Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Raman-Spektroskopie mit zwei Laser-Frequenzkämmen: Am Herzschlag von Molekülen

17.10.2013
Für die schnelle Identifizierung komplexer Moleküle erproben Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erfolgreich die Raman-Spektroskopie mit zwei Laser-Frequenzkämmen.

Ein Team von Wissenschaftlern um Prof. Theodor W. Hänsch and Dr. Nathalie Picqué aus der Abteilung Laser-Spektroskopie am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, in Kooperation mit der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (Frankreich), hat eine neue Technik entwickelt, die eine schnelle Identifizierung verschiedenster komplexer Moleküle unter dem Mikroskop erlaubt.


Abbildung: Am Herzschlag von Molekülen (in einer Flüssigkeit). MPQ, Abt. Laserspektroskopie

Ihre Technik kohärenter Raman-Spektroskopie mit zwei Laserfrequenzkämmen ist ein großer Schritt in Richtung des „heiligen Grals“: der biomelekularen Abbildung in Echtzeit ohne Färbung der Proben (Nature 502, 17. Oktober 2013).

Wie beeinflussen Medikamente eine lebende Zelle? In welcher Hinsicht verändern Botenmoleküle den Zellstoffwechsel? Diese Fragen sind derzeit nur schwer zu beantworten, da Zellen hochkomplexe „chemische Fabriken“ darstellen, die unentwegt unterschiedlichste Moleküle synthetisieren, konsumieren und metabolisieren. Biologen nutzen derzeit spezielle fluoreszente Farbstoffe um bestimmte Proteine in den Zellen zu markieren, so dass sie diese unter dem Mikroskop erkennen und unterscheiden können. Doch diese Farbstoffe können ihrerseits die Zellfunktionen verändern. Viele biologisch und technisch relevante Moleküle besitzen charakteristische Absorptionsspektren im mittleren Infrarot, bei diesen großen Wellenlängen lässt sich jedoch keine gute räumliche Auflösung erzielen.

Um Moleküle ohne solche Markierungen hochselektiv und mit guter räumlicher Auflösung zu identifizieren, dient seit langem die kohärente Raman-Spektroskopie als Alternative. Raman-Spektroskopie erlaubt es, tiefliegende oder grundlegende vibronische Energieniveaus der zu identifizierenden Moleküle zu untersuchen, und bietet so Zugang zu derselben Information wie die Spektroskopie im mittleren Infrarot. Im Gegensatz zu dieser verwendet nichtlineare Raman-Spektroskopie aber sichtbares oder nah-infrarotes Licht, was eine gute räumliche Auflösung sowie eine dreidimensionale Schnittdarstellung der zu untersuchenden Probe erlaubt. Doch um Bilder möglichst schnell zu liefern, konzentrieren sich die bislang üblichen Raster-Raman-Mikroskope meistens auf ein bestimmtes spektrales Element der ausgewählten Molekülsorte.

Für die Analyse einer komplexen Mischung von Molekülen mit möglicherweise unbekannten Komponenten wird jedoch für jeden Bildpixel ein vollständiges Raman-Spektrum benötigt. Bislang verfügbare Techniken waren dafür viel zu langsam. Den MPQ-Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, vollständige Raman-Spektren mit guter Auflösung auf einer Zeitskala von Mikrosekunden zu messen. Der Schlüssel zu diesem Erfolg war der Einsatz von zwei Laser-Frequenzkämmen. Der Trick dabei bestand darin, die Zeitdifferenz zwischen zwei Laser-Pulsen, einem Anregungs- und einem Abfragepuls, schnell zu verändern, ohne die Verwendung beweglicher Teile, und gleichzeitig Schwankungen in der Intensität des kohärenten Anti-Stokes-Signals zu messen, die mit der Frequenz der molekularen Vibrationschwingungen moduliert sind. Dies ermöglichte die schnelle Aufzeichnung eines breitbandigen Raman-Spektrums, mit nur einem einzigen Photodetektor.

„Wenn wir den Detektor durch eine Kamera ersetzen würden, würde dies eine „hyperspektrale“ Bildgebung in Echtzeit ermöglichen“, erklärt Takuro Ideguchi, Doktorand am Experiment. „Denn dann könnten wir für jeden Pixel der Bildebene ein vollständiges Raman-Spektrum aufzeichnen.“ Die Wissenschaftler erwarten, dass ihr „proof-of-principle“-Experiment neue Wege ermöglichen wird für bildgebende und spektrokopische Verfahren. Mit einer Weiterentwicklung ihres Systems planen sie, das Potential ihrer Technik für die Untersuchung biologischer Proben zu erkunden.

„Es ist sehr spannend, dass ein ursprünglich für die Frequenzmetrologie entwickeltes Werkzeug wie der Frequenzkamm nun interdisziplinäre Anwendungen findet, die weit über seinen ursprünglichen Zweck hinausgehen“, resümiert Simon Holzner, der ebenfalls im Rahmen dieser Forschungsarbeit promoviert. [NP]

Originalveröffentlichung:
T. Ideguchi, S. Holzner, B. Bernhardt, G. Guelachvili, N. Picqué and T.W. Hänsch
Coherent Raman spectro-imaging with laser frequency combs
Nature 502, 355-358, 17. Oktober 2013, DOI: 10.1038/nature12607
Kontakt:
Prof. Dr. Theodor W. Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel: +49 (0) 89 32905 -712
E-Mail: t.w.haensch@mpq.mpg.de
Dr. Nathalie Picqué
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel..: +49 (0) 89 32905 -290
E-Mail: nathalie.picque@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 (0) 89 32 905 -213
Fax: +49 (0) 89 32 905 -200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vorstoß ins Innere der Atome
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische 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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

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

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

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