Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie

Schnelle Kamera für den Blick in die Zelle

Die Kamera pco.flim der PCO AG aus dem niederbayrischen Kelheim erschließt für viele Anwendungen in der biomedizinischen Forschung das sogenannte Fluorescence Lifetime Imaging.

Die Kamera pco.flim der PCO AG erschließt für viele Anwendungen in der biomedizinischen Forschung das sogenannte Fluorescence Lifetime Imaging. (Bild: PCO AG)

Dr. Gerhard Holst, Forschungsleiter bei PCO: „Die pco.flim haben wir mit großer Ausdauer und der Unterstützung von Forschungsprojekten in den letzten acht Jahren zur Serienreife gebracht. Mit dieser Entwicklung untermauert PCO einmal mehr seine Stellung als einer der weltweit führenden Hersteller wissenschaftlicher Kameras.“

Das Geheimnis der Kamera steckt in ihrem Sensor: die Ladungsschaukel. In herkömmlichen Kamerachips erzeugt das Licht Ladungsträger, die in einem Ladungstopf – einem pro Pixel – gesammelt werden. Die Elektronik misst die Summe der Ladungsträger und damit die Helligkeit in dem Bildpunkt. Die pco.flim besitzt erstmals pro Pixel zwei solcher Ladungstöpfe, die sich blitzschnell umschalten lassen. Damit ist es möglich, nicht einfach nur die Summe des Lichts zu messen, sondern die Lichtinformation in ihrem zeitlichen Verlauf abzutasten.

Das ist besonders wertvoll für die Fluoreszenzmikroskopie, die in der Zellforschung und Molekularmedizin weit verbreitetet ist. Dabei färbt man zum Beispiel Krebszellen mit einem Fluoreszenzfarbstoff ein. Dieser gibt Fluoreszenzlicht ab, wenn er mit einer Lichtquelle, etwa aus einer Laserdiode, beleuchtet wird. Die Helligkeitsverteilung liefert Informationen über den Aufbau und die Stoffwechselvorgänge in der Zelle.

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Die meisten Fluoreszenzmikroskope sind mit Kameras bestückt, die nur diese Helligkeitsverteilung messen. Weit seltener und anspruchsvoller ist die Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (engl. Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, kurz FLIM). Dabei wird das anregende Licht moduliert, worauf auch der Farbstoff in der Zelle moduliertes Licht mit einer leichten zeitlichen Verzögerung aussendet. Diese Verzögerung liefert weitere wertvolle Informationen über Stoffwechselvorgänge in der Zelle. Kameras, die auch den zeitlichen Verlauf des Lichtsignals abtasten, waren bisher allerdings nicht ausreichend schnell und erforderten weitere Zusatzausrüstung. Wegen der eingeschränkten Ergebnisse und der hohen Kosten ist FLIM eine Nischenanwendung geblieben.

Das soll sich jetzt mit der pco.flim ändern. Sie ist die erste Kamera, die alle Anforderungen vereint: Mit einer Auflösung von 1008 x 1008 Pixeln schießt sie scharfe Bilder, wobei sich die Pixel mit bis zu 40 MHz schalten und mit der Modulation des anregenden Lichts synchronisieren lassen. Damit macht die Kamera selbst Verzögerungen von unter 100 ps zwischen anregendem Licht und Fluoreszenzlicht sichtbar. Außerdem erfordert die pco.flim nur geringen zusätzlichen apparativen Aufwand. Ein FLIM-Mikroskop mit der PCO-Kamera kostet deshalb weniger als die Hälfte bisheriger Konstruktionen – bei höherer Leistung.

Das Kelheimer Unternehmen stellt die pco.flim offiziell auf der 14th Conference on Methods and Applications of Fluorescence vor, die vom 13. bis 16. September 2015 in Würzburg stattfindet.

Die wichtigsten Parameter im Überblick:

• 1008 x 1008 Pixel Auflösung
• 90 Doppelbilder pro Sekunde
• Modulationsbandbreite 5 kHz bis 40 MHz
• Modulation Sinus und Rechteck
• 13 Elektronen Ausleserauschen (med)
• >1000 : 1 Dynamik
• 39 % Quantenwirkungsgrad
• Rolling Shutter Auslesemodus

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