Titan-Saphir-Laseroszillator mit optisch-parametrischem Oszillator
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der nichtlinearen Lasermikroskopie kommen üblicherweise ultrakurze, durchstimmbare Laserquellen zum Einsatz, mit denen über nichtlineare Anregung oder Konversionsprozesse verschiedenste biologische Proben untersucht werden können. Das Großgerät bietet zum einen die Möglichkeit, diese etablierten Wellenlängen, typischerweise im Bereich von 690 - 1080 nm, direkt zu nutzen, oder durch Einkopplung in den ebenfalls geförderten optisch-parametrischen Oszillator (OPO) in den Wellenlängenbereich bis zu 1600 nm auszudehnen. Neben 2-Photonen-Fluoreszenz und der zweiten Harmonischen, die im Rahmen der Mikroskopie in der Regel unter Verwendung von nahinfrarotem Licht im sichtbaren Spektralbereich erzeugt werden, ist durch den OPO die Möglichkeit gegeben auch die dritte Harmonische im sichtbaren Spektralbereich zu erzeugen und zu detektieren. Dadurch wurde die Multimodalität des Systems auf Grund der Laserquelle gesteigert. Ferner erlaubt die Verwendung des OPOs die simultane Nutzung zweier Wellenlängenbereiche, sodass auch Frequenzmischprozesse, basierend auf ungleichen Pulszentralfrequenzen, möglich wurden. Dies konnte im Bereich der nichtlinearen Mikroskopie vor allem für die nicht molekülspezifische Bildgebung mittels nichtresonanter Vierwellenmischung verwendet werden. Damit wird ein vierter Kontrastmechanismus durch die Kombination von fs-Laser und OPO möglich. Mit Blick auf zukünftige Entwicklungen und Anwendungen kann ergänzend auch die molekülspezifische resonante Vierwellenmischmikroskopie (CARS-Mikroskopie) mit Hilfe des Lasersystems umgesetzt werden. Gleichzeitig wird damit das Gebiet der Spektroskopie betreten, da der molekulare Fingerabdruck des zu untersuchenden Moleküls bekannt sein muss und vom Lasersystem bereit gestellte Wellenlängen auf molekülinterne resonante Übergänge abgestimmt werden müssen. Am Forschungsstandort Jena lag ein Schwerpunkt unserer Arbeiten insbesondere im Bereich der Ophthalmologie und in der Darstellung der verschiedenen Schichten des vorderen Augenabschnitts. Dazu wurde das Großgerät mit einem schnellen 2-Photonen-Mikroskop kombiniert und erlaubte so die Darstellung von lebenden Zellen im Vorderabschnitt bis hin zur Linse über farbstofffreie Bildgebung. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten wir den Einfluss diabetischer Erkrankungen auf die Nervenfaserstrukturen im Tiermodell lasermikroskopisch nachweisen (Kooperation mit S. Baltrusch, O. Stachs (Rostock)). Um auch in großen Probentiefen eine ausreichende Fokussierung zu erhalten, wurde im Folgenden eine adaptive Optik, in Form eines deformierbaren Spiegels, im Strahlengang implementiert. Dabei werden die durch die Probe induzierten Aberration vorkompensiert, sodass es zu einer nahezu idealen Fokussierung des Laserlichts kommt. In ersten Messungen konnte so auch die tieferliegende Linse im Mausauge in vivo abgebildet werden. Neben den angewandten Arbeiten zur Untersuchung biologischer Proben wurde zusätzlich eine Reihe grundlegender Studien zur Signalentstehung im Bereich höherer Harmonischer und nichtresonanter Vierwellenmischprozesse durchgeführt. Über die Implementierung von polarisationsformenden Optiken konnte neben der Polarisationsabhängigkeit des Second-Harmonic-Signals auch der Einfluss nicht gewöhnlicher Polarisationen, wie radiale und azimutale Polarisation, auf die Erzeugung nichtlinearer optischer Signale theoretisch und experimentell untersucht werden. Diese Ergebnisse zeigen vor allem das Potential für weitere Möglichkeiten, Kontrast in der nichtlinearen Bildgebung zu schaffen. So kann beispielsweise durch einen gezielten Wechsel von radialer zu azimutaler Polarisation die z-Komponente der Polarisation im Fokus des Laserstrahls unterdrückt werden. Dies hat direkten Einfluss auf die Erzeugung bzw. Entstehung nichtlinearer Signale. Im konkreten Fall erlaubte die Intensitätsanalyse der zweiten Harmonischen bei vorhandenem und nicht vorhandenem z-Polarisationsanteil Rückschlüsse auf die Ausrichtung der im Fokus vorliegenden Molekülstrukturen. Gleichzeitig eröffnet dies ein ganz neues Feld der polarisationsaufgelösten nichtlinearen Mikroskopie.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Charge Balancing of Model Gold-Nanoparticle- Peptide Conjugates Controlled by the Peptide’s Net Charge and the Ligand to Nanoparticle Ratio, J. Phys. Chem. C, 118 (19), 10302–10313, 2014
L. Gamrad, C. Rehbock, J. Krawinkel, B. Tumursukh, A. Heisterkamp, S. Barcikowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jp501489t) - Molecular orientation sensitive second harmonic microscopy by radially and azimuthally polarized light, Biom. Opt. Expr. 5, 7, 22312246, 2014
T. Ehmke, A. Knebl, T.H. Nitzsche, A. Heisterkamp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/BOE.5.002231) - Four-wave mixing microscopy: a high potential nonlinear imaging method, Proc. SPIE, 9329: 932912 - 932912-10, 2015
Tobias Ehmke, Andreas Knebl und Alexander Heisterkamp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2076743) - Nonlinear Microscopy in Ophthalmology: Principles and Pathbreaking Applications, Klin. Mon. Aug., 232, 12, 1365-1373, 2015
T. Ehmke, A. Krueger, T. Ripken, S. Reiss, O. Stachs, A. Heisterkamp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1055/s-0041-109020) - Spectral behavior of second harmonic signals from organic and non-organic materials in multiphoton microscopy, AIP Advances, 5, 8, 084903, 2015
T. Ehmke, A. Knebl, O. Stachs, S. Reiss, I.R. Fischinger, T.G. Seiler, A. Heisterkamp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4915134) - Two-Photon Fluorescence Microscopy for Determination of the Riboflavin Concentration in the Anterior Corneal Stroma When Using the Dresden Protocol, Invest. Ophthal. Vis. Sci., 56, 11, 6740-6746, 2015
T.G. Seiler, T. Ehmke, I. Fischinger, D. Zapp, O. Stachs, T. Seiler, A. Heisterkamp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1167/iovs.15-17656) - In vivo nonlinear imaging of corneal structures with special focus on BALB/c and streptozotocindiabetic Thy1-YFP mice, Exp. Eye Res. 146, 137- 144, 2016
T. Ehmke, J. Leckelt, M. Reichard, H. Weiss, M. Hovakimyan, A. Heisterkamp, O. Stachs, S. Baltrusch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.exer.2015.11.024) - Nonlinear laser scanning microscopy of oral multispecies-biofilms: fixative induced fluorescence as a fast and economical in vitro screening method. BioNanoMaterials, 2016, Bd. 17, H. 1-2, S. 73–77
N. Andric, T. Ehmke, N. S. Stumpp, T. Ripken, A. Heisterkamp, M. Stiesch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/bnm-2015-0028)
