Dokument: Schnelle Bildgebung mit der Femtosekunden-stimulierten Raman-Mikroskopie
| Titel: | Schnelle Bildgebung mit der Femtosekunden-stimulierten Raman-Mikroskopie | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=40729 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20161216-090642-1 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Czerwinski, Lars Daniel David [Autor] | |||||||
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| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der schnellen Bildgebung durch Fem-tosekunden-stimulierte Raman-Mikroskopie (FSRM).
Raman-Mikroskopie erlaubt eine chemisch sensitive Bildgebung. Sie wird in den Lebens- und Materialwissenschaften eingesetzt. Ein geringes Signal bzw. lange Aufnahmezeiten schränken ihre Anwendungen ein. Das in unserer Gruppe entwickelte FSRM-Verfahren zielt auf eine Verkürzung dieser Zeiten ab. Bei der FSRM wird die Femtosekunden-stimulierte Raman-Streuung als Kontrastmechanismus bei der Bildgebung genutzt. Dabei wechselwirken zwei kurze Laserimpulse, der Probe- und Pump-Impuls, im mikroskopischen Objekt der Untersuchung. Ein intensiver, spektral schmalbandiger Pikosekunden-Impuls dient als Pump-Impuls und ein schwacher, spektral breitbandiger Femtosekunden-Impuls als Probe-Impuls. Im Fokus des Mikroskops erzeugt die Wechselwirkung zwischen Pump-, Probe-Impuls und der Probe die stimulierte Raman-Streuung, die sich als Intensitätsänderung auf den Probe-Impuls aufprägt. Durch referenzierte Messungen des Probe-Impulses, einmal mit und einmal ohne Pump-Impuls, lässt sich die spektrale Information aus dem Probe-Impuls über einen Vielkanaldetektor aufzeichnen. Das Rastern der Probe ermöglicht eine ortsaufgelöste Vermessung. In dieser Arbeit wurden Optimierungsarbeiten für die schnellere Messung bei gleichbleibendem Signal-zu-Rausch-Verhältnis an dem in unserer Gruppe entwickelten Mikroskopaufbau durchgeführt. Im Vordergrund stand die erfolgreiche Installation eines neuen Detektors mit einer 20-fach höheren Ausleserate. Der neue Detektor verträgt durch eine optimierte Kombination aus Auslesefrequenz und Kapazität pro Pixel viermal mehr Photoelektronen als der bisher verwendete Detektor. Die Erhöhung der Ausleserate erfordert auch eine neue An/aus-Modulation des Pumplichts. Es wird nun ein akusto-optischer Modulator eingesetzt. Ebenso wurde ein Detektorprototyp des IBIOS-Instituts der Universität Nottingham erfolgreich getestet und eine Kooperation für Weiterentwicklung des Detektors aufgebaut. Im Aufbau wurde die spektrale Einengung des Pump-Impulses durch den Einbau eines Reflexionsgitters angepasst und der Chirp des breitbandigen Probe-Impulses erfolgreich kompensiert. Für die ortsaufgelöste Vermessung der Probe wurde in dieser Arbeit die Rasterroutine von einer punktweisen zu einer kontinuierlichen Abrasterung angepasst. Die angepasste Rasterroutine in Verbindung mit einem Echtzeit-Rechner für die Datenaufnahme, verbesserte die Bildaufnahme für 1000000 Messpunkte um den Faktor ~100 von ~26 Stunden auf 15 Minuten. Nach den Modifikationen wurde ein viermal höheres Raman-Signal an der Referenzsubstanz Benzonitril gemessen. Dabei blieb mit einer 20-mal schnelleren Ausleserate das alte Signal-zu-Rausch-Verhältnis von ~14 erhalten. Es lassen sich Raman-Spektren innerhalb von nur 0,1 ms pro Pixel aufnehmen. Dies ist eine der schnellsten Messung eines derart breitbandigen Raman-Spektrums. Die schnelle Bildgebung wurde an einem Polymerblend aus Poly-Styrol-Co-Acrylnitril (SAN) und Polymethylmethacrylat (PMMA) demonstriert. Die Verteilung der beiden Komponenten wurde für Messzeiten von 1 ms und der aktuell kürzesten möglichen Messzeit von 0,1 ms pro Raman-Spektrum und Bildpunkt erfasst. Das Instrument wurde auch für die Untersuchung der Diffusion von Methanol in Polymethylmethacrylat eingesetzt. Für dieses System liegt noch keine einheitliche und abgeschlossene Erklärung des auftretenden Diffusionsmechanismus vor. Erste Messungen zeigen, dass man mit FSRM die Diffusion orts- und zeitaufgelöst verfolgen kann. Wegen eines zwischenzeitlichen Ausfalls des Lasers konnte die Messkampagne bisher nicht abgeschlossen werden.This thesis addresses rapid imaging with femtosecond stimulated Raman microscopy (FSRM). Raman microscopy is an imaging technique with intrinsic chemical contrast. It is applied in the life- and material-sciences. Raman scattering suffers from low signal intensity and thereby long acquisition times for recording a spectrum. FSRM aims at shortening these recording times. In FSRM, femtosecond stimulated Raman scattering is used as a contrast mechanism for imaging. Here, two short laser pulses, the probe pulse and the pump pulse, interact simultaneously with the sample to generate the stimulated Raman signal. An intense, spectrally narrow-band picosecond pulse serves as a pump pulse and a weak, spectrally broadband femtosecond pulse is used as a probe pulse. Within the focus of the microscope the interaction between the pump pulse, the probe pulse, and the sample generates the stimulated Raman signal, which is imprinted onto the probe pulse. Taking referenced measurements of the probe pulse, one with and one without pump the pulse, allows for recording the spectral information of the sample via a multi-channel detector. Rastering the sample enables a spatially resolved measurement. In this thesis, the setup was optimized for faster measurements at a constant signal-to-noise ratio. The main focus was on successfully installing a new detector with a 20-times higher read-out frequency. The new detector with an optimized combination of read-out rate and capacity per pixel tolerates a photon flux four times higher than the previous one. The increase of the read-out rate required a new on/off modulation of the pump light. An acousto-optic modulator (AOM) is now used for this modulation. A detector prototyped by the Institute of Biophysics, Imaging and Optical Science (IBIOS) at the University of Nottingham was successfully tested and a cooperation was established in order to further develop the detector. In the setup, the spectral narrowing of the pump pulse was adjusted by the installation of a reflection grating, and a successful compensation for the chirp in the broadband probe pulse and a new continuous raster scanning method were implemented. The adapted scanning routine, combined with a real-time computer for data acquisition, improved the recording times for 1000000 spatial pixel by a factor of ~100 – from ~26 hours to ~15 minutes. After these modifications, a four times higher Raman signal of a reference substance, benzonitrile, was measured. Retaining the previous signal-to-noise ratio of ~14, a 20-times faster readout was achieved. A Raman spectrum now can be recorded within only 0.1 ms. Currently this is one of the fastest measurements of such a broadband Raman spectrum. Fast imaging was demonstrated on a polymer blend of poly-styrene-co-acrylonitrile (SAN) and polymethyl methacrylate (PMMA). The spatial distribution of the two components recorded for measurement times of 1 ms and the currently shortest possible measuring time of 0.1 ms for a Raman spectrum. The instrument was also used to the study diffusion of methanol into polymethyl methacrylate (PMMA). So far, a consistent or complete explanation of the diffusion mechanism does not exist for this system. First measurements indicate that with FSRM diffusion may be traced in space and time. Because of an intermitted outage of the fs-laser the project could not yet be brought to completion. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Physikalische Chemie und Elektrochemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 16.12.2016 | |||||||
| Dateien geändert am: | 16.12.2016 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 06.11.2016 | |||||||
| Datum der Promotion: | 18.11.2016 |
