07.11.2023
Es wurde ein neuartiger Ansatz basierend auf der Low-Rank-Matrixrekonstruktion eingeführt und in Verbindung mit Rasterkraftmikroskopie-basierender Infrarotspektroskopie (AFM-IR) angewandt, wodurch eine hocheffiziente hyperspektrale Infrarot-Nanobildgebung ermöglicht wird. Sein praktischer Nutzen wurde am Beispiel der Leishmania-Parasiten als eine realistische Probe von biologischer Bedeutung demonstriert.
Die hyperspektrale Infrarot-Bildgebung hat sich in den Material- und Biowissenschaften als leistungsstarke Technik bewährt. Dennoch erweist sich ihre Anwendung in der modernen Nanoimaging-Technologie aufgrund ihrer Abhängigkeit von sequenziellen Datenerfassungsschritten als unpraktikabel. Um dieses Problem anzugehen, haben sich die Arbeitsgruppen "IR-Spektrometrie" und "Datenanalyse und Messunsicherheit" im Rahmen eines DFG-Projekts in Zusammenarbeit mit der FU Berlin, dem "Global Health and Tropical Medicine Institute" und der Nova Universität in Lissabon zusammengeschlossen.
Es wurde ein sogenanntes AFM-IR-Instrument verwendet, bei dem gepulste IR-Strahlung von einem Quantenkaskadenlaser (QCL) zu einer wellenlängenabhängigen Absorption, Erwärmung und Ausdehnung der Probe führt. Dies kann von der Sonde eines Rasterkraftmikroskops (AFM) erfasst werden, die von einem Ablenklaser (DF) in Kombination mit einer Vier-Quadranten-Photodiode (FQD) ausgelesen wird (siehe Bild).
Für die Demonstration der Methode an Leishmania-Parasiten wurde der mittlere Infrarot-Spektralbereich von 1300 bis 1900 cm-1 verwendet. Dier räumliche Auflösung betrug 220 nm für das Nanoimaging einzelner Parasiten. Es wurde eine k-means-Cluster-Analyse durchgeführt, um chemisch unterschiedliche räumliche Regionen zu identifizieren. Anschließend wurde der gemessene Datencube, der aus 134 (x) X 50 (y) X 148 (spektrale) AFM-IR-Messungen bestand, auf nur 10 % seiner ursprünglichen Größe reduziert. Mithilfe der Low-Rank-Matrixrekonstruktion wurde danach der komplette Datensatz wieder hergestellt. Es konnt eeine gute Übereinstimmung innerhalb der Clusterregionen zwischen den vollständigen und den rekonstruierten Datencubes gezeigt werden. Zusätzlich wurde nachgewiesen, dass die Ergebnisse der Low-Rank-Matrixrekonstruktion im Vergleich zu alternativen Interpolationsmethoden über verschiedene Unterabtastungsverhältnisse hinweg in Bezug auf Fehlermetriken, Clusterqualität und spektrale Interpretation überlegen sind.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass durch die Anwendung der Low-Rank-Matrix-Rekonstruktion die Zeit für die Datenerfassung in diesem Fall von über 14 Stunden auf nur 1-2 Stunden reduziert werden kann. Diese Ergebnisse können die praktische Anwendbarkeit der hyperspektralen Nanobildgebung sowohl im akademischen als auch im industriellen Umfeld von Nano- und Biomaterialien erheblich verbessern.
Publikation:
Kästner, B., Marschall, M., Hornemann, A., Metzner, S., Patoka, P., Cortes, S., Wübbeler, G., Hoehl, A., Rühl, E., & Elster, C. (2023). Compressed AFM-IR hyperspectral nanoimaging. Measurement Science and Technology, 35(1), 015403. https://doi.org/10.1088/1361-6501/acfc27
Kontakt:
B. Kästner, FB 7.1, Bernd.Kaestner(at)ptb.de
C. Elster, FB 8.4, Clemens.Elster(at)ptb.de