Coherent Ultrafast Laser als Schlüssel zur multispektralen Raman-basierten Gewebebildgebung

Die Herausforderung

Sowohl in der biologischen Forschung als auch bei künftigen klinischen Anwendungen wie intraoperativen Biopsien besteht das ultimative Ziel der Vibrationsbildgebung darin, schnelle (d. h. in Videogeschwindigkeit ablaufende) 3D-Bilder mit ausreichenden spektralen Informationen für eine detaillierte chemische Kartierung zu erstellen. In der biologischen Forschung ist es nützlich und bei präklinischen Anwendungen entscheidend, dass die Bildgebung markierungsfrei erfolgt.

Die spontane Raman-Mikroskopie ist eine leistungsstarke Technik für markierungsfreie Bildgebung, zeichnet sich jedoch durch sehr schwache Signale aus, wodurch ihre Geschwindigkeit und Empfindlichkeit eingeschränkt werden. Stimulierte Raman-Streuung (SRS) verstärkt das Signal um viele Größenordnungen. SRS wird jedoch in der Regel nur mit einer oder zwei diskreten Frequenzen durchgeführt, was eine grundlegende Kartierung ermöglicht, z. B. die Unterscheidung zwischen proteinreichen und lipidreichen Regionen. Professor Giulio Cerullo und seine Kollegen am Polytechnikum Mailand (Italien) wollten SRS auf mehrere (zunächst 32) Wellenlängenkanäle erweitern. Dazu brauchten sie ein Hochgeschwindigkeits-Lasersystem im 1-Mikrometer-Wellenlängenbereich, in dem Wasser nicht absorbiert und das Risiko einer Beschädigung der DNS durch Multi-Photonen-Absorption äußerst gering ist.

Die Lösung

Die Entscheidung, ein SRS-Anregungslasersystem um einen 10 Watt Coherent Ultrafast Laser herum zu bauen, hatte mehrere Gründe. Zunächst liegt der Ausgang bei 1040 nm, im gewünschten Fenster für die Gewebeabbildung. Die hohe Leistung ist wichtig, da der Strahl zum Teil als SRS-Pumpstrahl und zum Teil als Antrieb für einen selbstgebauten optischen parametrischen Oszillator (OPO) verwendet wird, der den breitbandigen SRS-Stokes-Strahl erzeugt. Außerdem ist SRS ein optischer Effekt dritter Ordnung und daher sehr leistungshungrig. Eine hohe Repetitionsrate des Lasers (80 MHz) ist ebenfalls wichtig, da sie Hochgeschwindigkeits-Scans mit Verweilzeiten von nur <50 µs/Pixel und schnelle Modulation ermöglicht. Die schnelle Modulation ist der Schlüssel zur Erkennung. Dazu verwendet das Team ein Fotodioden-Array, gefolgt von einem einzigartigen 32-Kanal-Lock-in-Verstärkerchip. Dies ist mit der schnellen (2 MHz) Modulation des Pumpstrahls synchronisiert. (Coherent half in der Planungsphase durch sorgfältige Messungen sowie die Sicherstellung eines besonders niedrigen Rauschens des Ultrafast Lasers bei dieser Frequenz, was ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet und damit eine schnellere Abtastung ermöglicht).

Das Ergebnis

Die Cerullo-Gruppe hat erfolgreich demonstriert, dass dieses System eine detaillierte, räumlich hochauflösende Kartierung von spektral überladenen Proben durchführen kann. Sie haben die spektrale Anpassung der 32 SRS-Wellenlängenkanäle genutzt, um die chemischen Bestandteile heterogener Proben zu unterscheiden, indem sie die relativen Konzentrationen zweier verschiedener Fettsäuren in kultivierten Hepatozyten auf der Ebene einzelner Lipidtropfen gemessen haben. Zudem hat die Cerullo-Gruppe Tumorränder in einem präklinischen Mausmodell des Fibrosarkoms identifiziert. Kürzlich hat sie die Leistung des Systems durch die Umstellung auf den neuesten hochleistungsfähigen (18 W) Coherent Ultrafast Laser verbessert.