Un equipo de investigadores con sede en Ludwig-Maximilians-Universitaet LMU en Munich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica ha desarrollado un láser infrarrojo que puede usarse para identificar y cuantificar moléculas en mezclas complejas con alta especificidad y sensibilidad.
Los investigadores y reguladores en muchos campos a menudo necesitan detectar y medir niveles de sustancias específicas en un mar de moléculas irrelevantes, y la luz infrarroja ofrece una herramienta ideal para esta tarea. La radiación infrarroja es invisible para el ojo humano, pero las moléculas reaccionan con la mitad-la luz infrarroja en formas que son extremadamente sensibles a su estructura atómica precisa. Esto proporciona un medio para identificar con gran especificidad los solutos moleculares presentes en concentraciones muy bajas. Por lo tanto, los láseres que generan luz en el rango infrarrojo medio son adecuados para usar en sensores molecularestema de investigación intensiva.Ahora los equipos con sede en LMU y en el Laboratorio de Física de Attosegundos en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en colaboración con el Instituto de Ciencias Fotónicas ICFO en Barcelona, han desarrollado una fuente única de radiación coherente para estepropósito.
Con la ayuda de los trenes rápidos de pulsos de luz brillantes y ultracortos producidos por el nuevo láser, pronto debería ser posible detectar cantidades extremadamente pequeñas de especies moleculares específicas en el contexto de miles de millones de otros. Los investigadores tienen la intención de utilizar su altade alto rendimiento como base para una técnica de diagnóstico no invasiva que puede detectar marcadores de enfermedad en el aliento exhalado. Sus últimos hallazgos aparecen en la revista Nature Photonics.
Fuente única de pulsos ultracortos
El hecho de que la luz que percibimos no representa el espectro completo de radiación emitida por el Sol fue reconocida por primera vez a principios del siglo XIX por el astrónomo británico de origen alemán William Herschel. Al analizar la luz solar con un prisma y una matrizEn los termómetros, detectó un aumento en la temperatura ambiente más allá del extremo rojo del espectro visible: Herschel había descubierto la luz infrarroja. Hoy en día, la radiación infrarroja no solo se utiliza para investigar la naturaleza de las estrellas, sino que también puede informarnos sobre los procesos en elmicrocosmos. Junto con sus colaboradores en el Instituto de Ciencias Fotónicas ICFO en Barcelona, los investigadores de Munich han construido un sistema láser que proporciona una fuente brillante de luz infrarroja media y un control preciso sobre sus propiedades.
Con este nuevo láser, los científicos han creado una fuente de radiación infrarroja única y poderosa que les permite explotar varias características útiles de la luz láser a la vez. Primero, la radiación producida es extremadamente brillante: todos y cada uno de los pulsos cortos consta de enormes cantidadesde fotones de longitudes de onda similares. En segundo lugar, el ancho de banda óptico es muy amplio, cubriendo una gran parte de la región del infrarrojo medio, que se extiende de 6,8 a 18 µm de longitud de onda. La luz es coherente tanto espacial como temporalmente, es decir, se emite en forma bien definidapaquetes de ondas escalonadas con precisión, a intervalos regulares. Cada pulso láser dura aproximadamente 66 femtosegundos 1 fs = 10-15 s, lo que equivale a solo dos oscilaciones del campo óptico. No solo eso, el láser emite un tren de100 millones de pulsos de este tipo por segundo.
Estas capacidades convierten el nuevo láser en un reflector que puede detectar e identificar cantidades mínimas de moléculas disueltas en líquidos o gases. Para cuando la radiación infrarroja interactúa con una especie molecular determinada, las longitudes de onda de la luz que absorbe dependen de su estructura atómicaAsí, el conjunto de longitudes de onda infrarrojas absorbidas por un tipo dado de molécula sirve como una huella digital única para esa sustancia en particular. Este espectro de absorción se puede medir porque los fotones absorbidos faltan en la radiación que emerge de tal interacción entre la luz y la materia.De esta manera, la luz transmitida permite deducir las estructuras de las moléculas con las que la luz interactúa en su paso, y así identificar los solutos y sus concentraciones en la muestra ". Dado que ahora poseemos una fuente compacta de alta intensidady luz infrarroja coherente, tenemos una herramienta que puede servir como un sensor extremadamente sensible para la detección de moléculas, y es adecuada fo producción en serie ", dice el líder del proyecto, Dr. Ioachim Pupeza, científico del personal de la Cátedra de Física Experimental de LMU - Física láser.
Encontrar agujas en pajares
El láser infrarrojo fue diseñado con una aplicación particular en mente: el diagnóstico temprano de enfermedades potencialmente letales. La idea es utilizar los pulsos infrarrojos para identificar y cuantificar los marcadores de enfermedades presentes en el aire exhalado. Muchas enfermedades, incluidos algunos tipos de cáncer, se cree que producen moléculas específicas que terminan en el aire que expulsamos de nuestros pulmones. "Suponemos que el aliento exhalado contiene más de 1000 especies moleculares diferentes", dice el Dr. Alexander Apolonskiy de la Cátedra de Física Experimental - Física láser enLMU. Además, las concentraciones de biomarcadores moleculares presentes en la respiración exhalada son extraordinariamente bajas. Los investigadores estiman que necesitarán un instrumento capaz de detectar una sustancia específica presente en niveles de 1 parte por mil millones en la respiración exhalada ". Gracias a la coherencia dela luz generada por el nuevo láser, deberíamos poder detectar moléculas específicas presentes en tales concentraciones minúsculas en mezclas complejas ", dice Ioachim Pupeza.La otra característica crucial es la cobertura espectral extremadamente amplia que ofrece esta fuente de radiación infrarroja de alta intensidad."Es esta propiedad la que hace posible distinguir entre diferentes huellas digitales moleculares y, por lo tanto, detectar marcadores de diagnóstico de precursores de cáncer", dice el profesor Jens Biegert, que está investigando nuevas fuentes de infrarrojos y sus aplicaciones en el ICFO de Barcelona.
El nuevo láser aún está en desarrollo. El siguiente paso será acoplar el láser de sub-dos ciclos con un nuevo sistema amplificador. El objetivo principal es aumentar aún más el número de fotones en cada pulso, es decir, mejorar elBrillo de la luz entregada al objetivo. "De esta manera, nuestro objetivo es mejorar la sensibilidad del sistema en un factor de 1000", dice Pupeza. Eso permitiría detectar una molécula objetivo en una muestra que contiene un billón irrelevanteespecies.
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Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universitaet Muenchen LMU . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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