Unsere Gruppe nutzt Brillouin-Mikroskopie, um die viskoelastischen Eigenschaften biologischer Proben durch photoakustische Interaktionen auf der Gigahertzskala zu messen.

Dabei wird ein Laserstrahl auf den Messbereich fokussiert. Dort erzeugen lokale Dichteunterschiede, die durch mikroskopische Fluktuationen entstehen, Druckwellen, die sich als akustische Wellen ausbreiten. Das einfallende Licht wird dabei an den akustischen Wellen gestreut. Während das meiste Licht elastisch gestreut wird (Rayleigh-Streuung), wird ein kleiner Teil inelastisch gestreut (Brillouin-Streuung), was zu einem Energieaustausch und einer entsprechenden Frequenzverschiebung führt. Die lokale Schallgeschwindigkeit, die aus dieser Frequenzverschiebung abgeleitet werden kann, ist proportional zum Speichermodul und gibt Hinweise auf die Elastizität des Materials. Die Linienbreite des Brillouin-Peaks im Spektrum ist proportional zur Dämpfung der Schallwelle und steht im Zusammenhang mit dem Verlustmodul, was Hinweise auf die Viskosität des Materials gibt. Durch die Kartierung der Frequenzverschiebung und der Linienbreite können wir die mechanischen Eigenschaften des untersuchten Bereichs sichtbar machen.

Wir nutzen Brillouin-Mikroskopie zur Untersuchung viskoelastischer Eigenschaften verschiedener biologischer Systeme, darunter Zellen und subzelluläre Kompartimente (1), sowie das zentrale Nervensystem (ZNS) von Zebrafischlarven in vivo, um mechanische Veränderungen nach einer Rückenmarksverletzung zu erforschen (2, 3).

Mit Kenntnis der lokalen Dichteverteilung und des Brechungsindex der Probe ist es zudem möglich, die absoluten Werte der Speicher- und Verlustmodule zu bestimmen. Angespornt durch diese Möglichkeiten haben wir ein Mikroskopie-Setup entwickelt, das Brillouin-Mikroskopie mit Optical Diffraction Tomography (ODT) und Fluoreszenzmikroskopie kombiniert. Dieses integrierte Setup ermöglicht die gleichzeitige Analyse der Brillouin-Frequenzverschiebung und Massendichte, mit einer Spezifität auf fluoreszenzmarkierte Strukturen.