Chemische Bildgebung Lumineszenzlöschung messen, auf neue und einfache Art

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Prozesse in ökologischen und biologischen Systemen lassen sich u.a. über die Sauerstoffdynamik untersuchen. Mit einer neuen Technik zur Lumineszenzlöschung haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie und weiteren Instituten nun die zeitliche und räumliche Genauigkeit dieser Methode deutlich verbessert. Dafür nutzen sie nach eigenen Angaben marktübliche, kostengünstige Instrumente.

Sauerstoff ist ein zentrales Molekül des Lebens. Seine Wege detailliert zu verfolgen ist daher unverzichtbar, um die Dynamik von Ökosystemen zu verstehen. Optische Sensoren, die lumineszierende Farbstoffe verwenden, werden seit Langem zur Abbildung des Sauerstoffgehalts im Meer eingesetzt. Da Sauerstoff die Dauer des Leuchtens der Farbstoffe verkürzt, lassen sich über die Lumineszenzlöschung Rückschlüsse auf die Sauerstoffkonzentration ziehen.

Bislang waren für die Messung der Lumineszenzlöschung jedoch teure Spezialgeräte erforderlich, sodass die Technik für viele Forschungs- und Industrieanwendungen unerschwinglich war. Ein Team von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie, des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung und der Universität Kopenhagen hat in Zusammenarbeit mit internationalen Partnerinnen und Partnern nun eine neue Methode zur Darstellung der Löschung von Lumineszenzsignalen entwickelt. Die Technik ermöglicht Hochgeschwindigkeitsmessungen der Lumineszenzabklingzeit, mit weitreichenden Konsequenzen auf Anwendungsbereiche der optischen Sensorik und chemischen Bildgebung.

Maßgeschneiderte Fluoreszenzfarben

Ein Regenbogen für die biomedizinische Forschung

Lumineszenz-Lebensdauer-Messung für jedermann

„Unsere neue integrierte Methode ermöglicht es Forschenden, Lumineszenzlöschung einfach und mit handelsüblichen Kamerasystemen zu bestimmen“, erklärt Soeren Ahmerkamp, der die Arbeiten am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen und am Leibniz-Instituts für Ostseeforschung in Warnemünde durchführte. Eine Technik namens Frame-Straddling erlaubt es, kurze Lichtblitze mit einem präzisen Kameratiming zu synchronisieren, sodass zwei Bilder aufgenommen werden: Eines, das den anfänglichen Lichtblitz aufzeichnet, und ein weiteres, das den anfänglichen Lichtblitz und das länger anhaltende Nachleuchten misst. Aus der Differenz zwischen diesen Bildern lässt sich die integrierte Lumineszenz-Lebensdauer ablesen, sie liefert so eine genaue Ablesung auf Zeitskalen unter einer Millisekunde.

„Wir schaffen eine zugängliche Möglichkeit, Lumineszenz-Lebensdauern zu messen, was gemeinhin als Goldstandard in der optischen Sensorik gilt“, sagt Michael Kühl von der Universität Kopenhagen, Dänemark. „Mit der Frame-Straddling-Methode, die ursprünglich für Hochgeschwindigkeits-Durchflussmessungen entwickelt wurde, haben wir eine Technik gefunden, die mit einer Vielzahl handelsüblicher Kameras genutzt werden kann. Dadurch können mehr Labore hochauflösende Lebensdauermessungen durchführen.“

Neue experimentelle Wege der chemischen Bildgebung

Lumineszenzlöschung einfach und schnell messen zu können, eröffnet neue Möglichkeiten für die chemische Bildgebung. Forschende können nun die Sauerstoffdynamik mit viel höherer zeitlicher und räumlicher Genauigkeit aufzeichnen. „Wir haben die Dynamik des Sauerstoffs in der Umgebung von Algen innerhalb einer Hundertstelsekunde verfolgt und sichtbar gemacht, wie sich sauerstoffverbrauchende Partikel durch das Wasser bewegen. Das zeigt klar das große Potenzial dieser Methode“, sagt Ahmerkamp. „Diese Methode ermöglicht tiefe Einblicke in die Veränderungen des Sauerstoffs im Meer, von der Skala mikroskopischer Partikel bis hin zu ganzen Ökosystemen.“

Der Ansatz kann auch neue Anwendungen in den Umwelt- und Ingenieurwissenschaften und der Biomedizin anregen. Leicht verfügbare hochpräzise Messungen fördern neue experimentelle Wege, die das Tempo von Entdeckungen in diesen Bereichen beschleunigen.

„Wir wollten den Zugang zu einem leistungsstarken Analyseinstrument demokratisieren“, schließt Ahmerkamp. „Wir sind überzeugt, dass diese Methode es Forschenden möglich machen wird, komplexe chemische Wechselwirkungen einfacher und flexibler als je zuvor zu ergründen.“

Originalpublikation: Soeren Ahmerkamp, Cesar O. Pacherres, Maria Mosshammer, Mathilde Godefroid, Michael Wind-Hansen, Marcel Kuypers, Lars Behrendt, Klaus Koren, and Michael Kühl: Novel Approach for Lifetime-Proportional Luminescence Imaging Using Frame Straddling. ACS Sensors (2024); DOI: 10.1021/acssensors.4c01828

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