Entwicklung eines optischen Moduls zum Laserstanzen forensischer Klebefolien zur Extraktion von Zellspuren

  • Mitarbeiter: u.a. Erik Förster (Doktorand)
  • Forschungspartner: Aura Optik GmbH
  • Laufzeit und Fördermittel: 2014-2016, AiF-ZIM Projekt (KF2156318HM4)

Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens stand die Entwicklung, gerätetechnische Umsetzung und der Funktionsnachweis eines Gesamtsystems zur Dissektion von forensischen Klebefolien zur Extraktion von Spuren und zum kontaminationsfreien Handling dieser Spuren in entsprechende Analysebehälter. Basis dieses Geräts bildet ein Beobachtungsmikroskop, mit dem die zu analysierenden Folien sowohl im Überblick als auch im Detail untersucht werden können. Mit der Beobachtungseinheit sollen Zielpartikel gefunden, bewertet und ausgewählt werden. Der zweite essentielle Bestandteil des Gesamtsystems ist das laser-optische Werkzeug das zum Schneiden von ausgewählten Bereichen aus forensischen Folien dient.

Das grundlegende Arbeitsprinzip des zu entwickelnden Laserstanz-Werkzeugs besteht darin, dass das Licht eines hochenergetischen Lasers in einer ringförmigen Intensitätsverteilung um ein anvisiertes Partikel auf die forensische Klebefolie trifft. Die ringförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts führt zu einem impulsartigen Aufschmelzen der Folie und damit zum Herauslösen des adressierten Bereichs der Folie und des zu analysierenden Partikels. Da sich unterschiedlich große Zielpartikel auf der forensischen Folie befinden können, ist es notwendig eine variable Einstellung von 0,5mm bis 2mm des Ringdurchmessers zu ermöglichen.

Hierbei ist essentiell, dass die Wellenlängen für die beiden Schritte – suchen / finden bzw. herauslösen – extrem unterschiedlich sind, so dass eine kombinierte Strahlführung für Beobachtungswellenlänge und Arbeitswellenlänge des CO2-Lasers unmöglich erscheinen. Als Konsequenz müssen die Strahlführungen in weiten Teilen unabhängig voneinander erfolgen - die Überlagerung der Strahlengänge kann erst kurz vor der Probenoberfläche durchgeführt werden. Um noch konkreter zu werden wurde eine schwenkbare Optik direkt vor dem Objektiv des Beobachtungsmikroskops konzipiert, mit der die Strahlung vom CO2-Laser bei Bedarf eingekoppelt werden kann, ansonsten den Beobachtungsstrahlengang nicht stört.

Abbildung 1 zeigt schematisch das Gesamtsystem bestehen aus Beobachtungsmikroskop,  CO2-Laserquelle (Coherent, Diamond E-150) und Strahlführungs- & Strahlformungsoptik zur Erzeugung der ringförmigen Intensitätsverteilung mit variablem Durchmesser im Überblick. Die Strahlführungs- & Strahlformungsoptik ist dabei im Kontrast hervorgehoben, Laser und Beobachtungseinheit erscheinen kontrastreduziert. Alle Baugruppen des Laserstanzmoduls sind auf der Grundplatte, der Hauptsäule des Mikroskops oder am Mikroskopkörper integriert. Der Aufbau bietet hohe Flexibilität zur funktionellen Integration und erlaubt genügend Freiheitsgrade zur Systemmontage und Justage aller Einheiten.

Nach der Konzeption und dem Optik-Design des Gesamtsystems wurde die Konstruktion durchgeführt und anschließend die Beschaffung bzw. die Fertigung der opto-mechanischen Komponenten gestartet. Anschließend begann die Systemintegration mit dem Beobachtungs-mikroskop als Basiseinheit. In Abbildung 2 sind Fotos des Systems während unterschiedlicher Integrationsstufen bzw. aus unterschiedlichen Richtung gezeigt. Abbildung 2a zeigt die Befestigung der CO2-Laser Optik ⓑ  an der Hauptsäule ⓐ des Mikroskops bzw. auf der Grundplatte. In diesem Zustand fehlen der Mikroskopkörper und die Handlingseinheit die von der aura-optik gmbh bearbeitet wurde. Im Bild 6b ist der Komplettaufbau gezeigt, der alle drei Hauptbestandteile – Beobachtungsmikroskop, Handlingseinheit und CO2-Laser Optik umfasst. In Abbildung 6c ist die Rückseite des Systems zu sehen. An den Laser ⓓ schließen sich die Strahlaufweitung ⓔ und die oben erwähnten unterschiedlichen Bestandteile der CO2-Laser Optik an. Die „Treppe“ ⓕ ermöglicht die z-Positionierung der Optik mit Bezug zur Probe zu ändern ohne das optische System nachjustieren zu müssen.

Abbildung 3a und b zeigen die Seitenansicht des Bereichs zwischen Objektiv und Probenoberfläche im Detail. Klar ist direkt unter dem Objektiv die Einkoppeloptik für die IR Wellenlänge zu erkennen. Bei der Probenuntersuchung (vor dem Stanzvorgang) kann die IR-Optik aus dem Strahlengang heraus geschwenkt werden (roter Pfeil), so dass die Beobachtung durch die Einkoppeloptik nicht gestört wird.

Nach Montage und Justage des Gesamtsystems wurden Experimente zum Extrahieren von ausgewählten Folienbereichen durchgeführt. In Abbildung 4 sind erste Resultate gezeigt. In den Polymerfolien sind ringförmige extrahierte Bereiche klar erkennbar. Der Durchmesser der ausgeschnittenen Flächen beträgt ca. 1,4 mm.

Titel
Prof. Dr. rer. nat.
Vorname
Robert
Nachname
Brunner


Sonstiges

Lehrgebiete: Angewandte Optik

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Robert Brunner