Molekyler är livets byggstenar. Precis som alla andra organismer, vi är gjorda av dem. De styr vår biorytm, och de kan också spegla vårt hälsotillstånd. Forskare under ledning av Ferenc Krausz vid Laboratory for Attosecond Physics (LAP) – ett joint venture mellan Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) och Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) i München – vill använda briljant infrarött ljus för att studera molekylärt ljus sjukdomsmarkörer i mycket större detalj, till exempel för att underlätta cancerdiagnostik i ett tidigt stadium. Teamet har utvecklat en kraftfull femtosekundsljuskälla som sänder ut vid våglängder mellan 1,6 och 10,2 mikrometer. Detta instrument ska göra det möjligt att detektera organiska molekyler som finns i extremt låga koncentrationer i blod eller aspirerad luft.

Myriader av molekyler reagerar på mycket specifika sätt på ljus av vissa våglängder i det mellaninfraröda området. Genom att absorbera särskilda våglängder, varje typ av molekyl i ett prov trycker en specifik signatur på den transmitterade strålen, som fungerar som ett molekylärt fingeravtryck. Med en källa för bredbandigt mellaninfrarött ljus detekterar man fingeravtrycken från många molekylära strukturer samtidigt – i ett blodprov eller aspirerad luft, till exempel. Om provet innehåller markörmolekyler som är associerade med specifika sjukdomstillstånd, även dessa kommer att avslöja sin närvaro i spektrumet av det transmitterade infraröda ljuset.

LAP-fysiker har nu konstruerat en sådan ljuskälla, som täcker våglängderna mellan 1,6 och 10,2 mikron. Lasersystemet uppvisar genomsnittlig uteffekt på wattnivå, och är väl fokuserbar vilket resulterar i en mycket briljant infraröd ljuskälla. Denna funktion förbättrar förmågan att detektera molekyler som finns i extremt låga koncentrationer. Dessutom, lasern kan producera tåg av femtosekundpulser, vilket gör det möjligt att utföra såväl tidsupplösta som ljudsvaga och mycket exakta mätningar.

För närvarande, infraröd spektroskopi är ofta baserad på användningen av inkoherent ljus, som ger täckning av hela det mellaninfraröda området. Dock, den relativt låga briljansen hos strålen som produceras av inkoherenta källor minskar markant förmågan att upptäcka mycket svaga molekylära fingeravtryck. Synkrotronstrålning producerad i partikelacceleratorer kan alternativt användas, men sådana anläggningar är en bristvara och är extremt dyra. Dock, laserbaserade metoder kan generera ännu ljusare strålar än synkrotroner gör. Fysikerna på LAP har nu lyckats bygga en koherent ljuskälla som producerar briljant laserljus över ett brett spektralområde i det infraröda området. Det brukade vara den stora nackdelen med laserkällor. det nya systemet har ett mycket mindre fotavtryck (och är mycket billigare) än en synkrotron:det passar på ett stort bord.

"Självklart, det är fortfarande en lång väg kvar tills vi kan diagnostisera cancer i mycket tidigt skede än för närvarande. Vi behöver en bättre förståelse för sjukdomsmarkörer och vi måste utforma ett effektivt sätt att kvantifiera dem, till exempel, säger Marcus Seidel, en av forskarna som är involverade i projektet. "Men nu har avsevärt förbättrade ljuskällor tillgängliga, vi kan börja ta itu med dessa problem." Dessutom, det nya lasersystemet kommer att hitta tillämpningar inom områden utanför biovetenskap. Trots allt, den exakta observationen av molekyler och deras transformationer är också kärnan i både kemi och fysik.