DE202008000954U1 - Femtosekunden-Lasersystem zur Materialbearbeitung - Google Patents

Abstract

Lasermikroskop zum optischen Gentransfer, bestehend aus
1. Aufbau des Lasermikroskopes 1 Femtosekunden-(NIR-)Laser mit Laserkopf und Lasersteuerung 2 Dispersions-Kompensationseinheit zum Erreichen einer Pulsdauer < 20 fs in der Objektebene 3 Kurzzeit-Verschluss 4 Strahlformungs- und Ablenkeinheit mit Leistungsstelleinheit, Galvoscanner und Einkoppeloptik 5 Mikroskop mit Präparatehalterung mit Kreuztisch (x, y Verstellung) z-Feinverstellung, Fokussieroptik, Video- Adapter, CCD-Kamera 6 Steuereinheit für das Gesamtsystem dadurch gekennzeichnet, dass
2. der gepulste Laserstrahl mit einer Pulsdauer von < 20 fs in der Objektebene über die Baugruppen 1 bis 4 in das Mikroskop eingekoppelt wird
3. ein Bild eines biologischen Objektes, z. B. einer lebenden Zelle oder eines Zellverbandes, mittels einer an das Mikroskop über einen Videoadapter angekoppelten CCD-Kamera erzeugt wird
4. durch die Präparatehalterung des Mikroskops und der Scan-Einheit (Feinverstellung) in der Ebene und mit der Feinverstellung des Mikroskops in der Tiefe die zu bearbeitende Objektstelle des biologischen Objektes (i....

Description

• Stand der Technik mit Fundstellen
• Die präzise Materialbearbeitung mit Femtosekundenlasern spielt inzwischen eine bedeutende Rolle insbesondere im Bereich der Nano- und Mikrostrukturierung. Von großem Interesse sind insbesondere Laser im nahen infraroten Bereich, die mittels Multiphotonenprozesse auch eine Beabreitung von transparenten Materialien und dien Bearbeitung im Materialinneren ermöglichen.
• So ist auch die Bearbeitung von transparenten biologischen Objekten möglich. Dem Transfer von Zellbestandteilen wie DNA, RNA und Proteinen in Zellen in vivo kommt in der medizinischen und biologischen Forschung, besonders in der aktuellen Stammzellenforschung, eine immer größere Bedeutung zu.
• Hierzu ist es oftmals erforderlich, die Zellwand zu penetrieren und die genannten Biomaterialien durch die Öffnung in das Zellinnnere zu schleusen.
• Für das Bohren, Schneiden und die Ablation fester Materialien werden nach dem Stand der Technik Femtosekundenlaser-Mikroskope mit eingekoppelten Femtosekunden-Lasern verwendet, die jedoch infolge Dispersion lange Pulsbreiten von mehreren hundert Femtosekunden aufweisen.
• Geschützt werden soll eine Anordnung für die Lasermikroskopie auf der Basis von destruktiven Multiphotonen-Prozessen mittels intensiver naher infraroter (NIR) sub-20 Femtosekunden-Laserstrahlung. Die Strahlung des Femtosekunden-Lasers wird mit einer Fokussieroptik hoher numerischer Apertur auf das Target mit einem geringen Beleuchtungsspot fokussiert. Durch die Applikation hoher transienter Lichtintensitäten im TW/cm2-Bereich werden Bearbeitungsprozesse, z. B. Materialabtragungen, Schneideffekte und Bohrungen, ausgelöst. Durch die hohe Präzision können Eingriffe im Bereich kleiner ein Mikrometer, wie z. B. die optische Herstellung einer kleinen Öffnung in der Zellmembran ohne kollaterale Schäden realisiert werden. Durch Verschiebung des Laserfokus kann die optische Bearbeitung auch im Targetinneren ohne eine notwendige Zerstörung der Targetoberfläche erreicht werden.
• Strahlung von Femtosekundenlasern wird bislang vorwiegend im diagnostischen Bereich eingesetzt. Insbesondere wird die mittels NIR Femtosekundenlaserstrahlung induzierte Zweiphotonenfluoreszenz und Second Harmonic Generation (SHG) für eine dreidimensionale Mikroskopie biologischer Objekte genutzt. Zudem werden Femtosekundenlaser für die Diagnostik mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) eingesetzt.
• NIR-Femtosekundenlaser für die optische Bearbeitung mit einer Präzision im Sub-Millimeterbereich werden bislang lediglich für die Corneabehandlung kommerziell eingesetzt. Dabei werden Multiphotonen-Prozesse wirksam, die zu einer Ionisierung des Targets, einem optischen Durchbruch, einer Plasmabildung und zur Entstehung disruptiver Prozesse wie die Ausbildung und den Zerfall von Kavitätsblasen und die Generation von Schockwellen führen und für eine Materialbearbeitung genutzt werden können. Durch die beugungsbegrenzte Fokussierung der Laserstrahlung mit Fokussieroptiken einer hohen NA > 1 auf Beleuchtungsspots unter einem Mikrometer Durchmesser reichen NIR-Laserpulse geringer Nanojoule-Pulsenergie aus, um den Schwellwert für den optischen Durchbruch im typischen Bereich um 1 TW/cm2, um Materialbearbeitungen vorzunehmen. Es wurde demonstriert, dass durch die Anwendung von multiplen ~1 nJ Pulsen, Schneidwirkungen und Bohrungen im Sub-200 Nanometerbereich ohne Kollateralschäden realisiert werden können (König. Opt. Lett. Optics Express, LeHarzic et al. Optics Express, Tirlapur&König. Nature 2003).
• Zusätzlich zur medizinischen Anwendung im Bereich der Behandlung des vorderen Augenabschnittes existieren Femtosekundenlaser-Anordnungen für die präzise Oberflächenbearbeitung von Halbleitern und anderen Werkstoffen. Übliche Pulsdauern sind 250 fs–500 fs. Es besteht das Problem der ungewünschten Pulsverbreitung ultrakurzer Pulse bei Transmission durch Glas wie z. B. durch die Fokussieroptik, infolge der Dispersion. Mit aufwendigen Anordnungen aus Prismen oder Gittern lassen sich die Pulse wieder komprimieren. Dies gilt jedoch nur für Pulsbreiten grösser 30 fs. Die Anordnungen sind schwer zu justieren, komplex aufgebaut und verursachen Strahlrichtungsschwankungen.
• Die Materialbearbeitung auf der Basis von Multiphotonen-Ionsiation und Plasmabildung würde effektiver verlaufen, wenn Pulse im Bereich kleiner 20 fs am Target zur Verfügung stehen würden.
• Bislang existieren keine kommerziellen kompakten Lasermikroskope für die Materialbearbeitung, die Pulsbreiten kleiner 20 Femtosekunden nach Transmission durch die Fokussieroptik hoher numerischer Apertur bereitstellen.
• Problem
• Derzeitige Femtosekundenlasermikroskope für die Materialbearbeitung verwenden ungünstige lange Pulsdauern von mehreren hundert Femtosekunden. Die Materialbearbeitung würde wesentlich effizienter erfolgen, wenn es gelingt, eine Pulsdauer im Bereich kleiner 20 Femtosekunden am Traget zu realisieren.
• Lösung
• Gegenstand der Anmeldung ist ein Geräteaufbau, der Sub-20 Femtosekundenpulse am Target bereitstellt.
• Zur Auswahl der zu bearbeitenden Zellen wird z. B. eine CCD-Kamera, die an ein Mikroskop gekoppelt ist, verwendet.
• Durch die Einkopplung eines Femtosekundenlasers mit Pulsbreiten von < 20 fs in Kombination mit einer spezifischen Spiegelanordnung und einem Mikroskop mit spezifische Baugruppen für die Strahlformung, Strahlablenkung und -einkopplung, wird das Problem gelöst.
• Wissenschftliche Publikation.: A. Uchugunova, A. Isemann, K. König „Targeted transfection of stem cells with sub-20 femtosecond laser pulses" SPIE-Proceedings 2008 in Druck
• Erreichte Vorteile
• Mit dieser Gerätetechnik kann durch Multiphotoneneffekte in einem Sub-femtoliter- Volumen mit einer mittleren Laserleistung < 10 mW kurzzeitig eine Öffnung im Sub-μm-Bereich in der Zellmembran erzeugt werden, durch die die genannten Biomaterialien in die Zelle eingeschleust werden können. Die Positionierung des Laserstrahls auf der Probe (Zellbereich) erfolgt zum einen durch die (x, y) Verstellung des Mikroskopes (Präperatehalterung) und zum anderen mit Hilfe einer hochgenauen Scan-Einheit (Feinverstellung), so dass Ablationen, Bohrungen durch Zellmembranen und Schneidvorgänge mit Sub-μm-Genauigkeit durchgeführt werden können. Die optische Nano-Transfektion der Zellmembran ist mit Belichtungszeiten im ms-Bereich und mittlerer Laserleistung < 10 mW möglich.
• Nach der Laserbearbeitung tritt auf Grund der geringen, die Zelle nicht schädigenden mittleren Laserleistung ein „Selbstheilungsprozess" der Zelle ein, durch den sich die Öffnung wieder verschließt. Im Zeitraum zwischen Öffnung der Zellmembran und dem spontanen Wiederverschließen können Makromoleküle wie, DNA, RNA sowie Proteine in die Zelle von außen eindringen.
• Beschreibung und Ausführungsbeispiele
• Wie in 1 dargestellt besteht das Lasersystem zur Materialbearbeitung einschliesslich zum optischen Gentransfer aus den Komponenten:

1

Sub-20-Femtosekunden-Laser, bestehend aus Laserkopf und Lasersteuerung

2

Dispersions-Kompensationseinheit

3

Kurzzeit-Verschluss

4

Strahlformungs- und Ablenkeinheit mit Leistungsstelleinheit, Galvoscanner und Einkoppeloptik

5

Mikroskop mit Präparatehalterung mit Kreuztisch (x, y Verstellung), z-Feinverstellung, Fokussieroptik, Video-Adapter, CCD-Kamera

6

Steuereinheit

• Der Strahl des FS-Lasers (1) wird über die Dispersions-Kompensationseinheit (2) und den Kurzzeitverschluss (3) auf die Strahlformungs- und Ablenkeinheit (4) geleitet. Durch den Galvoscanner wird der Laserstrahl in 2 Koordinaten abgelenkt und durch die Einkoppel- und Fokussieroptik in einer Ebene des Objektes gebündelt.
• Mit geringer Laserleistung im cw-Betrieb wird bei geöffnetem Kurzzeitverschluss der Objektbereich durch das Mikroskop mittels über Video-Adapter angepasster CCD-Kamera sichtbar gemacht. Der Laserstrahl wird durch die Steuereinheit (6) und der Präparatehalterung des Mikroskops in der Ebene (x, y) und mittels z-Feinverstellung des Mikroskopes in der Tiefe positioniert.
• Nach Schließen der Kurzzeitverschlusses wird der Laser in den Pulsmodus umgeschaltet, wodurch bei kurzzeitiger (ms) Öffnung des Kurzzeitverschlusses die energiereiche gepulste Laserstrahlung an der ausgewählten Objektstelle durch Multiphotonenprozesse die gewünschte Bearbeitung punktweise (Penetration), entlang einer Linie (Schneiden) oder flächig (Ablation) auslöst.
• Es soll eine Anordnung geschützt werden, die sich durch kompakte Bauweise auszeichnet und eine Lasermaterialbearbeitung mit multiplen Pulsen geringer sub-20 fs Pulsbreite und geringer Pulsenergie ermöglicht. Dies gelingt erfindungsgemäss durch die Verwendung eines konventionellen Mikroskops in Kombination mit einem Femtosekundenlaser geringer sub-20 fs Pulsbreite und einer zwischengeschalteten kompakten Pre-Dispersions-Kompensations-Einheit, die aus zwei dispersiven (gechirpten) Multilayer-Spiegeln besteht. Die Spiegel sind mit multiplen ⎕/4 Schichten beschichtet, die sich dadurch auszeichnen, dass langwellige Strahlung tiefer in den Spiegel eindringt als kurzwellige. Dies verursacht einen sogenannten negativen Chirp der zur Korrektur des durch die Glaswege verursachten positiven Chirp eingesetzt werden kann. Dieser Spiegelkompressor ermöglicht die Korrektur der Dispersion auch höherer Ordnung. Er ist äusserst kompakt und verursacht keine Strahlrichtungs-Schwankungen. Eine Reflexion innerhalb dieser Spiegelanordnung kompensiert die Pulsverbreiterung, die bei Durchgang von etwa 1 cm Glas entsteht. Wenige Reflexionen reichen aus, um die Dispersion des gesamten optischen Systems einschliesslich Strahlabschwächer, Strahlverbreiterungsoptik, Scanoptik, Tubuslinse und Objektiv mit typischen Dispersionswerten bis zu 5000 fs2 zu kompensieren. Erfindungsgemäss soll die Anzahl der Reflexionen mittels Mikrometerschrauben an der Spiegelanordnung verstellbar sein, so dass auch der Wechsel der Objektive oder das Einbringen zusätzlicher Glaswege in den Strahlengang eine Kompensation der veränderten Dispersion ermöglicht.
• Die zu schützende Anordnung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
• An ein Fluoreszenzmikroskop (5) mit piezogesteuertem Objektiv hoher numerischer Apertur grösser 1 wird am Sideport eine Anordnung (4) bestehend aus einem x,y-Galvoscanner, einer Aufweitungsoptik, einer Scanoptik, einem schnellen Shutter und einem motorisierten Strahlabschwächer montiert. Am Frontport befindet sich eine Videokamera, die eine Targetsuche und die on-line Beobachtung der Laserbearbeitung ermöglicht. Das Target befindet sich auf einem verstellbaren Tisch (5), der auch motorgesteuert sein kann. Die Strahlung eines sub-15 Femtosekundenlasers (1) wird durch ein wenige Zentimeter langes Pre-Dispersions-Modul (2) geschickt, das die dispersiven Spiegel enthält und so eingestellt ist, das es die Pulsverbreiterung im Mikroskop kompensieren kann. Dann wird die Strahlung in die Anordnung eingekoppelt. Wird ein 75 MHz Laser und ein Objekt 40×, NA 1.3 verwendet, kann Laserstrahlung sehr geringer mittlerer Leistung von weniger als 10 mW ausreichen, Materialabtragungen, Schnitte und Bohrungen zu realisieren.
• Die Anordnung wurde genutzt, um beispielsweise transiente Nanoporen in der Membran von Stammzellen zu erzeugen, die die Diffusion von Fremd-DNA aus dem extrazellulären Medium ermöglichten. Die in das Zytoplasma eingeschleuste Fremd-DNA wurde während der Mitose in die eigene DNA integriert. Dies wurde für die Herstellung von grün fluoreszierenden Zellbestandteilen genutzt.
• Die Abbildung 2 dokumentiert einen Messaufbau mit Autokorrelator und nichtlinearem Photodetektor zur Messung der Pulsbreite am Probenort.
• Der eigentliche Aufbau (1) zur Nano/Mikrobearbeitung besteht aus dem Laser mit dispersiver Spiegeleinheit, dem Shuter, Strahlabschwächer, Scanner mit Scanoptik, Strahlaufweiter (Teleskop) und em Mikroskop mit Videokamera und eventuell Photomultiplier ohne Autokorrelator.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• - König. Opt. Lett. Optics Express, LeHarzic et al. Optics Express, Tirlapur&König. Nature 2003 [0007]
• - A. Uchugunova, A. Isemann, K. König „Targeted transfection of stem cells with sub-20 femtosecond laser pulses" SPIE-Proceedings 2008 in Druck [0014]

Claims (1)

1. Lasermikroskop zum optischen Gentransfer, bestehend aus 1. Aufbau des Lasermikroskopes 1 Femtosekunden-(NIR-)Laser mit Laserkopf und Lasersteuerung 2 Dispersions-Kompensationseinheit zum Erreichen einer Pulsdauer < 20 fs in der Objektebene 3 Kurzzeit-Verschluss 4 Strahlformungs- und Ablenkeinheit mit Leistungsstelleinheit, Galvoscanner und Einkoppeloptik 5 Mikroskop mit Präparatehalterung mit Kreuztisch (x, y Verstellung) z-Feinverstellung, Fokussieroptik, Video- Adapter, CCD-Kamera 6 Steuereinheit für das Gesamtsystem dadurch gekennzeichnet, dass 2. der gepulste Laserstrahl mit einer Pulsdauer von < 20 fs in der Objektebene über die Baugruppen 1 bis 4 in das Mikroskop eingekoppelt wird 3. ein Bild eines biologischen Objektes, z. B. einer lebenden Zelle oder eines Zellverbandes, mittels einer an das Mikroskop über einen Videoadapter angekoppelten CCD-Kamera erzeugt wird 4. durch die Präparatehalterung des Mikroskops und der Scan-Einheit (Feinverstellung) in der Ebene und mit der Feinverstellung des Mikroskops in der Tiefe die zu bearbeitende Objektstelle des biologischen Objektes (i. a. Zelle oder Zellmembran) in den Fokus der Laserstrahlung eingestellt werden kann 5. durch einen Kurzzeitverschluss die Objektstelle (z. B. die Zellmembran) in vivo kurzzeitig (im ms-Bereich) der gepulsten Laserstrahlung ausgesetzt werden kann und damit eine optische Bearbeitung erfolgt 6. ein Einschleusen von Makromolekülen wie DNA, RNA sowie Proteinen in die Zelle von außen im Zeitraum der Zellöffnung erfolgen kann