Zentrum für angewandte Forschung (ZAFH)

Neben konfokalen optischen Verfahren wird eine Tiefenauflösung in der Mikroskopie durch strukturierte Beleuchtung oder durch Totalreflexionsverfahren erreicht. Damit lassen sich Zellmonolayer oder 3D-Zellkulturen mit hoher räumlicher Auflösung darstellen. Insbesondere im Bereich der Zelloberfläche sind tomographische Aufnahmen im Nanometerbereich möglich.

Im Rahmen des ZAFH-PHOTONn sollen folgende neue Ziele verfolgt werden:

Abbildung: Adaptive Mikroskopie mit fokus-variablem Spiegel

• Integration eines adaptiven Membranspiegels, der elektrostatisch sehr schnell in seiner Brennweite verändert werden kann, so dass verschiedene Zellebenen in unmittelbarer Abfolge untersucht und die gewonnenen Informationen für ein 3D-Imaging genutzt werden können. 
• Adaption und Nutzung der strukturierten Beleuchtung für ein tiefenauflösendes Screening von 3D-Zellkulturen. Dies soll eine Untersuchung größerer Probenmengen mit dem Ziel einer Diagnostik verschiedener Krankheiten sowie der Erforschung pharmazeutischer Wirkstoffe ermöglichen. Die Methode wird anhand von zellulären Testsystemen für die Alzheimer’sche Krankheit sowie für verschiedene Tumore validiert.

Kompetenzschwerpunkte für dieses Teilprojekt liegen in der 

• Hochschule Aalen (Biophotonik, Mikroskopie),    
• Hochschule Furtwangen (Mikrosystemtechnik),    
• Hochschule Konstanz (Bildverarbeitung),    
• Hochschule Mannheim (zelluläre Testsysteme),    
• Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik an der Univerisät Ulm,    
• Universitätsklinikum Heidelberg. 

Bei Laserpinzetten werden Kräfte genutzt, die bei der Ablenkung von Photonen im fokussierten Laserstrahl entstehen. Damit lassen sich kleine transparente Partikel, z.B. Zellen oder Organellen, gezielt bewegen oder bearbeiten. Das Prinzip soll im vorliegenden Projekt für eine Einzelzell-Sortierung genutzt und mit einem Mikrofluidsystem sowie mit Echtzeitholographie kombiniert werden. Ziel ist u.a. eine Isolierung gentechnisch veränderter Zellen in hinreichender Zahl, um diese für molekularbiologische Untersuchungen zur Verfügung zu stellen.

Abbildung: Prinzip einer holographischen Pinzette

Einzelschritte:

•  Etablierung eines manuellen Testsystems  
•  Erstellung eines Mikrofluidsystems  
•  Anpassung des holographischen Systems mit ansteuerbarem LCD-Display  
•  Adaptive Optimierung der Laserfoci  
•  Single Cell Sorting  
•  Optional: Fluorometrisches Erkennungssystem für genetisch veränderte Zellen

Kompetenzschwerpunkte für dieses Teilprojekt liegen in der / im

•  Hochschule Aalen (Mikroskopie, Biophotonik)    
•  Hochschule Offenburg (Holographie)    
•  Hochschule Furtwangen (Mikrostrukturierung)    
• Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik an der Universität Ulm (Lasertechnik, zelluläre Testsysteme) 

In den letzten Jahren wurden in verschiedenen jetzigen Teilprojekten des ZAFH Photonik viele Arbeiten im Bereich Micro-Chemical Imaging und Mapping System sowie im Bereich Lichtausbreitung, Lichtabsorption und Lichtbrechung im biologischen Gewebe durchgeführt.
Darauf basierend sollen jetzt die Dimensionen der Fernfeld- und Nahrfeld-Mikroskopie auf unterschiedliche Spektralbereiche (230-2300 nm) unter Einbeziehung der diffus-optischen Abbildung erweitert werden.

Erweitertes Mikrospektralphotometer

Erweiterung optischer Dimensionen
Ein Multispektralphotometer wird auf die neuen Aufgaben adaptiert und mit Referenzsystemem getestet. Der Einbau eines linear variablen Filters ermöglicht u.a. die simultane Anregungs- und Emissionsspektroskopie. Durch Integration von Arbeiten wie z.B. zum fokusvarianten Spiegel (s. Projekte -- Tiefenauflösendes Imaging) ergibt sich eine enge Verzahnung mit anderen Teilprojekten.

Implementierung der diffus-optischen Abbildung am Testmodell (Chromosomen)
Durch einen Vergleich von winkelabhängigen Reflexions- und Transmissionmessungen und Streulichtmessungen können die spektralen Eigenschaften von Chromosomen dargetstellt werden. Daraus können dann mit Hilfe der Maxwell-Gleichungen die Lichtstreuung und -absorption quantitativ berechnet und für eine Charakterisierung der Chromosomen genutzt werden.

Chemical Imaging an Chromosomen

Auswertung und Optimierung
Die gewonnenen Basis-Erkentnisse werden an komplexeren Proben weiter verfeinert und optimiert. Zur Anwendung kommen u.a. theoretische Berechnungen und Simulationen sowie multivariate Datenanalyse unter Verwendung von Hauptkomponentenanalyse (PCA) und Neuronale Netze. Außerdem soll die Multivariate Curve Resolution eingesetzt werden mit dem Vorteil, dass in die Berechnungen auch Vorwissen integriert werden kann.

Bioimagimg an biologischen Testsystemen (M. Alzheimer)
Die etablierten räumlich, spektral und zeitlich auflösenden Methoden ("6D-Imaging") sollen gemeinsam mit dem "Diffuse Optical Imaging" und der multivariaten Datenanalyse zur Untersuchung von Membraneigenschaften bei der Alzheimerschen Erkrankung genutzt werden. Endziel sind neben den Forschungserkenntnissen und dem Netzwerkaufbau neue therapeutische Ansätze zur Behandlung dieser Krankheit.

Kompetenzschwerpunkte für dieses Teilprojekt liegen in der 

• Hochschule Reutlingen (Teilprojektleitung) Weitere Infos (engl.,pdf)    
• Hochschule Aalen,    
• Hochschule Mannheim,    
• Institut für Lasermedizin Ulm. 

Aufbau und Verifikation eines miniaturisierten Laseresonsor- und -aktuatorsystems zur präzisen Messung von Abständen, Winkeln und Profilen
Die Messtechnik muss in immer kleinere Bereich vordringen. Dies fordern zum Beispiel einerseits die Raumfahrt (Anwendung bei der Satellitennavigation und der Ausrichtung von zusammenarbeitenden Satelliten untereinander) und andererseits auch die Präzisionsfertigung (Qualitätssicherung, Fertigungsmesstechnik und nicht-taktile Metrologie). Die laserinterferometrische Messgenauigkeit soll in den Bereich bis nrad/√Hz bzw. pm  verbessert werden.

Strahlkontrolle im nrad/√Hz- Bereich

Entwicklung eines Aktorik-Systems
Zur Kontrolle des Laserstrahls wird ein hochpräzises Aktuatorsystem entwickelt werden. Der aktive Spiegel mit der       dazu gehörenden Elektronik soll in einem Verstellbereich von minimal 10 μm mit einer maximalen Rauschdichte      von 10 bis 100 pm/√Hz  bzw. 10μrad bei 10nrad/√Hz entwickelt und realisiert werden.

Profilometer: Messung von Unebenheiten im pm-Bereich

Miniaturisierung
Eine entscheidende Rolle beim Aufbau von höchstauflösenden optischen Messgeräten spielen stabile kompakte Optiken. Es müssen Aufbau- und Verbindungstechnologien für Silizium und optische Bauelemente entwickelt werden. Des Weiteren muss die Synchronisation der Phasenauslesung des Interferometers mit der Scanvorrichtung erreicht werden, um die Verifikation zu garantieren.

Ausbau zum Profilometer
Das miniaturisierte Sensorkonzept soll mit dem beschriebenen Aktuator zu einem höchstauflösenden Profilometer erweitert werden mit dem Ziel eines schnellen Sensors zur präzisen optischen interferometrischen Messung von Oberflächeneigenschaften wie z. B. der Rauigkeit oder Unebenheit im 10 pm-Bereich.

Kompetenzschwerpunkte für dieses Teilprojekt liegen in der 

• Hochschule Konstanz (Teilprojektleitung),    
• Hochschule Furtwangen,    
• Hochschule Offenburg,    
• Hochschule Aalen 

Entwicklung und Verifikation eines kompakten Gassensors auf der Basis photonischer Bandgap-Fasern
Durch Aufnahme eines Absorptionsspektrums lassen sich Gase selektiv, schnell und mit hohen Empfindlichkeiten nachweisen. Die bisher realisierten Gassensoren auf optischer Basis (sogenannte Multipasszellen) sind relativ groß mit einem entsprechend großen Volumen, das mit dem zu messenden Gas zu füllen ist, was wiederum zu Trägheit führt.

Einer der Gassensoren im Labor

In photonischen Hohlfasern kann Licht durch periodisch angeordnete Hohlräume in der Faser relativ verlustfrei über längere Strecken geleitet werden. Sind die Hohlräume mit dem nachzuweisenden Gas gefüllt, so sind entsprechend der Faserlänge lange Absorptionswege mit entsprechend hohen Empfindlichkeiten möglich.
Im Projekt soll die Eignung der Laser-IR-Spektroskopie mittels photonischer Hohlfasern anhand einer ausgewählten Laser-Gas-Kombination für die Gassensorik demonstriert werden, indem Sauerstoffkonzentrationen bis zu etwa 0,1% in Echtzeit gemessen werden.

Kompetenzschwerpunkte für dieses Teilprojekt liegen in der 

• Hochschule Furtwangen (Teilprojektleitung),    
• Hochschule Konstanz,    
• Hochschule Offenburg 

Entwicklung und Validierung eines miniaturisierten photonischen Biosensors
Neue Verfahren der Mikrostrukturierung, Dünnschichttechnologie und Materiealenwicklung in Silizium ermöglichen die Realisierung einer neuen Art von photonischen Biosensorsystemen. Diese ermöglichen die Analyse von Biomaterialien durch simultane Messung verschiedener Parameter (Transparenz, Reflexion, Fluoresezenz, Temperatur) und können sowohl für immobilisierte Systeme (wie z.B. protein-beschichtete Biochips) als auch für fluiden Stofftransport (z.B. isolierter Zellen) eingesetzt werden.
Durch die Steuerung der Kristallbildung von Silizium lassen sich Sensoren unterschiedlicher Permeabilität und innerer Struktur herstellen. Dadurch lassen sich Biomaterialien zuerst selektieren (mechanische Filterung aufgrund der Porengröße), im Sensor durch Absorption und Diffusion festhalten und dann optisch untersuchen. Durch die mögliche Strukturierung des Sensors als monolithischer Block kann so eine immense Verbilligung der Analysetechnik angestrebt werden.

Kompetenzschwerpunkte für dieses Teilprojekt liegen in der 

• Hochschule Furtwangen (Teilprojektleitung),    
• Hochschule Aalen 

Entwicklung und Validierung der 4D-Fertigungsmesstechnik in der Prozesskontrolle zur Herstellung geschliffener Freiformflächen

Mit der Herstellung von hochpräzisen Fertigungseinrichtungen zur Generierung von Freiformflächen wächst auch der Bedarf an die Prozesskontrolle zur Qualitätssicherung. Gegenwärtig werden hauptsächlich taktile mechanische Messverfahren zur 4D-Vermessung eingesetzt, die sowohl zeitaufwändig als auch in ihrer Genauigkeit eingeschränkt sind. In diesem Teilprojekt sollen neue interferometrische Verfahren zur Vermessung geschliffener Freifomflächen entwickelt und praxisnah erprobt werden.

Scannender optischer Kohärenztomograph mit schnellem Membranspiegel-Autofokus

Im Rahmen von Vorabeiten wurde ein optischer Scanning-Kohärenztomograph aufgebaut. Dabei handelt es sich um ein faseroptisches Weißlichtinterferometer, mit dem die geschliffene Glasoberfläche dreidimentsional abgerastert wird. Die dabei entstehenden ortsaufgelösten Informationen reichen bis in eine Tiefe von vielen Mikrometern des Objekts. Das Verfahren soll u.a. auch durch den Einbau eines schnell fokussierbaren adaptiven Membranspiegels auf die Möglichkeiten der Erfassung der Tiefenschädigung des Materials ausgedehnt werden.

Abbildender optischer Kohärenztomograph

Alternativ zum o.b. scannenden Verfahren soll der Kohärenztomograph auch mit einer abbildenden Weißlichtinterferometereinheit ausgestattet werden. Das Verfahren verspricht nicht nur erheblich kürzere Messzeiten sondern durch Verwendung einer preiswerteren Beleuchtungseinheit auch erhebliche Kostenvorteile.

Erprobung der Verfahren im Fertigungsprozess

Mit der Erzielung schneller und genauer und auch tiefenauflösender Daten sollen die Fertigungsprozesse Schleifen und Polieren auf ihre Geschwindigkeit, die Genauigkeit und die materialschonende Bearbeitung hin optimiert werden.  

Kompetenzschwerpunkte für dieses Teilprojekt liegen in der 

• Hochschule Aalen (Teilprojektleitung),    
• Hochschule Furtwangen,    
• Hochschule Konstanz