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Ein Kamm zum Entwirren der molekularen Struktur von Stoffen

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler eine neue Art der Spektroskopie im Frequenzbereich gezeigt, die für die Auflösung von Molekülen entscheidend ist. Dank der kompakten Gerätegröße kann es von Forschungs- und Krankenhauslaboren auf der ganzen Welt leicht angepasst werden.
Ein Kamm zum Entwirren der molekularen Struktur von Stoffen
Eine grafische Darstellung eines optischen Frequenzkamms kann auf die folgende Weise beschrieben werden: sehr feine Zähne in einem wunderschönen Kontinuum aus verschiedensten Farben und Längen. Das Spektrum wird aus Millionen von ultrakurzen, eng beieinander liegenden Laserlichtimpulsen in verschiedenen Farben erzeugt, die den Millionen unterschiedlichen Frequenzen (oder Wellenlängen) im elektromagnetischen Sektrum entsprechen.

Frequenzkämme, eingeführt in den 1990ern, haben die Messung von Frequenz und Zeit revolutioniert. Sie sind in der optischen Metrologie weit verbreitet, haben den Weg zu Atomuhren bereitet und die höchste bisher in der Laserspektroskopie erzielte Auflösung ermöglicht.

Beim Betreten des Reichs der Molekularspektroskopie ermöglicht ihre enorme spektrale Abdeckung mit der sehr hohen spektralen Auflösung jedes "Zahns" des Kamms eine Bestimmung der einzelnen Atome und Moleküle. Bis jetzt wurde die Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich, was einer Wellenlänge von 2 bis 20 Mikrometer entspricht, der sogenannte molekulare Fingerabdruck, jedoch kaum von medizinischen und wissenschaftlichen Fachleuten eingesetzt. Dies ist auf die sperrige Beschaffenheit des Systems zurückzuführen, auferlegt durch eine indirekte Produktionsmethode des mittleren Infrarotspektrums.

Basierend auf neuen Techniken und einer Materialauswahl, die eine kompakte Verpackung ermöglicht, konnten Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts "Monolithic frequency comb generators in the mid-infrared" (IRCOMB) zum ersten Mal die direkte Produktion von Frequenzkämmen für den mittleren Infrarotbereich nachweisen. Die miniaturisierte Quelle besteht aus einem kristallinen Mikroresonator, der mit einem Dauerstrich-Laser gepumpt wird. Unter Verwendung eines nicht-linearen Verfahrens mit dem Namen Vierwellenmischung haben die Wissenschaftler ein breites Kammspektrum von beinahe 2,5 Mikrometern produziert, das bereit ist, Wissenschaft und Medizin zu revolutionieren.

IRCOMB hat die Frequenzkammspektroskopie auf den Bereich des molekularen Fingerabdrucks ausgeweitet – mit einem kleinen kompakten Gerät, das für Fachleute aus Medizin und Wissenschaft geeignet ist. Die äußerst hochauflösende Technologie verspricht eine neue Tür zum Verständnis von Molekülen, aus denen technische Materialien, lebende Organismen und das Universum bestehen, zu öffnen.

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