Nowa technika zwana „fieldoskopią femtosekundową” opracowana przez Instytut Maxa Plancka umożliwia precyzyjne wykrywanie biomarkerów w niewielkich ilościach cieczy za pomocą ultrakrótkich impulsów laserowych.
Metoda ta zapewnia wyraźny molekularny „odcisk palca” umożliwiający identyfikację konkretnych cząsteczek i otwiera możliwości zaawansowanych badań i zastosowań biomedycznych.
Przełom w wykrywaniu biomarkerów
W ramach przełomowego opracowania w zakresie wykrywania biomarkerów naukowcy z Instytutu Nauk o Świetle im. Maxa Plancka wprowadzili nową technikę znaną jako „fieldoskopia femtosekundowa”. Metoda ta pozwala na bardzo precyzyjny pomiar niewielkich ilości cieczy, aż do poziomu mikromolowego, z wyjątkową czułością w widmie bliskiej podczerwieni. Postęp ten otwiera ekscytujące możliwości bioobrazowania bez etykiet i wykrywania cząsteczek docelowych w środowiskach wodnych, co może znaleźć obiecujące zastosowania w naukach biomedycznych.
Ultrakrótkie impulsy laserowe mogą powodować wibracje cząsteczek, przypominające dźwięk dzwonka za pomocą szybkiego dotknięcia. Pobudzone tymi krótkimi impulsami świetlnymi cząsteczki generują sygnał zwany „rozpadem swobodnej indukcji” (FID), który zawiera cenne informacje o cząsteczkach. Sygnał ten, trwający zaledwie jedną bilionową sekundy, zapewnia wyraźny „odcisk palca” cząsteczki. Fieldoskopia femtosekundowa poprawia wykrywanie tego sygnału, oddzielając go od samego impulsu laserowego, co ułatwia obserwację reakcji cząsteczki bez zakłóceń. Ten przełom pozwala naukowcom identyfikować określone cząsteczki o wyjątkowych właściwościach dokładnośćumożliwiając czystszą i pozbawioną zakłóceń detekcję markerów biologicznych.
W ramach potwierdzenia koncepcji badacze wykazali możliwość pomiaru słabych kombinacji pasm w wodzie i etanolu w stężeniach tak niskich jak 4,13 mikromola, co pokazało precyzję i potencjał tej techniki.
Postęp w ultraszybkim pomiarze pulsu
Sercem tej techniki jest wytwarzanie ultrakrótkich impulsów świetlnych o dużej mocy, osiągane przy użyciu włókien kryształu fotonicznego wypełnionych gazem. Impulsy te, skompresowane do niemal jednego cyklu fali świetlnej, są łączone w celu detekcji ze stabilnymi fazowo impulsami bliskiej podczerwieni. Metoda wykrywania pola, próbkowanie elektrooptyczne, może mierzyć te ultraszybkie impulsy z szerokością pasma detekcji bliską petahercowi, przechwytując pola z rozdzielczością czasową 400 attosekund. Ta niezwykła rozdzielczość czasowa umożliwia naukowcom obserwację interakcji molekularnych z niesamowitą precyzją.
„Nasze odkrycia znacznie zwiększają możliwości analityczne analizy próbek cieczy, zapewniając wyższą czułość i szerszy zakres dynamiczny” – powiedział Anchit Srivastava, doktorant w Instytucie Nauki o Świetle Maxa Plancka. „Co ważne, nasza technika pozwala nam odfiltrować sygnały zarówno z fazy ciekłej, jak i gazowej, co prowadzi do dokładniejszych pomiarów”.
Hanieh Fattahi wyjaśnia: „Dzięki jednoczesnemu pomiarowi informacji o fazie i intensywności otwieramy nowe możliwości w zakresie spektroskopii biologicznej o wysokiej rozdzielczości. Badania te nie tylko przesuwają granice metrologii terenowej, ale także pogłębiają naszą wiedzę na temat ultraszybkich zjawisk i mają potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach, w tym w chemii i biologii, gdzie niezbędne jest precyzyjne wykrywanie molekularne”.
Odniesienie: „Poleoskopia bliskiego petaherca cieczy” autorstwa Anchita Srivastavy, Andreasa Herbsta, Mahdiego M. Bidhendiego, Maxa Kiekera, Francesco Tani i Hanieh Fattahi, 21 października 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01548-2
