In einem Fortschritt, der die Erkennung von Biomarkern revolutionieren könnte, haben Forscher am Max-Planck-Institut für die Wissenschaft des Lichts eine neuartige Technik namens Femtosekunden-Feldoskopie entwickelt. Diese Methode ermöglicht die präzise Messung kleinster Flüssigkeitsmengen bis in den mikromolaren Bereich mit unübertroffener Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich.
Es eröffnet neue Möglichkeiten für die markierungsfreie Bio-Bildgebung und den Nachweis von Zielmolekülen in wässrigen Umgebungen und ebnet den Weg für fortschrittliche biomedizinische Anwendungen. Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Naturphotonik.
Ultrakurze Laserpulse können Moleküle in impulsive Schwingungen versetzen, ähnlich wie ein kurzes Antippen eine Glocke zum Läuten bringt. Wenn die Moleküle durch diese kurzen Lichtimpulse angeregt werden, erzeugen sie ein Signal, das als freier Induktionszerfall (FID) bezeichnet wird und wichtige Informationen über die Moleküle enthält. Dieses Signal dauert nur einen sehr kurzen Moment (bis zu einer Billionstel Sekunde) und liefert einen klaren „Fingerabdruck“ der Schwingung des Moleküls.
Bei der Femtosekunden-Feldoskopie wird mithilfe eines ultrakurzen Laserpulses das Signal des Moleküls vom Laserpuls selbst getrennt, wodurch die Schwingungsreaktion einfacher und hintergrundfreier erfasst werden kann. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, spezifische Moleküle mit hoher Präzision zu identifizieren, was neue Möglichkeiten für den sauberen und störungsfreien Nachweis biologischer Marker eröffnet.
Als Beweis des Prinzips demonstrierten die Forscher erstmals erfolgreich die Fähigkeit, schwache Kombinationsbanden in Wasser und Ethanol bei Konzentrationen von nur 4,13 Mikromol zu messen.
Das Herzstück dieser Technik ist die Erzeugung leistungsstarker ultrakurzer Lichtimpulse, die mithilfe von mit Gas gefüllten photonischen Kristallfasern erreicht werden. Diese auf nahezu einen einzigen Lichtwellenzyklus komprimierten Impulse werden zur Detektion mit phasenstabilen Nahinfrarotimpulsen kombiniert.
Eine Felddetektionsmethode, die elektrooptische Abtastung, kann diese ultraschnellen Impulse mit einer Detektionsbandbreite nahe Petahertz messen und Felder mit einer zeitlichen Auflösung von 400 Attosekunden erfassen. Diese außergewöhnliche Zeitauflösung ermöglicht es Wissenschaftlern, molekulare Wechselwirkungen mit unglaublicher Präzision zu beobachten.
„Unsere Ergebnisse verbessern die analytischen Möglichkeiten für die Analyse flüssiger Proben erheblich und sorgen für eine höhere Empfindlichkeit und einen breiteren Dynamikbereich“, sagte Anchit Srivastava, Ph.D. Student am Max-Planck-Institut für die Wissenschaft des Lichts. „Wichtig ist, dass unsere Technik es uns ermöglicht, Signale sowohl aus der Flüssig- als auch aus der Gasphase herauszufiltern, was zu genaueren Messungen führt.“
Hanieh Fattahi erklärt: „Durch die gleichzeitige Messung von Phasen- und Intensitätsinformationen eröffnen wir neue Möglichkeiten für die hochauflösende biologische Spektromikroskopie. Diese Forschung verschiebt nicht nur die Grenzen der feldaufgelösten Metrologie, sondern vertieft auch unser Verständnis ultraschneller Phänomene und hat Potenzial.“ Anwendungen in verschiedenen Bereichen, einschließlich Chemie und Biologie, in denen eine präzise molekulare Detektion unerlässlich ist.“
Weitere Informationen:
Anchit Srivastava et al, Nah-Petahertz-Feldoskopie von Flüssigkeiten, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01548-2