, für die es aktuell noch keine zufriedenstellenden Therapien gibt, wie zum Beispiel bei Glioblastomen.
Kombinierte Rastermessung einer Tumorzelle (links: Bright-field-Aufnahme), wobei in der Brillouin-Karte (Mitte) der Nukleolus mit der höchsten Brillouin-Verschiebung (Steifigkeit) zu erkennen ist. Ein Clustering der Ramanspektren (rechts) bestätigt, dass sich in diesem Bereich der Zellkern (blau) befindet.
Kontakt
© Julia Walther
Herr Dr. rer. nat. Jan Rix M.Sc.
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Arbeitsbereich Medizinische Physik und Biomedizinische Technik
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