Rotierend kohärente Streulicht- Mikroskopie mit Spezifizität und Höhenprofilierung

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413220392

Die Mikroskopie mit rotierender kohärenter Streuung (ROCS) ist eine fluoreszenzfreie Bildgebungstechnik, die dynamische Strukturen mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen ms und einer räumlichen Auflösung von 160 nm abbilden kann. Diese Zahlen machen ROCS einzigartig unter den bestehenden markierungsfreien Bildgebungsverfahren. Unter Verwendung bläulicher Laser und stark schräger Beleuchtung bei 2 azimutaler Strahlrotation mit > 100 Hz zeigt sich, dass sich kohärente Speckles in aussagekräftige Objekte verwandeln, ohne dass Bildrekonstruktionen notwendig sind. Im vorangegangenen DFG-Projekt haben wir einerseits erfolgreich die Korrelation und Kompatibilität von ROCS mit der Fluoreszenzbildgebung untersucht und andererseits gezeigt, dass ROCS in 2D auf der Basis elektronischer Polarisierbarkeiten von unterschiedlich absorbierenden Kügelchen eine Materialspezifität erzeugen kann, so dass verschiedene Materialien in verschiedenen Farben dargestellt werden („Color-ROCS“). Im neuen zweitteiligen Projekt wollen wir im Projektteil A die Grenzen dieser neuartigen Bildgebungsprinzipien ausloten, insbesondere der Material-Identifikation durch ihre komplexen Polarisierbarkeiten an verschiedenen spektralen Abtastpunkten. Anstelle von einfachen Beads wollen wir nun das auf Spezifizität beruhende Color-ROCS nutzen, um biologische Materialien oder sogar lebende Zellen durch optimierte Probennahme im violett-blauen Spektrum zu untersuchen und die Color-ROCS-Bildgebung sogar auf 3D auszuweiten. Dies würde eine erhebliche Verbesserung des Stands der Technik darstellen und viele neue Anwendungen eröffnen, die sich mit kleinen dynamischen Strukturen befassen. Dieses Ziel erfordert jedoch eine Reihe von Lasern im Wellenlängenbereich von 400-500nm, um verschiedene Absorptionsspektren zuverlässig zu erfassen, da breitbandige Lichtquellen den Bildkontrast erheblich verringern. Projektteil B ist auch durch das vorangegangene Projekt motiviert, in dem wir gezeigt haben, dass bei Hellfeld-ROCS eine Referenzwelle das am Objekt rückgestreute Licht verstärkt. Es hat sich herausgestellt, dass die vielen Interferenzstreifen zwischen der Objektwelle (typischerweise von einer biologischen Zelle) und der Referenzwelle in guter Näherung invariant gegenüber der rotierenden Beleuchtung sind. Diese Interferenzstreifen erschweren die Erkennung kleiner zellulärer Strukturen, d.h. erscheinen nachteilig. Da die Beseitigung der Interferenzstreifen bei der teilkohärenten ROCS-Bildgebungstechnik nicht möglich ist, besteht das Ziel darin, die Interferenzstreifen zu nutzen, um Höhenprofile der Zellen mit Aktualisierungszeiten von wenigen Sekunden zu erstellen. Diese Höhenprofile liefern wertvolle 3D-Informationen über die dynamischen, strukturellen Veränderungen der Zelloberfläche, die insbesondere bei Infektions-mechanismen durch Viren, Bakterien oder Feinstaub relevant sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Laser combiner box
• Gerätegruppe: 5790 Sonstige Laser und Zubehör (außer 570-578)