Feinfühliger Laser erkennt Moleküle

  • 23. September 2015

Kurzpuls-Infrarot-Laser spürt mit hoher Empfindlichkeit Moleküle auf und könnte sich für Krebs-Diagnostik eignen.

Wenn es um das Aufspüren einzelner Moleküle geht, ist Infrarotlicht ein hervorragender Helfer. Denn Moleküle reagieren auf das, für uns unsichtbare Licht sehr individuell. Besonders effektiv auf der Suche nach Molekülen mit Infrarotlicht ist der Einsatz einer ausgefeilten Lasertechnik. Diese haben nun Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in Kooperation mit dem Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona in eine weltweit einzigartige Lichtquelle gepackt. Der neu entwickelte Kurzpulslaser verfügt über eine extreme Leistungsfähigkeit seiner Lichtblitze. Mit ihrer Hilfe können einzelne Moleküle unter Milliarden anderer erkannt werden. Mit dem Laser wollen die Forscher auf die Suche nach molekularen Krankheitsindikatoren in der Atemluft gehen.

Abb.: Der Kurzpulslaser sendet pro Sekunde 100 Millionen Infrarot-Lichtimpulse aus, sie können zur Detektion von Molekülen in Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt werden. (Bild: T. Naeser)

Abb.: Der Kurzpulslaser sendet pro Sekunde 100 Millionen Infrarot-Lichtimpulse aus, sie können zur Detektion von Molekülen in Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt werden. (Bild: T. Naeser)

Die Wissenschaftler haben einen Laser entwickelt, der ihnen eine enorme Kontrolle über mittleres, infrarotes Licht verschafft. Der Laser ist eine weltweit einzigartige Quelle für ultrakurze Pulse, denn er verbindet gleich mehrere Eigenschaften einer Lichtquelle miteinander. Das ausgesendete Licht ist extrem brillant. Dabei deckt das Licht nahezu das gesamte Spektrum des Mittleren Infrarot ab und reicht von 6,8 bis 18 Mikrometer Wellenlänge. Jeder Laserimpuls dauert rund 66 Femtosekunden. Die Impulse wiederholen sich 100 Millionen Mal pro Sekunde.

Mit diesen Eigenschaften wird der Laser zu einem Suchgerät, mit dessen Hilfe man Moleküle in Flüssigkeiten oder Gasen aufspüren kann. Trifft die Strahlung auf die Teilchen, absorbieren diese individuell ganz bestimmte Wellenlängen ihres Spektrums. Damit verfügt jedes Molekül über einen unverwechselbaren Fingerabdruck. „Da wir nun über eine kompakte Quelle für hochbrillantes, kohärentes Infrarotlicht verfügen, haben wir mit unserem Instrument einen äußerst empfindlichen und serientauglichen Fühler zur Detektion von Molekülen“, erklärt Ioachim Pupeza, der Leiter des Projekts.

Eingesetzt werden soll der Laser nun an der LMU vor allem in der medizinischen Früherkennung von Krankheiten. So kann man mit dem gepulsten Infrarotlicht etwa Krankheitsindikatoren in der Atemluft auf die Schliche zu kommen. Denn Krankheiten, wie einige Arten von Krebs, machen sich vermutlich bemerkbar über das Ausatmen von bestimmten Molekülen.

„Wir gehen davon aus, dass sich in der Atemluft weit über 1000 verschiedene Molekülsorten befinden", sagt Alexander Apolonskiy, Mitarbeiter im Projekt. Die Moleküle, die eine Krankheit anzeigen, kommen in der Atemluft nur in einer äußerst geringen Konzentration vor. Die Forscher schätzen, dass man ein Molekül unter einer Billion anderer in der Atemluft erkennen muss. „Dank der Kohärenzeigenschaften des neuen Lasers sollten wir bereits in der Lage sein, ein einziges Teilchen aus einer Milliarde anderer Moleküle zu erkennen“, sagt Ioachim Pupeza. „Entscheidend ist darüber hinaus die extreme breite spektrale Abdeckung dieser hochbrillanten Infrarotquelle. Sie ermöglicht es erst, zwischen molekularen Fingerabdrücken zu unterscheiden und damit auf krebsartige Veränderungen zu schließen“, sagt Jens Biegert. Seine Abteilung verfolgt die Quellenentwicklung im Infraroten und deren Anwendungen am ICFO in Barcelona.

Doch die Laserentwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Die Forscher wollen nun ihren Kurzpuls-Laser mit einem neuen Verstärkersystem für Laserimpulse koppeln. Es geht vor allem darum, die Zahl der Photonen in den Impulsen weiter zu erhöhen und somit noch brillanteres Licht zu erzeugen. „Wir können die Empfindlichkeit des Systems damit noch einmal rund tausendmal steigern“, erklärt Pupeza. Und damit könnte man das Ziel erreichen ein Molekül unter einer Billion anderer zu erkennen.

MAP / PH

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