Forschung & Entwicklung

Feinstes Gespür für Moleküle

Eine extrem starke Infrarotlichtquelle eröffnet neue Möglichkeiten in der Medizin, Biologie und den Materialwissenschaften. Für die Krebsdiagnose wird sie demnächst getestet.

Laserphysiker des Münchner Labors für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben eine extrem starke Infrarotlichtquelle, basierend auf einem neuen Scheibenlaser mit einem Holmium-YAG-Kristall entwickelt, die über ein Wellenlängenspektrum von 5 bis 20 Mikrometer verfügt. (Zum Vergleich: Der Mensch sieht Licht im Bereich zwischen 0,35 und 0,7 Mikrometern). Das neue System ist ein Kurzpulslaser, der 77 000 Pulse pro Sekunde emittiert. Die Pulse selber dauern nur Femtosekunden lang.

Trifft Infrarotlicht auf Moleküle, beginnen diese zu schwingen. Für jedes Molekül einer bestimmten Art ist ein Wellenlängen-Set im Bereich von 1 bis 30 Mikrometer verantwortlich, die es in Bewegung versetzt. Interagiert das Infrarotlicht mit den Molekülen werden exakt diese Wellenlängen in dessen Spektrum ausgelöscht. Über die Analyse des Spektrums schließen die Forscher auf die Zusammensetzung der Probe. Je stärker dabei die Infrarotlichtquelle ist und je mehr Wellenlängen eingestrahlt werden, desto sensitiver wird die Analyse der Molekülzusammensetzung einer Probe.

Das Lasersystem ist das weltweit erste, das bei hohen Leistungen von 19 Watt Infrarotlichtpulse bei Wellenlängen bis knapp unter 20 Mikrometern erzeugt. Damit haben die Forscher mit ihrem Lasersystem eine zehn Mal höhere Leistungsfähigkeit in diesem Wellenlängenbereich erzielt, als bisher erreicht wurde. Die emittierten Laserpulse haben zudem eine fünfmal kürzere Dauer als bei aktuellen Infrarot-Lasersystemen.

Der Infrarotlaser wird unter anderem im Broadband Infrared Diagnostics Projekt (BIRD) zum Einsatz kommen. Hier wollen die Wissenschaftler Blut und Atemluft auf ihre molekulare Zusammensetzung untersuchen. Sind dort bestimmte Moleküle vorhanden, wie sie nur im Fall einer Krebserkrankung eines Patienten vorkommen, wäre das ein verlässlicher Hinweis, der weitere Untersuchungen nötig machen würde. Man hätte ein neues Diagnosewerkzeug zur Früherkennung von Krankheiten geschaffen.

Originalveröffentlichung:

[J. Zhang et al., Multi-mW, few-cycle mid-infrared continuum spanning from 500 to 2250 cm-1, Light Sci. Appl. 7 (2018), DOI:10.1038/lsa.2017.180]

von mg

www.physik.uni-muenchen.de

www.mpq.mpg.de

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