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Farbe für die Medizin – Neue Lasertechnik bringt Licht in Therapie und Diagnostik

Eigentlich ist ‚Pink‘ eher für die lauteren Töne bekannt. Wenn Dr. Rainer Bornemann vom Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) der Universität Siegen seine Lieblingsscheibe auflegt, ist, abgesehen von dem gleichmäßigen, leisen Surren des Players, allerdings kein Mucks zu hören. Stattdessen geht von der Abspielvorrichtung nur ein diffuses, orangenes Leuchten aus. Da das Gerät kein Gehäuse besitzt ist die Quelle des feurigen Scheins schnell ausgemacht: In der Mitte der Apparatur rotiert mit ca. 3000 Umdrehungen pro Minute die von Bornemann aufgelegte CD um ihre horizontale Achse. Von einem grünen Laserstrahl getroffen, erstrahlt das kreiselnde Plastikrund in hellem Licht. Anders als bei einem gewöhnlichen CD-Player tastet der Laser die Platte nicht an der Oberfläche ab. Vielmehr durchdringt er die Disc, bringt sie scheinbar zum Glühen und tritt aus der CD als orangenfarbiger Laserstrahl wieder heraus.

Was da vor Bornemann steht hat ebenso wenig mit Unterhaltungselektronik zu tun, wie die ‚Scheibe‘, die sich momentan auf dem Plattenteller dreht. Denn mit ‚Pink‘ war nicht das Popsternchen gleichen Namens gemeint. Pink, neonpink um genau zu sein, ist vielmehr die Farbe der CD, die der junge Wissenschaftler zu Demonstrationszwecken aufgelegt hat. Auch die anderen CDs in Bornemanns Plattensammlung schillern in ähnlich grellen Tönen. Neben der erwähnten magentafarbigen Scheibe gibt es hier CDs wahlweise in waldmeistergrün, in apfelsinenorange oder auch in cyanblau. ‚Dye Laser Disc‘, kurz DLD, hat der promovierte Chemiker die quietschbunten Scheiben in Anlehnung an die DVD, die ‚Digital Versatile Disc‘ getauft. Und ähnlich revolutionär, wie sich die DVD auf die Unterhaltungsindustrie ausgewirkt hat, könnte sich auch die DLD auf Biotechnologie, Medizin und Halbleiterindustrie auswirken. Denn die DLDs sind die wichtigsten Bausteine eines neuartigen Farbstofflasers, des ‚CW-Polymerlasers‘, den Bornemann – mit finanzieller und intellektueller Unterstützung von Prof. Dr. Uli Lemmer von der Universität Karlsruhe und Dr. Erwin Thiel von der Universität Siegen (ZESS) – erfunden hat. Dank der vielfarbigen, auswechselbaren DLDs kann der Erfinder mit einem einzigen Gerät Laserstrahlen in allen Farben des Regenbogens erzeugen. „Damit haben wir es geschafft, die Leistungspotentiale von mehr als 400 verschiedenen Lasern in ein einziges System zu integrieren“, freut sich Dr. Bornemann mit Blick auf das vor ihm stehende Gerät.

Bornemann durchschlägt mit seinem Prototyp einen gordischen Knoten in der Laserforschung. Denn seit Erfindung vor über 40 Jahren versuchen Forscher aus aller Welt mehr oder weniger erfolglos einen kontinuierlich strahlenden Farbstofflaser auf Festkörperbasis zu bauen. Damals wie heute fußt die Technologie des Farbstofflasers stattdessen auf dem Einsatz von farbigen Flüssigkeiten. Die Farbstoffe derartiger Laser sind in teilweise giftigen Lösungsmitteln gelöst, die Apparaturen wartungsaufwendig und sperrig. Früher oder später treten unweigerlich Lecks im Flüssigkeitssystem des Lasers auf, die dann zu Kontaminationen des Arbeitsbereichs führen. Bornemann erinnert sich: „Während meiner Zeit als studentische Hilfskraft arbeitete ich häufig mit Farbstofflasern. Als dabei einmal ein Schlauch platzte, verteilte sich die Farbstofflösung mit dem sechsfachen Atmosphärendruck im ganzen Labor. Nachdem wir die Pumpe abgeschaltet hatten, um den tanzenden Schlauch zu bändigen, durfte ich mehrere Stunden damit verbringen, Wände und Einrichtung zu säubern.“ Ob Dr. Bornemann ungern putzt ist nicht bekannt. Fest steht allerdings, dass ihn das Ereignis hinreichend motivierte, um über die Erfindung eines Farbstofflasers nachzudenken, der ohne Flüssigkeiten auskommt.

Warum aber basiert die Technik von Farbstofflasern bis heute überhaupt auf Farbstoffen in Flüssigkeiten? Weshalb kann man stattdessen nicht einfach einen eingefärbten Kunststoff einsetzen? Oder aber den Farbstoff in ein glasartiges Medium einbetten? Die Gründe hierfür sind vielschichtig. Um sie zu verstehen, muss man einen genaueren Blick auf die generelle Funktionsweise eines Lasers werfen.

Licht in Reih und Glied

Der Nutzen eines Lasers besteht darin kohärentes Licht zu produzieren. Kohärent bedeutet, dass das Licht aus Photonen der gleichen Wellenlänge besteht, die sich außerdem alle gemeinsam in die gleiche Richtung im Raum ausbreiten. Demgegenüber ist beispielsweise das Licht einer Glühlampe nicht kohärent. Unkoordiniert sendet die Glühlampe Licht nicht nur in unterschiedlichen Wellenlängen aus, sondern strahlt zudem auch noch zeitlich versetzt, also phasenverschoben und in fast alle Raumrichtungen gleich verteilt. Bei einem Laser geht es dagegen ziemlich aufgeräumt zu. Grundsätzlich ist ein Laser so etwas wie ein Energieumwandler, der ungeordnete thermische, elektrische oder chemische Energie in eine geordnete Form von Strahlungsenergie umwandelt. Der Transformationsprozess findet mit Hilfe eines Mediums statt, das dem Begriff nach aktiv zwischen den beiden Energieformen vermittelt. Als ‚aktives Medium‘ kommen die unterschiedlichsten Substanzen in Frage. Je nach Aggregatzustand des Mediums unterscheidet man zwischen Gaslasern, Festkörperlasern oder auch Flüssigkeitslasern. Was passiert nun aber genau, wenn man Energiequelle und Medium in der Anordnung eines Lasers zusammen bringt?
Nehmen wir den Laser unter die virtuelle Lupe und zoomen uns hinunter auf die Ebene des Allerkleinsten, auf die molekulare oder sogar atomare Ebene:

Laser light: Physikalische Voraussetzungen

In einer Vorstellung von dieser Mikrowelt umkreisen die Elektronen den Atomkern in stabilen Umlaufbahnen, wie die Planeten die Sonne. Hier wie dort in jeweils unterschiedlichem Abstand zum Zentrum. Trifft nun ein Energieteilchen, z.B. ein Photon, auf ein Atom, kann dieses, die entsprechende ‚richtige‘ Energie vorausgesetzt, ein Elektron des Atoms ‚in eine höhere Bahn schießen‘. Das jeweilige Elektron hat ein neues Energieniveau erreicht. Um aus diesem ‚angeregten Zustand‘ zurück in die Ausgangsposition zu gelangen, gibt das Atom die überschüssige Energie zu einem unbestimmten Zeitpunkt wieder an die Umgebung ab. Dies kann ‚spontan‘ z.B. wieder in Form eines Photons geschehen; das angeregte Elektron fällt dabei gleichzeitig wieder zurück in seine alte Ausgangsbahn.

Ein wichtiger Schritt in Richtung Anwendung wäre die zweckgerichtete Steuerung eines solchen Prozesses. Ein weiteres physikalisches Phänomen leistet hierbei Schützenhilfe: Es gibt eine Art ‚Auslöser‘ auf den man drücken kann, damit die Energieentladung eines angeregten Atoms nicht zu einem x-beliebigen, sondern zu einem genau definierten Zeitpunkt stattfindet. Durch Hinzufügen eines weiteren Photons lässt sich die Emission gezielt herbeiführen. Trifft dieses ‚Abfrage-Photon‘ auf das zuvor angeregte Atom oder Molekül, so zwingt es dieses die gespeicherte Energie in Form eines identischen Partnerteilchens abzugeben. Aus eins mach zwei. Die Natur kennt demnach neben der ‚spontanen‘ Emission noch eine zweite, steuerbare Emission: die ‚stimulierte‘ Emission. Nicht nur, dass dieser Prozess eine gleich getaktete Strahlung erzeugt; auch die Intensität des hinein geschickten Lichts wird erhöht.

Theodore Maiman war es, der sich vor nahezu fünfzig Jahren von so viel ‚Spontanität‘ in der Natur dazu ‚anregen‘ ließ, über eine geeignete technische Applikation für die bis dato ungenutzte Wechselwirkung von Energie und Materie zu sinnieren. Wenn man die stimulierte Emission noch zusätzlich verstärken könnte, würde es dann vielleicht möglich sein, so etwas wie einen hochintensiven Lichtstrahler zu bauen?

Für eine ‚Netto-Verstärkung‘ müssen beim Durchlauf des Lichts durch das Medium mehr Photonen ‚erzeugt‘ werden, als durch andere Prozesse wieder verloren gehen. Das hat zur Voraussetzung, dass per Saldo die Menge der Atome, die sich in einem energetisch höheren Niveau befinden, größer ist als die Menge derjenigen in einem niedrigeren Niveau. In der Natur kommt so eine Anordnung normalerweise nicht vor, da Atome immer danach streben einen möglichst energiearmen Gleichgewichtszustand einzunehmen.
Die energetisch ‚normale Besetzung‘ der Atome muss also auf den Kopf gestellt werden. Durch äußere Energiezufuhr wird im Lasermedium diese so genannte ‚Besetzungsinversion‘ künstlich herbeigeführt. Gelingt dies, sind die physikalischen Voraussetzungen erfüllt, um Maimans Idee in eine Konstruktion zu gießen.

Bei Betrieb eines Lasers wird zunächst die gasförmige, flüssige oder feste Materie im Zentrum der Apparatur – das ‚aktive Medium‘ – intensiv angeregt. Mittels Energiezufuhr ‚pumpt‘ man die Atome oder Moleküle auf ein höheres Energieniveau.
Jetzt ist das Medium quasi ‚geladen‘. Ein ‚Funke‘ genügt nun, um den Prozess der stimulierten Emission auszulösen. Eine Kettenreaktion läuft ab: Hineingeschicktes Licht löst die erwünschte Produktion der Photonen aus. Die neu entstandenen Photonen stoßen wiederum andere angeregte Atome an, die abermals ihre gespeicherte Energie als Lichtteilchen mit ins Rennen schicken. Durch diesen Dominoeffekt baut sich so in extrem kurzer Zeit eine gewaltige Lawine von identischen Photonen auf.

Mit einem optischen Resonator verstärkt man das Geschehen noch zusätzlich. Indem man das aktive Medium zwischen zwei Spiegel packt, zwingt man die Licht-Quanten des Lasers auf eine Kreisbahn. Wie beim Ping-Pong prallen die Photonen von den Spiegeln ab und zwischen ihnen hin und her. Dabei treffen die frei umher fliegenden Photonen immer wieder auf das aktive Medium und reißen neue Photonen mit. Mit jedem Durchlauf des Lichtstrahls durch das Medium erhöht sich die Anzahl von im Gleichtakt schwingenden Energieteilchen; die im aktiven Medium gespeicherte Energie wird auf diese Weise effektiv abgeräumt. Einer der beiden Spiegel ist teilweise durchlässig; durch ihn verlässt schließlich ein Teil des verstärkten Lichtes den Resonator als nutzbarer Laserstrahl.

Der geschilderte Vorgang erzeugt zunächst jedoch nur einen einzigen kurzen Lichtpuls. Um einen Laser nicht nur ‚gepulst‘, sondern im ‚Dauerstrichbetrieb‘, so der Fachausdruck für den kontinuierlichen Laserbetrieb, laufen zu lassen, muss ein weiteres Hindernis technisch aus dem Weg geräumt werden.
Denn, nachdem die angeregten Atome ihre überschüssige Energie in Form eines Photons abgeben haben, fallen sie ja wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurück. Um nun neuerlich am Laserprozess teilzunehmen, müssen die Atome zuvor abermals angeregt, also energetisch wieder ‚hoch gepumpt‘ werden. Es muss also ständig neue Energie nachgeliefert werden, um die Verluste auszugleichen und den Laserbetrieb dauerhaft aufrecht zu erhalten.

Die Besonderheiten eines Farbstofflasers

Was bedeutet all das in Bezug auf einen Farbstofflaser? Ein Farbstofflaser nutzt eine besondere Klasse von Substanzen als aktives Medium. Bestimmte organische Fluoreszenzfarbstoffe, so genannte ‚Laserfarbstoffe‘, bieten das Potential, wenn sie in einer flüssigen Lösung vorliegen und intensiv genug angeregt werden, ebenfalls einen Verstärkungsprozess wie oben beschrieben zu erzeugen. Diese fluoreszierenden Lösungen können daher als aktives Medium für einen Laser verwendet werden. Auch für andere Lasertypen hat man geeignete Lasermaterialien gefunden (die zuvor benannten Festkörper- oder Gaslaser); sie sind sogar oftmals leichter zu handhaben. Diesen Konkurrenten gegenüber verfügt der Farbstofflaser aber über den unschätzbaren Vorteil, dass er nicht von vornherein auf seine Laserwellenlänge festgelegt ist. Denn die Laserfarbstoffe verfügen über ein sehr breites Emissionsspektrum innerhalb dessen der Laser frei ‚durchstimmbar‘ ist. Ein gelb-orange strahlender Farbstofflaser kann völlig frei Laserstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 560 und 620 nm emittieren. Damit sind Farbstofflaser in Bezug auf ihre möglichen Einsatzgebiete wesentlich anpassungsfähiger als andere Laser.

Trotz dieses Hauptvorteils konnten sich Farbstofflaser in der Praxis kaum durchsetzten. Einer der wesentlichen Gründe für die mangelnde Praxistauglichkeit liegt eben darin, dass man bisher nur flüssigkeitsbasierte Systeme für den Dauerstrichbetrieb mit den geschilderten Nachteilen bauen konnte. Warum?

Organische Farbstoffmoleküle sind zumeist sehr groß und komplex. Um die benötigte Besetzungsinversion zu erreichen muss man die Moleküle mit Laserlicht, einem ‚Pumplaser‘, optisch anregen. Bei diesem Vorgang verändern die Farbstoffmoleküle nach einer gewissen Zeit das spektrale Absorptionsvermögen der kompletten Farbstofflösung; die Folge ist eine Verminderung der Lasereffizienz bis hin zum Totalausfall. Selbst gute und ergo teure Laserfarbstoffe (gute Farbstoffe sind bis zu 30-mal teurer als ihr Gewicht in Gold!) geben nur einen Teil der absorbierten Energie in Form von Strahlung an die Umgebung ab. Der restliche Teil der Energie führt zur Erwärmung des Lasermediums. Diese Erwärmung stört den Laserprozess ebenfalls, da sie die Homogenität des aktiven Mediums negativ beeinflusst.

Mit flüssigkeitsbasierten Farbstofflasern wurde es jedoch möglich die Probleme einigermaßen in den Griff zu bekommen. Die Idee: Man bewegt die Farbstofflösung einfach mit hoher Geschwindigkeit durch einen sehr kleinen Anregungsfokus. Auf diese Weise minimiert man die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein und dasselbe Farbstoffmolekül längere Zeit in diesem Raumbereich befindet und damit sehr schnell zerstört wird. Gleichzeitig werden verbrauchte Farbstoffe laufend gegen neue ausgetauscht, wodurch sich auch die Wärmebelastung des Mediums reduziert. Die unausweichliche Zerstörung der Farbstoffmoleküle kann so hinaus gezögert und der Dauerstrichbetrieb für einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden. Würde man demgegenüber mit dem Pumplaser auf einen still stehenden Farbstoffblock schießen, so würde der Laser nach ein paar Mikro- bis Millisekunden von alleine wieder erlöschen.

DVD-Technik als Inspirationsquelle

Mit einer ebenso einfachen wie genialen Idee hat Bornemann einen Weg gefunden, die Vorteile des flüssigkeitsbasierten Systems mit denen eines feststoffbasierten Lasers zu kombinieren. Inspiriert hat ihn die Technik eines DVD-Players. Eine DVD wird mittels eines Lasers sequentiell ausgelesen. Der Laser arbeitet sich dabei von innen nach außen vor. Durch die spiralförmige Rotation und die zeitgleiche laterale Verschiebung der DVD trifft der Laser jeweils nur ein einziges Mal auf ein und dieselbe Stelle. Und dies auch nur für einen sehr kurzen Zeitraum. „Das war genau der Mechanismus den man brauchte, um das Ausbrennen der Farbstoffmoleküle zu vermeiden“, erinnert sich Bornemann. Sein Lasersystem nutzt einfach zwei transparente DVD-Rohlinge, zwischen denen ein beliebiger Laserfarbstoff dünn und damit Kosten sparend aufgebracht wird. Analog zu einem DVD-Player ‚liest‘ der Pumplaser die kreisende DLD nun einfach von einem Ende zum anderen aus.
Jeweils nur eine sehr kleine Fläche der Gesamtdisk (Durchmesser einige Mikrometer) wird als aktives Medium genutzt. Dadurch, dass der Pumplaser auf einer festen Spurrille fährt, wird bei Bornemanns Feststofflaser – wie bei einem flüssigkeitsbasierten System auch – das aktive Medium ständig erneuert. Auf diese Weise steht immer ‚frisches‘ Lasermaterial zur Verfügung; der Laserprozess kann zeitlich nahezu beliebig ausgedehnt werden. Möchte der Benutzer einen Laserstrahl in einem anderen, und damit weiter entfernten Spektralbereich erzeugen, legt er einfach eine andere Platte auf; statt pink z.B. waldmeistergrün, oder statt orange-gelb z.B. tiefrot.

Einsatz in der Medizin

Der potentielle Nutzen des neuen Farbstofflasers ist groß. Überall dort, wo es auf eine variable aber genaue und sehr schnelle Abstimmbarkeit in der Laserwellenlänge ankommt, bietet sich der ‚CW-Polymerlaser‘ (CW: ‚Continuous Wave‘; zu deutsch: ‚Dauerstrich‘) als Arbeitsgerät an. Prädestiniert wäre Bornemanns Laser insbesondere auch für den Einsatz in der Medizin.

Licht wird von Materie entweder hindurch gelassen (transmittiert), zurückgeworfen (reflektiert), verschluckt (absorbiert) oder wieder neu ausgesendet (emittiert). Alle Farben, die wir in unserer Welt wahrnehmen, sind ein Produkt dieser Prozesse. Auf Basis dieses Wechselspiels von Licht und Materie gründet sich eine Vielzahl von Verfahren in der Medizin. Weite Bereiche der medizinischen Diagnostik machen sich die Emission (nach einer vorherigen Absorption) von Licht zu nutze. Je nach stofflicher Zusammensetzung lagern sich spezielle Farbstoffmarker an verschiedene Moleküle unterschiedlich stark an. Durch Bestrahlung dieser Proben-Marker mit geeigneten Lasern lassen sich diese Markersonden selbst wieder zum Leuchten anregen; über Anzahl, Position und Stärke der Leuchtpunkte lässt sich auf die stoffliche und räumliche Zusammensetzung der Probe schließen. In der medizinischen Therapie dreht man diesen Mechanismus einfach um. Baut die Biodiagnostik oftmals auf Emission so nutzt die Therapie die Absorption. Beispiel Krebsbehandlung: Aufgrund dessen, dass der Stoffwechsel von Tumorzellen höher ist, als derjenige gesunder Zellen, werden verabreichte Farbstoffe von Krebszellen verhältnismäßig stärker aufgenommen. Bestrahlt man nun das betroffene Gewebe mit einem Laser der richtigen Wellenlänge, absorbieren die eingefärbten Krebszellen das Licht stärker als die gesunden und damit nicht eingefärbten Zellen. Aufgrund der durch die Absorption entstehenden Wärme werden die Krebszellen gezielt unter Schonung des umliegenden gesunden Gewebes zerstört. Auch die Dermatologie arbeitet mit diesem Verfahren der ‚selektiven Photothermolyse‘. Besenreißer, erweiterte Äderchen oder auch Tätowierungen können aufgrund ihrer Farbpigmentierung durch Laserlicht der passenden Wellenlänge behandelt und entfernt werden.

Für Bornemann geht es in den folgenden Monaten darum, den derzeit noch experimentellen Aufbau des Lasers in eine nutzerfreundliche Form zu bringen. Äußerlich sollten sich DVD-Player und DLD-Laser nach diesem ‚Lifting‘ tatsächlich kaum noch unterscheiden lassen. Bei soviel Ähnlichkeit droht zukünftig dann vielleicht aber Gefahr für die Plattensammlung. Denn, versehentlich in Bornemanns Laser eingelegt, käme jede Musikplatte wohl gehörig ins Schwitzen. Und aus ‚Pink‘ würde schließlich ‚Lady Marmelade‘.

^{Verfasser: Hellermann/Bornemann}

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