Brillant beleuchtete Moleküle
Leistungsstarke Lichtquelle liefert ultrakurze Pulse im mittleren Infrarotbereich.
Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Sie steuern den Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt ist. Mit brillantem Infrarotlicht wollen Wissenschaftler des Labors für Attosekundenphysik, der Uni München und des MPI für Quantenoptik die molekularen Krankheitsindikatoren genauer erforschen, um beispielsweise die Früherkennung von Krebs zu erleichtern. Moleküle reagieren spezifisch auf bestimmte Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich und hinterlassen damit beim Durchleuchten einer Probe, zum Beispiel Blut oder Atemluft, molekulare Fingerabdrücke. Mit einer Lichtquelle, die einen breiten Bereich des Infrarotlichts abdeckt, kann man viele Molekülarten gleichzeitig untersuchen. Befinden sich in der Probe Moleküle, die als Krankheitsindikatoren dienen, so hinterlassen auch sie ihren Fingerabdruck im Infrarotlicht.
Abb.: Künstlerische Darstellung einer Frequenzumwandlung vom Nahinfrarot ins mittlere Infrarot durch einen nichtlinearen Kristall. Kurzwellige Strahlung tritt in einen Kristall ein und versetzt die Elektronen im Kristall in Schwingung. Die Elektronen können der Frequenz des Lichtfelds nicht vollständig folgen und oszillieren bei niedrigeren Frequenzen, die im mittleren Infrarotbereich liegen. So wird die langwellige Strahlung erzeugt. (Bild: A. Gelin)
Den Forschern ist es nun gelungen, eine leistungsstarke Femtosekunden-
Infrarot-Spektroskopie basiert aktuell meist auf der Nutzung von inkohärentem Licht. Auch wenn sich damit problemlos der mittlere Infrarotbereich abdecken lässt, verhindert die geringe Brillanz der inkohärenten Lichtquellen das Erkennen sehr schwacher molekularer Fingerabdrücke. Als Alternative diente bisher die Synchrotronstrahlung großer Beschleunigeranlagen. Diese ist aber nur eingeschränkt verfügbar und sehr teuer. Laserbasierte Methoden erzeugen oft sogar noch brillanteres Licht als Synchrotrons. Den Forschern ist es nun erstmals gelungen, dies auch über einen sehr breiten Spektralbereich im Infrarot zu erreichen. Dabei passt das vorgestellte Lasersystem bequem auf einen großen Tisch, ist also wesentlich kompakter und kostengünstiger als Synchrotrons.
„Natürlich bedarf es noch vieler weiterer Schritte, um eine Krebserkrankung wirklich im Frühstadium zu erkennen, eine geeignete Messmethode und eine genaue Kenntnis der Krankheitsindikatoren zum Beispiel“, erklärt Marcus Seidel vom MPI für Quantenoptik, der an dem Projekt beteiligt ist. „Doch versprechen wir uns mit den deutlich verbesserten Lichtquellen genau diese Schritte als nächstes gehen zu können.“ Darüber hinaus kann das Lasersystem auch in anderen Bereichen eingesetzt werden: Auch in der Chemie und der grundlegenden Physik ist die genaue Beobachtung molekularer Prozesse von höchster Bedeutung.
MPQ / RK
