Forschung & Entwicklung

Quantenimaging für Biosubstanzen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Eine Quantenimaging-Lösung in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht kann genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen.

Im Infrarot- oder Terahertzbereich stoßen Mikroskopie und Spektroskopie an ihre Grenzen. Dabei liegen gerade dort wertvolle Informationen verborgen. Zum Beispiel lassen sich Biosubstanzen wie Proteine, Lipide oder auch andere chemische Elemente anhand ihrer charakteristischen Molekülschwingungen unterscheiden. Diese Schwingungen werden mit Licht im mittleren Infrarot- bis Terahertzbereich angeregt und sind mit herkömmlichen Messmethoden nur schwer detektierbar. „Könnte man diese Bewegungen erfassen oder anregen, ließe sich bei Zellproben genau sehen, wie bestimmte Eiweiße, Fette oder andere Stoffe verteilt sind. Zum Beispiel weisen einige Krebsarten eine charakteristische Anreicherung beziehungsweise Exprimierung bestimmter Proteine auf. So könnte die Krankheit effizienter erkannt und bekämpft werden. Auch in der Medikamentenforschung könnte ein genaueres Wissen über die Verteilung von Biosubstanzen große Fortschritte bringen“, ist Quantenforscher Dr. Markus Gräfe vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF überzeugt.

Doch wie können Informationen aus diesen extremen Wellenlängenbereichen sichtbar gemacht werden? Dabei hilft den Forschern der quantenmechanische Effekt der Verschränkung von Photonen. Dadurch kann Licht von verschiedenen Wellenlängen miteinander kombiniert werden. Ein Laserstrahl wird in einem optischen Aufbau durch einen nicht linearen Kristall geschickt, in dem er sich in zwei miteinander verschränkte Lichtstrahlen aufteilt. Dabei können diese beiden Strahlen – je nach Eigenschaften des Kristalls – ganz unterschiedliche Wellenlängen haben. Trotzdem sind sie durch die Verschränkung miteinander verbunden.

„Während nun der eine Photonenstrahl über Spiegel zum zu detektierenden Objekt im unsichtbaren Infrarotbereich geschickt wird und dort mit der Probe interagiert, wird der Zwillingsstrahl im sichtbaren Spektrum von einer Kamera eingefangen. Da die verschränkten Lichtteilchen die gleiche Information in sich tragen, entsteht ein Bild, obwohl das Licht, das die Kamera erreicht, das eigentliche Objekt nie erreicht hat“, erklärt Gräfe. Der sichtbare Zwilling gibt sozusagen darüber Aufschluss, was mit dem unsichtbaren Zwilling gerade passiert.

Das gleiche Prinzip lässt sich auch im ultravioletten Spektralbereich nutzen. Denn UV-Licht schädigt die Zellen, und so sind lebende Zellproben äußerst lichtempfindlich. Das schränkt die Untersuchungszeit, etwa von Zellprozessen, die Stunden oder länger dauern, erheblich ein. Da bei der Quantenbildgebung weniger Licht und weniger Strahlungsdosis in die Gewebezellen dringt, können diese länger mit hoher Auflösung zerstörungsfrei beobachtet und analysiert werden.

„Mit unserem Quantenimaging-Aufbau sind wir in der Lage zu zeigen, dass das ganze komplexe Verfahren stabil, kompakt und portabel realisiert werden kann“, sagt Gräfe. Aktuell arbeitet das Forscherteam daran, das System noch kompakter auf die Größe eines Schuhkartons zu schrumpfen und auch die Auflösung weiter zu verbessern. Der nächste Schritt soll beispielsweise ein sogenanntes Quantumscanning-Mikroskop sein. Statt das Bild mit einer Weitfeldkamera aufzunehmen, wird es ähnlich einem Laserscanning-Mikroskop abgerastert. Davon versprechen sich die Wissenschaftler noch einmal höhere Auflösungen von unter einem Mikrometer. Künftig lassen sich damit die Strukturen innerhalb einzelner Zellen noch genauer untersuchen. Langfristiges Ziel ist es, das Quantenimaging als Basistechnologie in bestehende Mikroskopie-Systeme zu integrieren. Damit sollen die Hürden für Anwender aus der Industrie niedriger werden.

von mn

www.iof.fraunhofer.de

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