Biophotonik

Der Begriff der Biophotonik beschreibt ganz allgemein die Anwendung von Prinzipien und Methoden der Photonik auf biologische Fragestellungen. Von besonderem Interesse ist hierbei das Verständnis der chemischen, elektrischen und mechanischen Funktion kleinster Bauteile wie beispielsweise Organellen eukaryotischer Zellen oder molekulare Motoren prokaryotischer Organismen.

Für ein grundlegendes Verständnis der Dynamik von intra- und interzellulären Prozessen sind geeignete Detektions- und Visualisierungsverfahren unumgänglich. Mit der Verfügbarkeit vieler spezialisierter Fluoreszenzmarker konnten große Fortschritte in der Visualisierung von Abläufen in Zellen erzielt werden. Jedoch beeinflusst das Markieren von Zellen oder von Zellbestandteilen zweifellos das Verhalten dieser empfindlichen Proben. In unseren Laboren werden experimentelle Techniken und kompakte bildgebende Systeme entwickelt, um nicht invasive Echtzeitdarstellung und -manipulation an lebenden biologischen Proben durchzuführen.

Ein phasensensitives bewegungsdetektierendes Mikroskopsystem detektiert dynamische Anteile im Sichtfeld durch Unterdrückung statischer Anteile. Zur Realisierung werden optisch nichtlineare Materialien auf der Basis photorefraktiver elektrooptischer Elemente eingesetzt. Dieses Verfahren wird zum einen verwendet, um Strömungsfelder in mikrofluidischen Anwendungen zu vermessen. Hierbei werden sowohl Fragestellungen in biologisch induzierten Strömungen, etwa durch Mikroorganismen verursacht, als auch in technischen Strömungen wie sie in "lab-on-a-chip" Systemen auftreten, untersucht. Die inhärente Phasensensitivität des Verfahrens wird zur kontrastreichen Darstellung inter-und intrazellulärer dynamischer Prozesse in Echtzeit ausgenutzt.

Die Vermessung von Phasenänderungen wird insbesondere zur quantitativen Bestimmung von Dichte- und Konzentrationsänderungen in fluiden Mischsystemen ausgenutzt. Als Besonderheit dieses Mikroskops ist vor allem die Verwendung von sehr geringen Lichtleistungen unterhalb eines Mikrowatts, und die Möglichkeit vollständig auf Marker und Farbstoffe zur Visualisierung von Phasenobjekten verzichten zu können bemerkenswert.

Neben der Beobachtung von biologischen Vorgängen auf mikroskopischen Längenskalen ist die Möglichkeit zur Manipulation entscheidend. Optische Pinzetten ermöglichen die Ausübung von Kräften im Bereich von Piconewton bis Nanonewton auf mikroskopische Objekte. Somit können beispielsweise Zellen oder geeignete Materialien zur Sondierung fixiert oder bewegt werden und ausgeübte Kräfte mit großer Präzision bestimmt werden. Durch die Kombination mit unterschiedlichen Mikroskopieverfahren können Mikromanipulationen durchgeführt und ihre Auswirkung direkt beobachtet werden. Dieser interaktive Ansatz wird wesentlich erweitert durch den Einsatz von holographischen optischen Pinzetten.

Diese ermöglichen die simultane Benutzung vieler Einzelfallen, die zudem unabhängig voneinander in Echtzeit sowohl lateral als auch axial frei positioniert werden können. Dadurch werden komplexe Szenarien möglich, die einen tiefgehenden Einblick in intra- und interzelluläre Prozesse ermöglichen.


Ansprechpartner: M.Sc. Álvaro Barroso Peña