Während optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie in sichtbaren Wellenlängenbereich bereits äußerst effizient sind, stoßen sie in extremen Wellenlängenbereichen wie beispielsweise dem Ultraviolett-, Infrarot- oder Terahertzbereich bislang an ihre Grenzen. Ein Forscherteam des Fraunhofer Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF stellte sich dieser Herausforderung und entwickelte eine vielversprechende Quantenimaging-Lösung, die auch in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.
Quantenimaging - Unsichtbares sichtbar machen
Das Funktionsprinzip
Um relevante Informationen in extremen Wellenlängenbereichen sichtbar machen zu können, ziehen die Jenaer Forscher den quantenmechanischen Effekt der Verschränkung von Photonen heran. Hierbei wird in einem interferometrischen Aufbau ein Laserstrahl durch einen nichtlinearen Kristall geschickt, indem er zwei miteinander verschränkte Photonenstrahlen generiert. Auch wenn beide Strahlen – je nach Eigenschaften des Kristalls – verschiedenste Wellenlängen aufweisen, 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 der Quantenforscher Dr. Markus Gräfe vom Fraunhofer IOF.
Quantenimaging-Aufbau für die mikroskopische Untersuchung von Krebszellen.
Einsatz im medizinischen Bereich
Ein mögliches Anwendungsfeld, das von dem innovativen Verfahren maßgeblich profitieren könnte, ist die Medizin. So lassen sich mit der von dem Jenaer Forscherteam entwickelten Quantenimaging-Lösung bislang verborgene Biosubstanzen anhand ihrer charakteristischen Molekülschwingungen unterscheiden. Große Fortschritte verspricht das Verfahren demnach in der Erkennung und Bekämpfung verschiedener Krebsarten, indem es die charakteristische Anreicherung bzw. Exprimierung bestimmter Proteine sichtbar macht. Auch in der Medikamentenforschung kann mit Hilfe der Methode umfangreiches Wissen über die Verteilung von Biosubstanzen gewonnen werden.
Technische Weiterentwicklung
Die Forschungsarbeiten sind im Rahmen des Fraunhofer Leitprojektes QUILT entstanden, an dem neben dem Fraunhofer IOF, das Fraunhofer IPM, das Fraunhofer IMS, das Fraunhofer ITWM, das Fraunhofer IOSB sowie das Fraunhofer ILT beteiligt sind. Derzeit arbeitet das Team daran, das System noch kompakter auf die Größe eines Schuhkartons zu schrumpfen und auch die Auflösung weiter zu verbessern. Um die Hürden für Anwender aus der Industrie zu minimieren, ist das langfristige Ziel zudem, das Quantenimaging als Basistechnologie in bestehende Mikroskopie-Systeme zu integrieren.