Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Feinstes Gespür für Moleküle

22.09.2015

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians Universität München haben in Kooperation mit dem Institute of Photonic Sciences in Barcelona einen Infrarot-Laser entwickelt, der mit einer hohen Empfindlichkeit Moleküle aufspüren kann.

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.


Der an der LMU gerade in Betrieb genommene Kurzpulslaser sendet pro Sekunde 100 Millionen Infrarot-Lichtimpulse aus. Sie können zur Detektion von Molekülen in Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt werden

Thorsten Naeser

Diese haben nun Wissenschaftler des Labors für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in Kooperation mit dem Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona, Spanien 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.

Lange kennt man sie noch nicht. Erst um das Jahr 1800 war klar, dass es, jenseits des sichtbaren Lichts, noch eine weitere Art der Strahlung gibt, die die Sonne auf die Erde schickt. Damals war es der deutsch-britische Astronom Wilhelm Herschel, der über Versuche mit Prismen und einem Thermometer entdeckte, dass es die Infrarot-Strahlung gibt. Heute nützt der Mensch die Infrarotstrahlung u.a. zur Erforschung des Mikrokosmos.

LAP-Wissenschaftler haben jetzt in Kooperation mit dem Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona 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. Das heißt: es werden sehr viele Photonen mit gleicher Wellenlänge in einen einzelnen Impuls verpackt. Dabei deckt das Licht nahezu das gesamte Spektrum des Mittleren Infrarot ab und reicht von 6,8 bis 18 Mikrometer Wellenlänge.

Die Wellen sind zeitlich und räumlich kohärent. Das heißt, sie werden in regelmäßigen Abständen ausgesendet. Jeder Laserimpuls dauert rund 66 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde), in dieser Zeit führt das Licht zwei ganze Lichtschwingungen aus. 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. Denn Moleküle reagieren vor allem auf mittleres infrarotes Licht sehr empfindlich. Trifft die Strahlung auf die Teilchen, absorbieren diese individuell ganz bestimmte Wellenlängen ihres Spektrums.

Damit verfügt jedes Molekül über einen unverwechselbaren Fingerabdruck. Denn die absorbierten Photonen tauchen nach der Licht-Materie-Wechselwirkung im Infrarotspektrum des Laserpulses nicht mehr auf. Die Forscher sehen anhand des übrig gebliebenen Lichts mit welchen Molekülen es Kontakt hatte, und können so auf die Art und Menge der vorhandenen Moleküle rückschließen.

„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 Dr. Ioachim Pupeza, der Leiter des Projekts.

Eingesetzt werden soll der Infrarotlaser 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 Dr. 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 Prof. 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 Kurzpulslaser koppeln mit einem neuen Verstärkersystem für Laserimpulse. 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 1000mal steigern“, erklärt Pupeza. Und damit könnte ein Molekül unter einer Billion anderer erkannt werden.

Text: Thorsten Naeser

Originalpublikation:

I. Pupeza, D. Sánchez, J. Zhang, N. Lilienfein, M. Seidel, N. Karpowicz, T. Paasch-Colberg, I. Znakovskaya, M. Pescher, W. Schweinberger, V. Pervak, E. Fill, O. Pronin, Z.Wei, F. Krausz, A. Apolonski and J. Biegert:
High-power sub-two-cycle mid-infrared pulses at 100 MHz repetition rate.
Nature Photonics, 21. September 2015; DOI: 10.1038/nphoton.2015.179.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Ioachim Pupeza
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Labor für Attosekundenphysik
Hans-Kopfermann-Straße 1, 85748 Garching
Tel.: +4989 289 14637
Email: ioachim.pupeza@mpq.mpg.de

Prof. Ferenc Krausz
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Labor für Attosekundenphysik
Hans-Kopfermann-Straße 1, 85748 Garching
Tel.: +4989 32905 600
Email: ferenc.krausz@mpq.mpg.de

Karolina Schneider | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.munich-photonics.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise