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Attosekundenphysik

Moleküle brillant beleuchtet

München, 23.04.2018

Eine neue leistungsstarke Lichtquelle generiert ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs. Die neue Technologie ist unter anderem für die Krebsfrüherkennung relevant.

Künstlerische Ansicht einer Frequenzumwandlung vom Nahinfrarot ins mittlere Infrarot durch einen nichtlinearen Kristall. (Bild: A. Gelin)

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt ist. Mit brillantem Infrarotlicht wollen Wissenschaftler um Ferenc Krausz am Labor für Attosekundenphysik (LAP) der LMU und des Max-Planck Instituts für Quantenoptik (MPQ) diese molekularen Krankheitsindikatoren nun genauer erforschen, um beispielsweise die Früherkennung von Krebs zu erleichtern. Den Forschern ist es nun gelungen eine leistungsstarke Femtosekunden-Lichtquelle im Wellenlängenbereich von 1,6 bis 10,2 Mikrometer zu entwickeln. Von dieser Technologie versprechen sie sich, auch sehr schwach konzentrierte Moleküle im menschlichen Blut oder Atem aufspüren zu können.

Denn Moleküle reagieren sehr spezifisch auf bestimmte Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich des Lichts und hinterlassen damit beim Durchleuchten einer Probe, zum Beispiel von Blut oder der Atemluft, sogenannte molekulare Fingerabdrücke. Mit einer Lichtquelle, die einen breiten Bereich des Infrarotlichts abdeckt, lassen sich viele Molekülarten gleichzeitig untersuchen. Befinden sich in der Probe Moleküle, die als Krankheitsindikatoren dienen, so hinterlassen auch sie ihren Fingerabdruck im Infrarotlicht.

Eine solche breitbandige Lichtquelle im Wellenlängenspektrum zwischen 1,6 und 10,2 Mikrometer haben die LAP-Physiker nun entwickelt. Der Laser produziert durch seine Leistung im Watt-Bereich und seine gute Fokussierbarkeit höchst brillantes Licht. Damit soll das Erkennen besonders schwach konzentrierter Moleküle ermöglicht werden. Zudem produziert der Laser Pulse im Femtosekundenbereich (Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde). Das ermöglicht zeitaufgelöste Messungen sowie rauscharme und präzise Messtechniken.

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 bislang das Erkennen sehr schwacher molekularer Fingerabdrücke. Als Alternative diente bisher die Synchrotronstrahlung großer Beschleunigeranlagen. Diese ist aber nur eingeschränkt verfügbar und sehr teuer. Laser-basierte Methoden erzeugen oft sogar noch brillanteres Licht als Synchrotrons. Den LAP-Physikern 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, der als Wissenschaftler in dem Technologieprojekt arbeitete. „Doch versprechen wir uns mit den deutlich verbesserten Lichtquellen genau diese Schritte als nächstes gehen zu können.“ Zudem kann das Lasersystem auch über den Life Science-Bereich hinaus eingesetzt werden, da auch in der Chemie und der grundlegenden Physik die genaue Beobachtung molekularer Prozesse von höchster Bedeutung sind. (LAP/LMU)

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