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

Anbieter des Monats

Dr. Eberl MBE-Komponenten GmbH

Dr. Eberl MBE-Komponenten GmbH

Das Unternehmen wurde 1989 von Dr. Karl Eberl als Spin-off des Walter-Schottky-Instituts der Technischen Universität München gegründet und hat seinen Sitz in Weil der Stadt bei Stuttgart.

Veranstaltung

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Die neue Kongressmesse für Quanten- und Photonik-Technologien bringt vom 13. bis 14. Mai 2025 internationale Spitzenforschung, Industrieakteure und Entscheidungsträger in der Messe Erfurt zusammen

Meist gelesen

Themen