Dokonując przełomu, który może zrewolucjonizować wykrywanie biomarkerów, naukowcy z Instytutu Nauk o Świetle im. Maxa Plancka opracowali nowatorską technikę zwaną „fieldoskopią femtosekundową”. Metoda ta umożliwia precyzyjny pomiar minimalnych ilości cieczy, aż do poziomu mikromolowego, z niezrównaną czułością w obszarze bliskiej podczerwieni. Otwiera nowe możliwości bioobrazowania bez etykiet i wykrywania cząsteczek docelowych w środowiskach wodnych, torując drogę zaawansowanym zastosowaniom biomedycznym.
Ultrakrótkie impulsy laserowe mogą powodować impulsywne wibracje cząsteczek, podobnie jak szybkie dotknięcie może wywołać dzwonek. Kiedy cząsteczki są wzbudzane przez te krótkie impulsy świetlne, wytwarzają sygnał zwany „rozpadem swobodnej indukcji” (FID), który niesie ważne informacje o cząsteczkach. Sygnał ten trwa tylko przez bardzo krótką chwilę (do jednego biliona sekundy) i stanowi wyraźny „odcisk palca” wibracji cząsteczki. W femtosekundowej soczewce pola przy użyciu ultrakrótkiego impulsu lasera sygnał cząsteczki jest oddzielany od samego impulsu lasera, co ułatwia wykrycie odpowiedzi wibracyjnej w sposób wolny od tła. Pozwala to naukowcom identyfikować określone cząsteczki z dużą precyzją, otwierając nowe możliwości wykrywania markerów biologicznych w czysty i wolny od zakłóceń sposób. Jako dowód, naukowcy po raz pierwszy z powodzeniem zademonstrowali możliwość pomiaru słabych pasm kombinacji w wodzie i etanolu w stężeniach tak niskich jak 4,13 mikromola.
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 znacząco 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 natężeniu otwieramy nowe możliwości w zakresie spektroskopii biologicznej o wysokiej rozdzielczości. Badania te nie tylko przesuwają granice metrologii z rozdzielczością polową, ale także pogłębiają nasze zrozumienie zjawisk ultraszybkich i mają potencjał zastosowań w różnych dziedzinach, w tym w chemii i biologii, gdzie niezbędna jest precyzyjna detekcja molekularna.”
