Ämnesspecific djupskanning för insitu 3D avbildning – InFeRa

Publicerad: 23 oktober 2018

Projektet InFeRa startar Januari 2019 genom finansiering av Stiftelsen för Strategisk forskning (SSF). Inom projektet kommer en ny avblidningsmetod kallad InFeRa att utvecklas.

Inom livsvetenskaper, medicin, materialutveckling, miljöforskning och industri finns det ett  stort behov av tredimensionella  ämnesspecifika bilder tagna direkt i brusiga miljöer. I livsvetenskaper skall bland annat undersökas hur vissa molekyler triggar vissa förändringar i levande material. I medicin är det av stort intresse att särskilja cancervävnad från frisk vävnad. I materialutveckling vill man undersöka hur en viss molekyl förändrar materialegenskaper. I miljöforskning och industri vill man veta hur till exempel förbränningsprocesser sker. Med InFeRa sker bildtagning med minimal påverkan på provet medan processer pågår. I dagslägen måste mätobjektet tas ur försöksuppställningen eller kroppen, färgas in, och ofta förstöras för att kunna analyseras. Den nya avbildningsmetoden InFeRa kommer att sammankoppla rumsligt koherent interferometrisk (InFe) avbildning - som ger djupupplöst information om struktur inuti optiskt spridande objekt - med simultan stimulerad Raman spridning (Ra) - som ger ämnesspecifik information. InFeRa kommer att undanröja behovet av separata, kostsamma och tidskrävande kemiska och enzymatiska in vitro metoder som förstör eller påverkar provet.

Genombrottet inom projektet är ett i Sverige paketerat instrument som levererar information om

  • simultan 3D visualisering av inbäddade strukturer,
  • formation/deformation,
  • biokemiska processer,
  • produktion och mängd av specifika ämnen,
  • strukturella förändringar orsakad av specifika ämnen.

Förutom rumslig koherent interferometrisk avbildning och SRS kommer uppställningen också att innehålla en rumslig ljusmodulerare. Det är en programmerbar projektor som genererar ett förutbestämt ljusmönster. En schematisk bild av uppställningen kan ses i figur 1.

InFeRa_setup
Fig. 1. Skiss av principen av det föreslagna instrumentet som visar pump lasern (PLS), stråldelare (BS), en rumslig ljusmodulerare (SLM), avbildningslaser (ILS), en dikroisk spegel (DM), linser, och olika gitter (G1, G2).

InFeRa kommer i detta projekt att testas på bioelektrokemiska system (BESs) där mikrober används för att katalysera olika elektrokemiska reaktioner för olika ändamål. Geobacter – en viss typ av bakterie - är känd för att bilda tjocka biofilmer på bioanoder. I projektet görs experiment med bakterien Geobacter sulfurreducens som växer som en biofilm på anoden av en BES för att undersöka direktelektronöverföring mellan katoden och bakterierna. Målet är att studera energiöverföring, molekylsignalering, aktivitet, reaktioner på miljöbyten, tillväxt och åldrande av biofilmen; en viktig teknik för framtida energiförbrukning och alstring. Detta sker i samarbete med Dr Magnus Sjöblom, Avdelningen för Kemiteknik vid Institutionen för Samhällsbyggnad och naturresurser.

Första Raman mätningar har utförts och fig 2 visar resonans Raman spektra av en Geobacter biofilm på en grafitelektrod.

InFeRa_spectra
Fig. 2) Rådata av resonans Ramanspektra av en geopacter bakterie biofilm på en grafitelektrod. Den svarta grafen visar grafitelektroden utan bakterier. De svarta linjerna indikerar oxidationsmarkörerna av cytochrome c.

I dessa preliminära experiment har de första viktiga Ramantopparna som reagerar på spänningsförändringar kunnat identifieras. Det är oxidationsmarkörerna av cytochrome c - ett hemprotein som fungerar som elektrondonator i mitokondrier. Ramansignalen kan ses vid 750 cm-115), 1364 cm-14), 1589 cm-119), 1638 cm-110). De lovande första resultaten är en viktig del för att kunna framgångsrikt genomföra projektet InFeRa och antyder vilka vågländer vi skall använda i systemet.

Ett första InFeRa liknande koncept har undersöks i vår grupp där stimulerad Raman spridning kombinerades med digital holografisk avbildning. Preliminära resultat utförda på metangas visas i fig 3. I denna uppställning belyste den ena lasern (här kallad Stokes) på ett diffust sätt, medan den andra lasern (pump lasern) var fokuserad i en punkt. Då de båda lasrarna sammanträffade i provet uppstod det en stark stimulerad Raman förstärkning (ca 500%), se vänster del av fig 3.  Genom att flytta provet i ett led kunde en mätserie genomföras. I detta fall bestod provet av en kall metanflamma. Genom att avbilda fasen med digital holografi (bara Stokes laser användes) kunde variationer i brytningsindex beräknas, se mitten av fig 3. Datat kunde användas för att beräkna antalet metanmolekyler både genom stimulerad Raman spridning och digital holografi, se höger sida av fig 3. Experimenten visar att konceptet InFeRa fungerar. Den teoretiska ansatsen, signalanalysen, den nya optiska uppställningen och 3D skanning skall nu utrönas och realiseras inom projektet.

InFeRa_trippelimage
Fig 3) Till vänster, SRS förstärkningen då pumplasern möter Stokeslaser inuti en behållare med metangas. Mitten, fasbild av en kall gasflamma som möjliggör uträknandet av förändring I brytningsindex. Till höger, molekylkoncentrationen beräknad med hjälp av förändringen I brytningsindex.

Målet inom tre år är ett lätthanterligt avbildningsinstrument som kan implementeras i olika miljöer med en robust kombination av lasrar och detektorer utrustad med en mjukvara som omvandlar multiplexa signaler till lättförståeliga 3D bilder. Användningsområden är bioelektrosyntes, som demonstreras inom projektet, övervakning av 3D skrivare, förbränningsvetenskap, materialvetenskap, medicinsk teknik, cancerdetektion, livsvetenskaper och industri.