CARS-Mikroskopie

CARS steht für "Coherent Anti-Stokes Raman Scattering". Es handelt sich um eine nichtlineare Raman-Spektroskopiemethode, bei der nicht nur mit einem Anregungslaser gearbeitet, sondern mit einem zweiten, rotverschobenen Laser die Probe bestrahlt wird.

Von Dr. Jakob Bierwagen, AHF analysentechnik AG

Die Frequenzverschiebung des zweiten Lasers ist so gewählt, dass sie den Energieunterschied zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Schwingungszustand einer bestimmten Raman-Linie des Moleküls, welches man sich anschauen will, entspricht. Dadurch kommt es zum kohärenten Bevölkern des in der Regel fast leeren angeregten Schwingungszustands. Von dort wird das Molekül erneut, nun in einen höheren virtuellen Zustand befördert. Anschließend kann das Molekül wieder in den Grundzustand, wobei es dabei ein Photon mit mehr Energie abgibt – die sogenannte Anti-Stokes-Linie.

Der Prozess ist kohärent, weil die Bevölkerung des schwingungsangeregten Zustands in einem kohärenten Prozess stattfindet, es handelt sich um eine Art „stimulierte Emission“ des virtuellen Zustands in den schwingungsangeregten Zustand. Durch diesen Prozess kann man das Anti-Stokes-Raman-Signal um bis zu Faktor 106 verstärken. Vorteil der Methode ist, dass die Anti-Stokes-Linie eine kürzere Wellenlänge hat als die Laserwellenlängen, weshalb man nicht mit Autofluoreszenz oder anderen Emissionsquellen beim Signal-/Rausch-Verhältnis konkurrieren muss und nur sehr wenig Hintergrund hat. Nachteilig ist, dass nicht alles von dem Signal von der kohärenten Anti-Stokes-Linie herrührt, weshalb die Linienbreite recht hoch ist und damit die Spezifität der Methode reduziert ist.

Die Methode kann nur im Durchlicht Modus betrieben werden, da die Anti-Stokes-Linie auch kohärent, also in die gleiche Richtung wie die beiden Anregungslaser emittiert wird. Trotz der starken Verstärkung des Signals durch die kohärente Anregung ist es trotzdem noch sehr schwach und die Quantenausbeute gering.

Um das Signal von den starken gepulsten Lasern abtrennen zu können, benötigt man Filter mit einer hohen optischen Dichte. Auch zum Einkoppeln der zwei Laserstrahlen werden spezielle Strahlenteiler benötigt. AHF kann Sie mit einem Set, speziell für CARS-Mikroskopie abgestimmten Filtern bei Ihrem Projekt unterstützen und hilft Ihnen gerne bei der Auswahl der richtigen Filter.