Gevoelige dierenneuzen kunnen sporendeeltjes, zoals vluchtige organische stoffen, in de omgevingslucht opsnuiven. De mens daarentegen ontwikkelt hiervoor innovatieve technologieën, zoals optische spectroscopie. Deze gebruikt laserlicht om de moleculaire samenstelling van gassen te detecteren. Het opent de mogelijkheid om deze "ruikende" successen zelfs te overtreffen - ook voor stoffen die dierenneuzen helemaal niet kunnen waarnemen.

Tegenwoordig benut de "olfactorische kracht" van spectroscopie zijn potentieel nog niet. Het principe erachter is dat als moleculen worden bestraald met laserlicht, ze karakteristiek gaan trillen en ook licht uitstralen. Bij lage concentraties is deze emissie echter zeer zwak. Een groep wetenschappers onder leiding van PD Dr. Ioachim Pupeza in het attoworld-team van de Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) en het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), in samenwerking met wetenschappers van de University of British Columbia en de Leibniz Institute for Photonic Technologies in Jena, demonstreert nu een manier om de straling van moleculen die de excitatie volgt te versterken, waardoor het "reukvermogen" van moleculaire laserspectroscopie aanzienlijk wordt verbeterd. Hun studie werd gepubliceerd in Nature Photonics .

Wanneer een muzikant een gitaarsnaar tokkelt, begint deze te trillen en straalt hij een toon uit met een toonhoogte, timbre en modulatie die kenmerkend zijn voor het instrument. Hetzelfde gebeurt wanneer een gasmolecuul wordt "geslagen" door een ultrakorte laserpuls:het absorbeert een deel van de energie van de laserpuls. Zijn atomen beginnen te trillen. In plaats van een geluidsgolf zendt het molecuul een karakteristieke optische golfvorm uit die spectroscopisch kan worden gedetecteerd. Deze golfvorm bevat informatie over de moleculaire samenstelling van het gas. Helaas is deze "muziek van de moleculen" erg zachtaardig. Dit komt omdat slechts een klein deel van de energie in de puls wordt omgezet in de langzaam afnemende lichtgolven die deze waardevolle informatie bevatten.

Tijdelijk overlappende laserpulsen

Onderzoekers van het attoworld-team van MPQ en LMU hebben, in samenwerking met wetenschappers van de University of British Columbia en het Leibniz Institute for Photonic Technologies in Jena, nu een manier gevonden om moleculaire reacties te versterken op herhalende ultrakorte laserpulsen in de zogenaamde moleculaire vingerafdruk spectraal gebied. In het spectraalgebied van de vingerafdruk hebben organische moleculen hun karakteristieke resonanties. Om dit te doen, stuurden de natuurkundigen de pulsen naar een optische resonator gevuld met gas. In de resonator wordt de bundel laserpulsen via meerdere spiegels terug in zichzelf geleid, zodat de pulsen tijdelijk overlappen met hun voorgangers en opvolgers. Dit versterkt de pulsen en de moleculaire reacties. De laserfysici van attoworld hebben nu, voor de eerste keer, deze optische golfvormen van verbeterde moleculaire reacties uit de holte gekoppeld en ze bemonsterd met veld-opgeloste spectroscopie.

Voordat dit mogelijk was, moesten er een aantal uitdagingen worden overwonnen. "Tot nu toe konden passieve optische resonatoren alleen bandbreedtes van minder dan 20% van de centrale optische frequentie dekken en werden ze meestal gebruikt op nabij-infrarode golflengten", legt Philipp Sulzer, een van de leidende auteurs van het onderzoek, uit.

"Om echter een aanzienlijk deel van het bereik van vingerafdrukken in het midden-infrarood te dekken, moesten we heroverwegen welke optische elementen en vergrendelingsmechanismen konden worden gebruikt om de holte te bouwen. Bovendien mogen de ultrakorte pulsen voor veld-opgeloste spectroscopie niet veranderen hun golfvorm tijdens één baan door de resonator", voegt Maximilian Högner, de andere hoofdauteur van het onderzoek, toe. Ten slotte vonden de laserfysici een configuratie bestaande uit vier met goud beklede spiegels, lucht met gecontroleerde vochtigheid en een wigvormige diamantplaat om het licht in en uit de resonator te koppelen. Hun aanpak zorgt voor een verhoging van de energie in de moleculaire respons die de impulsieve excitatie volgt met een factor van meer dan 500.

Verhoogt de kans om op betrouwbare wijze ziekten te detecteren

"De nieuwe meetopstelling combineert ons eerdere werk aan verbeteringsholten met onze expertise in veld-opgeloste spectroscopie. De resultaten openen perspectieven voor breedbandgasspectroscopie met gevoeligheden van één tot een biljoen deeltjes. Tegelijkertijd, vanwege de relatief smalle absorptie lijnen in de gasfase, biedt de techniek een groot potentieel voor complexe gasmengsels zoals de menselijke adem, waarin sommige componenten in zeer hoge concentraties aanwezig zijn, maar sommige in zeer lage concentraties", legt Ioachim Pupeza uit. "Onze nieuwe aanpak vergroot de kans om in de toekomst ziekten betrouwbaar te detecteren via menselijke adem en biedt zo bijvoorbeeld nieuwe, niet-invasieve methoden voor het monitoren van therapieën." + Verder verkennen

Regeling van de golfvorm van ultrakorte infraroodpulsen