14.05.2018

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-Licht­quelle im Wellen­längen­bereich von 1,6 bis 10,2 Mikro­meter zu ent­wickeln. Der Laser produ­ziert durch seine Leistung im Watt-Bereich und seine gute Fokus­sier­bar­keit höchst bril­lantes Licht. Zudem produ­ziert der Laser Pulse im Femto­sekunden­bereich. Das ermög­licht zeit­auf­ge­löste Messungen sowie rausch­arme und präzise Mess­tech­niken. Von dieser Techno­logie ver­sprechen sie sich, auch sehr schwach konzen­trierte Mole­küle im mensch­lichen Blut oder Atem auf­zu­spüren.

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

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