Quantenimaging zur Gewebeanalyse Spektroskopie an der Probe vorbei?

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Kann man eine Gewebeprobe mit Licht untersuchen, welches die Probe nie erreicht? Quantenverschränkung macht genau das möglich. Wie die neuartige Spektroskopie funktioniert, erklären die Entwickler vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik.

Jena – Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder Terahertzbereich stoßen sie an ihre Grenzen. Dabei liegen gerade dort wertvolle Informationen verborgen. Zum Beispiel lassen sich Biosubstanzen wie Proteine, Lipide oder auch chemische Elemente anhand ihrer charakteristischen Molekülschwingungen unterscheiden.

Diese Schwingungen werden mit Licht im mittleren Infrarot- bis Terahertz-Bereich 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“, ist Quantenforscher Dr. Markus Gräfe vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF überzeugt. „Zum Beispiel weisen einige Krebsarten eine charakteristische Anreicherung bzw. 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.“

Sichtbarer Strahl verrät seinen unsichtbaren Zwilling

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 durch einen so genannten nichtlinearen 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, was eine besondere Art der Spektroskopie erlaubt.

„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.

Einzelne Lichtquanten extrahieren

„Lichtschnaps“ aus der Photonen-Destille

Schonende UV-Spektroskopie

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 auf die Größe eines Schuhkartons zu verkleinern und auch die Auflösung weiter zu verbessern.

Auflösung von unter einem Mikrometer angestrebt

Der nächste Schritt soll beispielsweise ein so genanntes Quantum Scanning Mikroskop sein: Statt das Bild mit einer Weitfeldkamera aufzunehmen, wird es ähnlich einem Laser Scanning Mikroskop abgerastert. Davon versprechen sich die Wissenschaftler noch höhere Auflösungen bis zu unter einem Mikrometer. Künftig sollen sich damit Strukturen innerhalb einzelner Zellen noch genauer untersuchen lassen. 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.

Der entwickelte Demonstrator ist ein Ergebnis aus dem Fraunhofer-Leitprojekt Quilt, das die quantenoptische Kompetenz der Fraunhofer-Institute für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, für Physikalische Messtechnik IPM, für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS, für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB und für Lasertechnik ILT bündelt.

Originalpublikation: Marta Gilaberte Basset, Frank Setzpfandt, Fabian Steinlechner, Erik Beckert, Thomas Pertsch, Markus Gräfe: Quantum Imaging: Perspectives for Applications of Quantum Imaging, Laser Photonics Rev. 13(10)/2019; DOI: 10.1002/lpor.201970042

* A. Höft, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, 07745 Jena

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