Mit Raman-Spektroskopie Moleküle in Echtzeit abbilden
Neues Verfahren nutzt zwei Frequenzkämme, um komplexe Moleküle zu identifizieren.
Theodor Hänsch und Nathalie Picqué aus der Abteilung Laser-Spektroskopie am MPI für Quantenoptik (MPQ) haben in Kooperation mit der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay eine neue Technik entwickelt, die eine schnelle Identifizierung verschiedenster komplexer Moleküle unter dem Mikroskop erlaubt. Ihre Technik kohärenter Raman-Spektroskopie mit zwei Laserfrequenzkämmen ist ein großer Schritt in Richtung der biomolekularen Abbildung in Echtzeit ohne Färbung der Proben.
Abb.: Laser-Frequenzkämme am Herzschlag von Molekülen einer Flüssigkeit (Bild: MPQ)
Wie beeinflussen Medikamente eine lebende Zelle? In welcher Hinsicht verändern Botenmoleküle den Zellstoffwechsel? Diese Fragen sind derzeit nur schwer zu beantworten. Biologen nutzen derzeit spezielle fluoreszente Farbstoffe, um bestimmte Proteine in den Zellen zu markieren, so dass sie diese unter dem Mikroskop erkennen und unterscheiden können. Doch diese Farbstoffe können ihrerseits die Zellfunktionen verändern. Viele biologisch und technisch relevante Moleküle besitzen charakteristische Absorptionsspektren im mittleren Infrarot, bei diesen großen Wellenlängen lässt sich jedoch keine gute räumliche Auflösung erzielen.
Um Moleküle ohne solche Markierungen hochselektiv und mit guter räumlicher Auflösung zu identifizieren, dient seit langem die kohärente Raman-Spektroskopie als Alternative. Doch um Bilder möglichst schnell zu liefern, konzentrieren sich die bislang üblichen Raster-Raman-Mikroskope meistens auf ein bestimmtes spektrales Element der ausgewählten Molekülsorte.
Für die Analyse einer komplexen Mischung von Molekülen mit möglicherweise unbekannten Komponenten wird jedoch für jeden Bildpixel ein vollständiges Raman-Spektrum benötigt. Bislang verfügbare Techniken waren dafür viel zu langsam. Den MPQ-Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, vollständige Raman-Spektren mit guter Auflösung in Mikrosekunden zu messen. Der Schlüssel zu diesem Erfolg war der Einsatz von zwei Laser-Frequenzkämmen. Der Trick dabei bestand darin, die Zeitdifferenz zwischen zwei Laser-Pulsen, einem Anregungs- und einem Abfragepuls, schnell zu verändern, ohne die Verwendung beweglicher Teile, und gleichzeitig Schwankungen in der Intensität des kohärenten Anti-Stokes-Signals zu messen, die mit der Frequenz der molekularen Vibrationschwingungen moduliert sind. Dies ermöglichte die schnelle Aufzeichnung eines breitbandigen Raman-Spektrums, mit nur einem einzigen Photodetektor.
„Wenn wir den Detektor durch eine Kamera ersetzen würden, würde dies eine ‚hyperspektrale’ Bildgebung in Echtzeit ermöglichen“, erklärt Takuro Ideguchi. „Denn dann könnten wir für jeden Pixel der Bildebene ein vollständiges Raman-Spektrum aufzeichnen.“ Die Wissenschaftler erwarten, dass ihr „proof-of-principle“-Experiment neue Wege ermöglichen für bildgebende und spektrokopische Verfahren wird. Mit einer Weiterentwicklung ihres Systems planen sie, das Potential ihrer Technik für die Untersuchung biologischer Proben zu erkunden.
MPQ / DE
