Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Moleküle brillant beleuchtet

23.04.2018

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

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 des Labors für Attosekundenphysik (LAP), der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) diese molekularen Krankheitsindikatoren genauer erforschen, um beispielsweise die Früherkennung von Krebs zu erleichtern.


Künstlerische Ansicht einer Frequenzumwandlung vom Nahinfrarot ins mittlere Infrarot durch einen nichtlinearen Kristall. Kurzwellige Strahlung tritt in einen Kristall ein und versetzt die Elektronen im Kristall in Schwingung. Die Elektronen können der Frequenz des Lichtfeldes nicht vollständig folgen und oszillieren bei niedrigeren Frequenzen, die im mittleren Infrarotereich liegen. So wird die langwellige Strahlung erzeugt.

Copyright: Alexander Gelin

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 aufzuspüren.

Oft genügt ein gezielter Blick um zu erkennen, ob Menschen gesund oder krank sind. Allerdings sind Erkrankungen, die das menschliche Auge wahrnimmt, oft schon weit fortgeschritten. Mit Laserlicht wollen Wissenschaftler Krankheiten bereits im Frühstadium erkennen, sodass sie entsprechend frühzeitig auch behandelt werden können.

Dazu ist aber ein sehr genauer Blick nötig, ein Blick in die Welt der Moleküle. Diese reagieren sehr spezifisch auf bestimmte Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich des Lichts und hinterlassen damit beim Durchleuchten einer Probe, zum Beispiel Blut oder Atemluft, sogenannte molekulare Fingerabdrücke.

Mit einer Lichtquelle, die einen breiten Bereich des Infrarotlichts abdeckt, kann man 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 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 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.“ Schließlich 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. Thorsten Naeser

Bildbeschreibung:
Künstlerische Ansicht einer Frequenzumwandlung vom Nahinfrarot ins mittlere Infrarot durch einen nichtlinearen Kristall. Kurzwellige Strahlung tritt in einen Kristall ein und versetzt die Elektronen im Kristall in Schwingung. Die Elektronen können der Frequenz des Lichtfeldes nicht vollständig folgen und oszillieren bei niedrigeren Frequenzen, die im mittleren Infrarotereich liegen. So wird die langwellige Strahlung erzeugt. (Copyright: Alexander Gelin)

Originalveröffentlichung:
Marcus Seidel,Xiao Xiao,Syed A. Hussain, Gunnar Arisholm, Alexander Hartung, Kevin T. Zawilski, Peter G. Schunemann, Florian Habel, Michael Trubetskov, Vladimir Pervak, Oleg Pronin, Ferenc Krausz
Multi-watt, multi-octave, mid-infrared femtosecond source
Science Advances 4, eaaq1526 (2018), DOI: 10.1126/sciadv.aaq1526

Kontakt:

Dr. Oleg Pronin
Labor für Attosekundenphysik
Max-Planck-Institut für Quantenoptik und
Ludwig-Maximilians-Universität München
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 289 - 14187
E-Mail: oleg.pronin@physik.uni-muenchen.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis
25.05.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

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: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics