- AutorIn
- Jan Rix
- Titel
- Setup and application of a combined Brillouin-Raman system
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-829644
- Übersetzter Titel (DE)
- Aufbau und Anwendung eines kombinierten Brillouin-Raman-Systems
- Erstveröffentlichung
- 2023
- Datum der Einreichung
- 08.09.2022
- Datum der Verteidigung
- 19.12.2022
- Abstract (DE)
- Die Schwingungsspektroskopie ist ein etabliertes Verfahren in der Materialwissenschaft sowie in der biomedizinischen Forschung zur Untersuchung von probenspezifischen Eigenschaften. Sie nutzt die Wechselwirkung von Licht (Photonen) mit Schwingungsquanten (Phononen) aus, um materialspezifische Informationen zu erlangen. Die Ramanspektroskopie ist sensitiv gegenüber optischen Phononen und findet seit der Erfindung des Lasers rege Verwendung. Im Gegensatz dazu untersucht die Brillouinspektroskopie die akustischen Phononen. Sie kam lange Zeit jedoch nur vereinzelt in der Materialwissenschaft zum Einsatz, da sie auf Grund der sequentiellen Spektrenaufnahme sehr zeitaufwendig war. Erst kürzlich konnte durch die Verwendung von einem virtually imaged phased array (VIPA) als dispersives Element im Brillouinspektrometer die Messzeit drastisch verkürzt werden, wodurch auch ein Einsatz in der biomedizinischen Forschung möglich ist. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein kombiniertes Brillouin-Raman-System aufgebaut, welches eine zeitgleiche und ko-lokalisierte Aufnahme von Brillouin und Ramanspektren ermöglicht. Im Vergleich zu anderen Systemen, profitiert dieser Aufbau von der Verwendung zweier VIPAs mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen was zu einer Entkopplung der spektralen Achsen und damit zu sensitiveren Messungen führt. Außerdem ermöglicht dies eine eineindeutige Bestimmung von Brillouin-Verschiebungen. Darüber hinaus zeichnen die nahinfrarote Anregung bei 780 nm und die kontinuierliche Kalibrierung des Brillouinspektrums dieses System aus. In einer ersten Anwendung wurden mit diesem kombinierten System ferroelektrische Domänenwände in periodisch gepoltem Lithiumniobat untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass neben dem aus der Literatur bekannten Raman-Kontrast (Intensitätsvariation bei 635 cm−1) auch das Brillouinspektrum einen Unterschied zwischen der Domänenwand und einer flächigen Domäne aufweist (Verringerung der Brillouin-Verschiebung). Es konnte gezeigt werden, dass bestehende Theorien für den Raman-Kontrast auch verwendet werden können, um den Brillouin-Kontrast zu erklären. Kombinierte Brillouin-Raman Messungen verdeutlichten, dass beide Kontraste zu Bildgebungszwecken genutzt werden können. In einer zweiten Anwendung, wurde das System dazu genutzt, die Tumorbiologie von Glioblastomzellen zu charakterisieren. Die Kombination der beiden spektroskopischen Methoden erlaubte es, die biochemischen mit den biomechanischen Eigenschaften zu korrelieren. So konnte ermittelt werden, dass der Zellkern die höchste Steifigkeit innerhalb einer adhärenten Zelle aufweist. Ein Vergleich zwischen adhärent und als Sphäroid gewachsenen Zellen offenbarte, dass letztere eine signifikant höhere Steifigkeit aufweisen, was bei der Wahl eines geeigneten Tumormodells berücksichtigt werden sollte. Darüber hinaus konnte anhand der klinisch bedeutsamen IDH1-mutation gezeigt werden, dass sich auch der Genotyp einer Zelle auf die Biomechanik auswirkt. Kombinierte Messungen an Sphäroiden wiesen darauf hin, dass sowohl Proteine sowie indirekt auch Lipide maßgeblich die biomechanischen Eigenschaften beeinflussen. Die beiden Anwendungen verdeutlichen, welche Vorteile eine Kombination dieser beiden spektroskopischen Verfahren mit sich bringt. Ihre nicht-invasive, zerstörungs- und präparationsfreie Arbeitsweise bietet dabei die Grundlage für weitere Untersuchungen auch in anderen Anwendungsfelder.
- Abstract (EN)
- Vibrational spectroscopy is an established technique in materials science as well as in biomedical research for the investigation of sample-specific properties. It exploits the interaction of light (photons) with vibrational quanta (phonons) to obtain material-characteristic information. Raman spectroscopy is sensitive to optical phonons and has been used extensively since the invention of lasers. In contrast, Brillouin spectroscopy investigates acoustic phonons. However, for a long time it was only used sporadically in materials science as it was very time-consuming due to the sequential spectrum acquisition. Only recently, the use of a virtually imaged phased array (VIPA) as dispersive element in the Brillouin spectrometer has drastically reduced the measurement time, thus facilitating its application in biomedical research. In this dissertation, a combined Brillouin-Raman system was built, which allows simultaneous and co-localized acquisition of Brillouin and Raman spectra. Compared to other systems, this setup benefits from the use of two VIPAs with different free spectral ranges, which leads to a decoupling of the spectral axes and thus to more sensitive measurements. It further allows for an unambiguous determination of Brillouin shifts. Moreover, the near-infrared excitation at 780 nm and the continuous calibration of the Brillouin spectrum characterize this system. In a first application, ferroelectric domain walls in periodically poled lithium niobate were studied with this combined system. It was found that, in addition to the Raman contrast known from literature (intensity variation at 635 cm−1), the Brillouin spectrum also shows a difference between the domain wall and a bulk domain (decrease of the Brillouin shift). It could be shown that existing theories for the Raman contrast can also be applied to explain the Brillouin contrast. Combined Brillouin-Raman measurements demonstrated that both contrasts can be used for imaging purposes. In a second application, the system was used to characterize the tumor biology of glioblastoma cells. The combination of the two spectroscopic methods allowed the biochemical properties to be correlated with the biomechanical properties. Thus, it could be determined that the nucleus has the highest stiffness within an adherent cell. A comparison between adherent cells and cells grown as spheroid revealed that the latter exhibit significantly higher stiffness, which should be taken into account when choosing a suitable tumor model. In addition, clinically relevant IDH1 mutation was used to show that the genotype of a cell also affects biomechanics. Combined measurements indicated that proteins as well as in an indirect way also lipids significantly influence biomechanical properties. These two applications illustrate the advantages of combining the two spectroscopic techniques. Their non-invasive, non-destructive and preparation-free operation provides the basis for further investigations also in other fields of application.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Brillouin, Raman, Spektroskopie, Lithiumniobat, Glioblastom
- Freie Schlagwörter (EN)
- Brillouin, Raman, spectroscopy, lithium niobate, glioblastoma
- Klassifikation (DDC)
- 530
- Klassifikation (RVK)
- VG 9307
- GutachterIn
- Prof. Dr. Edmund Koch
- Prof. Dr. Martin Hofmann
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-829644
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 18.01.2023
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
- CC BY 4.0