Untersuchung der impulsiv stimulierten Brillouin-Mikroskopie zur berührungslosen Erfassung mechanischer Eigenschaften in biomedizinischen Proben

von Benedikt Krug

158 Seiten, Taschenbuch

Kurzbeschreibung des Verlags

Mechanische Messgrößen spielen eine immer wichtigere Rolle in der Biomedizin, insbesondere bei der Zellentwicklung und für die Diagnostik. Die Erfassung dieser Größen stellt jedoch eine Herausforderung dar, da viele etablierte Verfahren die Anforderungen der Biomedizin, wie hohe räumlicher Auflösung und Kompatibilität mit den Proben, nicht erfüllen können. Rein optische Verfahren, wie die spontane Brillouin-Mikroskopie, sind vielversprechend, da sie kontaktlose Messungen mit subzellulärer Auflösung (~ 4 μm x 4 μm x 60 μm) ermöglichen, ohne die Proben zu modifizieren, haben jedoch mit einer langen Punktmessdauer (200 ms) Herausforderungen in der zeitlichen Auflösung. Die impulsiv stimulierte Brillouin-Mikroskopie (ISBM) stellt eine Weiterentwicklung in Richtung aktiver Anregung dar und verspricht die genannten Vorteile der optischen Verfahren mit kürzeren Messdauern zu vereinen. Durch die Überlagerung von Ultrakurzpuls-Laserstrahlen wird ein Interferenzstreifenmuster erzeugt. Dieses Muster führt zu Bildung stehender akustischer Wellen, die sowohl die Dichte als auch den Brechungsindex des Materials modulieren. Die Messung erfolgt kontaktlos durch einen Ausleselaser und ermöglicht die Erfassung des longitudinalen Moduls. Die Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik und untersucht die Anwendbarkeit der ISBM in der Biomedizin. Die Designentscheidungen für das Messsystem werden erläutert und die Funktionalität wird anhand der proportionalen Brillouin-Frequenzverschiebungen bei Messungen an Proben mit bekannten Eigenschaften nachgewiesen. Im Weiteren erfolgt die Untersuchung von Kernparameter wie: Mittelungsanzahl, Ausleselaserleistung, Anregepulsenergie, Pulslänge, Repetitionsrate und Messvolumengröße. Aus dieser ergeben sich Erkenntnisse über den Parameterraum, in dem das Messsystem für verschiedene Anwendungen ausgelegt und angepasst werden kann. Beispielsweise wird die Verkleinerung des Messvolumens auf 10 μm x 23 μm x 230 μm demonstriert, somit erreicht die laterale räumliche Auflösung die Größe einzelner Zellen. Durch Referenzmessungen am biologischen Modellmaterial Polyacrylamid-Hydrogel konnte die biomedizinische Tauglichkeit des Messsystems gezeigt werden. Es wird eine relative Unsicherheit der Brillouinfrequenz von 0,5 % bei einer Messdauer von 0,8 ms ermittelt, was einer deutlichen Reduktion der Punktmessdauer im Vergleich mit etablierten Verfahren entspricht. Die Schallausbreitung parallel zur Probenoberfläche bei ISBM ermöglicht die Erfassung von Anisotropie und stellt ein Alleinstellungsmerkmal gegenüber vergleichbaren Techniken dar. Das Haupteinsatzgebiet von ISBM sind Anwendungen, welche hohe Anforderungen an die zeitliche Auflösung stellen. Zukünftig sollte auf einen breiteren Einsatz der Technik in der Biomedizin durch eine Reduktion der technischen Einstiegshürden hingearbeitet werden.

• Reihe: Dresdner Berichte zur Messsystemtechnik
• Themen: Technologie, Ingenieurswissenschaft, Landwirtschaft, Industrieprozesse Technologie, allgemein Instrumente und Instrumentierung Messtechnik und Kalibrierung
• ISBN: 9783819107269
• Sprache: Deutsch
• Erscheinungsdatum: 28.05.2026
• Größe: 21 x 14.8 cm
• Verlag: Shaker