Analyse durch Infrarotlicht Feinstes Gespür für Moleküle - medizin&technik - Ingenieurwissen für die Medizintechnik

Analyse durch Infrarotlicht

Feinstes Gespür für Moleküle

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Das Lasersystem erzeugt als weltweit erstes bei Leistungen von 19 W Infrarotlichtpulse bei Wellenlängen bis knapp unter 20 000 nm (Bild: Thorsten Naeser)
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Laserphysiker entwickeln eine extrem starke Infrarot-Lichtquelle, die über ein großes Spektrum an Wellenlängen verfügt. Dies eröffnet auch neue Möglichkeiten in der Medizin, zum Beispiel als Diagnosewerkzeug zur Früherkennung von Krankheiten.

Infrarotlicht hat ein feines Gespür für Moleküle. Mit Hilfe des Lichts gehen Forscher auf die Suche nach den Teilchen, die unser Leben bestimmen. Grundlage dafür ist das Phänomen, dass Moleküle durch infrarotes Licht in Schwingungen versetzt werden. Das Phänomen macht sich die Wissenschaft zu Nutze. Infrarotlicht wird unter anderem zur Analyse der molekularen Zusammensetzung von Proben verwendet. Damit diese Analyse künftig noch exakter wird, haben Laserphysiker des Labors für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) nun eine Infrarotlichtquelle entwickelt, die über ein enorm breites Spektrum von Wellenlängen verfügt. Die Forscher haben eine weltweit einzigartige Quelle vorgestellt, die nun helfen kann, kleinste Mengen an Molekülen, etwa in Flüssigkeiten wie Blut, aufzuspüren.

Je stärker das Licht, um so sensitiver die Analyse

Trifft Infrarotlicht auf Moleküle, beginnen diese zu schwingen. Für jedes Molekül einer bestimmten Art ist ein Wellenlängen-Set im Bereich von 1 bis 30 µm verantwortlich, die es in Bewegung versetzt. Interagiert das Infrarotlicht mit den Molekülen, wird exakt diese Wellenlänge in dessen Spektrum ausgelöscht. Über die Analyse des Spektrums, also der Wellenlängen, die nach der Wechselwirkung mit den Molekülen noch vorhanden sind, und denjenigen, die ausgelöscht wurden, 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 Molekül-Zusammensetzung einer Probe, wie etwa in der Atmung oder im Blut.

Dieser Herausforderung haben sich nun die LAP-Physiker gestellt. Sie haben eine Infrarotlichtquelle, basierend auf einem neuen Scheibenlaser mit einem Holmium-YAG-Kristall entwickelt, die über ein Spektrum an Wellenlängen von 5 bis 20 µm verfügt. Zum Vergleich: Der Mensch sieht Licht im Bereich zwischen 0,35 und 0,7 µm). Das neue System ist ein Kurzpulslaser, der 77 000 Pulse pro Sekunde emittiert. Die Pulse selber dauern nur Femtosekunden lang. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Zehn Mal höhere Leistungsfähigkeit

Das Lasersystem ist das weltweit erste, das bei hohen Leistungen von 19 W Infrarotlichtpulse bei Wellenlängen bis knapp unter 20 000 nm 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.

Diagnosewerkzeug

Für das LAP-Team wird der Infrarotlaser im „Broadband-Infrared-Diagnostics“-Projekt (BIRD) zum Einsatz kommen. Hier wollen die Wissenschaftler Blut und Atemluft auf ihre molekulare Zusammensetzung untersuchen. Sind im Blut oder der Atemluft 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.

www.mpq.mpg.de

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