Optofluidic Photonic Crystal Fibres for Biomedical Research in fibra
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Abstract
Hollow-core photonic crystal fibre (HC-PCF) features the unique possibility to guide a defined and bright optical mode in a low refractive index material. This is totally impossible in conventional optical fibres. Moreover, when filling PCF’s holey structure with liquid medium, the overlap of a dissolved or suspended sample with the light field is close to unity. At the same time the irradiance in the about 20 µm small fibre core is increased by several orders of magnitude compared to conventional opto-analytical techniques. In other words: HC-PCF turns into an outstanding optofluidic channel to allow unprecedented light-matter interaction along its length. The foundations of this thesis can be found throughout all of science and technology. An introductory review of the relevant fields of study will therefore be given. Within the framework of the emerging fields of biophotonics and optofluidics, I will then demonstrate two rather different applications of optofluidic PCFs for the advancement of the life sciences. Firstly, the unique properties of optofluidic PCFs are exploited for unchallenged long-range transportation of individual cells by radiation forces. Moreover, due to the confined space inside the core, shear forces on the cell surface are greatly enhanced and provoke deformation. This causes changes in propagation speed that are conveniently monitored using a non-imaging Doppler-velocimetric technique. Therefore, optofluidic PCFs represent a budding new tool for the investigation of cellular mechanics, which is an important indicator of a cell’s state of health. Secondly, optofluidic PCFs are used as microflow photochemical reactors. It becomes clear that upon microfluidic integration of the fibre, the efficiency of a mass-spectrometry-based analysis is drastically enhanced. This is particularly important for the screening and study of potential drugs for photoactivated chemotherapy. Pushing the limits further, it might eventually be possible to retrieve detailed information on their mechanism of action in situ. The presented new methods for cell biology and photochemistry demonstrate both the impressive potential and the versatile applicability of optofluidic PCFs. This creates a fundamentally new approach: biomedical research in fibra – in the fibre.
Abstract
Photonische Hohlkernfasern (engl.: hollow-core photonic crystal fibres – HC-PCFs) bieten die einzigartige Möglichkeit, eine wohldefinierte und lichtintensive optische Mode in einem Medium mit kleinem Brechungsindex zu leiten. Dies ist in einer konventionellen optischen Glasfaser ein Ding der Unmöglichkeit. Füllt man zudem die löchrige Struktur der Faser mit einer Flüssigkeit, so beträgt der Überlapp einer darin gelösten oder suspendierten Probe mit dem Lichtfeld fast 100%. Gleichzeitig ist die Strahlungsintensität im etwa 20 µm kleinen Faserkern im Vergleich zu konventionellen opto-analytischen Methoden um mehrere Größenordnungen erhöht. Mit anderen Worten: Die Hohlkernfaser verwandelt sich in einen exzellenten optofluidischen Kanal, der eine noch nie da gewesene Licht-Materie-Wechselwirkung entlang seiner Länge erlaubt. Die Grundlagen für die vorliegende Arbeit finden sich im gesamten Gebiet der Naturwissenschaft und Technik. Ich werde daher zunächst eine einführende Übersicht der für meine Studien wichtigen Themengebiete geben. Im Rahmen der aufstrebenden Forschungsgebiete Biophotonik und Optofluidik werde ich anschließend zwei ganz unterschiedliche Anwendungsmöglickeiten von HC-PCFs demonstrieren, die dazu dienen sollen die Forschung in den Lebenswissenschaften voranzutreiben. Zum einen werden die einzigartigen Eigenschaften optofluidischer PCFs ausgenutzt um mittels optischer Kräfte einzelne Zellen über bislang unerreichte Strecken zu transportieren. Durch die Enge im Faserkern wirken auf die Zelloberfläche erhöhte Scherkräfte, welche die Deformation der Zelle hervorrufen. Dies wiederum zieht eine Veränderung der Propagationsgeschwindigkeit nach sich, was wir auf praktische Weise mit einer bildgebungsfreien Doppler-Geschwindigkeitsmessung aufzeichnen. Aus diesem Grunde stellen optofluidische PCFs ein vielversprechendes neues Werkzeug für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften einer Zelle dar, die ein wichtiger Indikator für ihren Gesundheitszustand sind. Zum anderen werden optofluidische PCFs als photochemische Mikrodurchflussreaktoren verwendet. Dabei zeigt sich, dass sich durch die mikrofluidische Integration der Faser die Effektivität einer massenspektrometrischen Analyse drastisch steigern lässt. Dies ist von besonderer Bedeutung für das Screening von potentiellen Medikamenten für die lichtaktivierbare Chemotherapie. Wenn man die Grenzen der Methode weiter ausreizt, wird es letztlich vielleicht sogar möglich sein detailliertere Informationen über deren Wirkmechanismus in situ zu erhalten. Die vorgestellten neuen Methoden für die Zellbiologie und Photochemie demonstrieren sowohl das vielversprechende Potential als auch die vielseitige Anwendbarkeit von optofluidischen PCFs. Dies eröffnet eine fundamental neue Möglichkeit: Biomedizinische Forschung in fibra – in der Faser.