Moleculen zijn de bouwstenen van het leven. Net als alle andere organismen, we zijn van hen gemaakt. Ze beheersen ons bioritme, en ze kunnen ook onze gezondheidstoestand weerspiegelen. Onderzoekers onder leiding van Ferenc Krausz van het Laboratory for Attosecond Physics (LAP) - een joint venture tussen Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) en het Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) in München - willen briljant infrarood licht gebruiken om moleculaire ziektemarkers in veel meer detail, bijvoorbeeld om de diagnose van kanker in een vroeg stadium te vergemakkelijken. Het team heeft een krachtige femtoseconde lichtbron ontwikkeld die uitstraalt op golflengten tussen 1,6 en 10,2 micrometer. Dit instrument moet het mogelijk maken om organische moleculen te detecteren die in extreem lage concentraties aanwezig zijn in bloed of aangezogen lucht.

Ontelbare moleculen reageren op zeer specifieke manieren op licht van bepaalde golflengten in het midden-infraroodgebied. Door bepaalde golflengten te absorberen, elk type molecuul in een monster drukt een specifieke signatuur af op de uitgezonden straal, die dient als een moleculaire vingerafdruk. Met een bron van breedband mid-infrarood licht detecteert men de vingerafdrukken van vele moleculaire structuren tegelijk - in een bloedmonster of aangezogen lucht, bijvoorbeeld. Als het monster markermoleculen bevat die geassocieerd zijn met specifieke ziektetoestanden, ook deze zullen hun aanwezigheid in het spectrum van het doorgelaten infraroodlicht onthullen.

LAP-fysici hebben nu zo'n lichtbron geconstrueerd, die de golflengten tussen 1,6 en 10,2 micron dekt. Het lasersysteem vertoont een gemiddeld uitgangsvermogen op wattniveau, en is goed focusseerbaar wat resulteert in een zeer briljante infrarood lichtbron. Deze functie verbetert het vermogen om moleculen te detecteren die in extreem lage concentraties aanwezig zijn. In aanvulling, de laser kan treinen van femtoseconde pulsen produceren, waardoor het mogelijk is om zowel tijdgebonden als geluidsarme en zeer nauwkeurige metingen uit te voeren.

Momenteel, infraroodspectroscopie is vaak gebaseerd op het gebruik van onsamenhangend licht, die dekking biedt voor het hele midden-infrarode gebied. Echter, de relatief lage helderheid van de bundel die door onsamenhangende bronnen wordt geproduceerd, vermindert aanzienlijk het vermogen om zeer zwakke moleculaire vingerafdrukken te detecteren. Synchrotronstraling geproduceerd in deeltjesversnellers kan als alternatief worden gebruikt, maar dergelijke faciliteiten zijn schaars en extreem duur. Echter, op laser gebaseerde methoden kunnen zelfs helderdere stralen genereren dan synchrotrons. De natuurkundigen van LAP zijn er nu in geslaagd een coherente lichtbron te bouwen die briljant laserlicht produceert over een breed spectraalgebied in het infraroodbereik. Dat was vroeger het grote nadeel van laserbronnen. het nieuwe systeem heeft een veel kleinere footprint (en is veel goedkoper) dan een synchrotron:het past op een grote tafel.

"Natuurlijk, er is nog een lange weg te gaan voordat we kanker in een veel vroeg stadium kunnen diagnosticeren dan nu het geval is. We hebben een beter begrip nodig van ziektemarkers en we moeten een efficiënte manier bedenken om ze te kwantificeren, bijvoorbeeld, " zegt Marcus Seidel, een van de bij het project betrokken onderzoekers. "Maar nu er aanzienlijk verbeterde lichtbronnen beschikbaar zijn, we kunnen beginnen met het aanpakken van deze problemen." Bovendien, het nieuwe lasersysteem zal toepassingen vinden buiten de biowetenschappen. Ten slotte, de precieze observatie van moleculen en hun transformaties vormt ook de kern van zowel de scheikunde als de natuurkunde.