Der DNA zugeschaut
Eine in CMOS-Technik ausgeführte Kamera erreicht eine enorme Bildaufzeichnungsrate.
Physik Journal – Eine in CMOS-Technik ausgeführte Kamera erreicht eine enorme Bildaufzeichnungsrate.
Viele Fragestellungen der Biomedizin lassen sich experimentell nur mit sehr schnellen Bildgebungsverfahren untersuchen, zum Beispiel die Wechselwirkungen des menschlichen Erbguts mit seiner Umgebung. Lichtempfindliche Chips wie die CCD- (Charge-coupled Device) oder APS-Technologie (Active Pixel Sensor) stoßen da in puncto Empfindlichkeit und Bildraten an ihre Grenzen und sind zudem sehr teuer. Europäische Forscher haben in den vergangenen Jahren daher nicht nur einen geeigneten Sensor entwickelt, der sich in CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) fertigen lässt, sondern nun auch ein funktionierendes System für die extrem schnelle Bildgebung vorgestellt, das eine fortwährende Geschwindigkeit von einer Million Einzelbilder pro Sekunde bei einer Zeitunsicherheit von rund 50 Pikosekunden erreicht. Zu dem Konsortium gehören die schottische University of Edinburgh, das Unternehmen ST Microelectronics, das britische National Physical Laboratory, die italienische Fondazione Bruno Kessler und die niederländische Delft University of Technology.
Bild: Der SPAD-Chip (hier ein Exemplar der ersten Generation) detektiert das schwache Licht, das bei der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie entsteht. (Bildquelle: Megaframe)
Die Projektpartner nutzen für ihr System eine SPAD (Single Photon Avalanche Diode). Diese Detektortechnologie beruht auf einem umgekehrten p-n-Übergang, der oberhalb der Durchbruchspannung betrieben wird. Dadurch lassen sich sehr hohe Ver-stärkungen erreichen: Bereits ein einzelnes Photon löst eine leicht messbare Ladungslawine aus, wobei die Detektorelektronik sicherstellt, dass die Diode dabei nicht zerstört wird. SPADs haben sehr kurze Ansprechzeiten im zweistelligen Pikosekundenbereich.
Die Wissenschaftler haben nun mit einer solchen SPAD-Kamera und mithilfe der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie die Bindungsvorgänge von viraler DNA bei sehr geringen Konzentrationen, wie sie für die Biomedizin typisch sind, detektieren können. Von der Bildgewinnung bis zur Verarbeitung zu aussagekräftigen Bildinformationen benötigt das System weniger als eine halbe Minute.
Michael Vogel
Quelle: Physik Journal, Januar 2011, S. 16
