来自激发分子的红外辐射揭示了组织成分

由慕尼黑路德维希·马克西米利安大学（LMU）和马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）联合开展的原子秒物理实验室（LAP）的一个项目，开发了一种分子光谱技术，据称可以解决现有红外技术的某些长期局限性 。突破包括使用飞秒激光脉冲激发分子键的红外活性振动，从而产生辐射，这些辐射在原始激发之后连贯地加在一起，形成了高度特异性的指纹。该作品发表在《自然》上。通过测量分子的红外辐射，而不是像传统的红外光谱那样，测量样品吸收红外之后的透射率变化，该技术可以减少被测信号上任何不希望的热本底，从而提高检测灵敏度和动态范围。

良好的振动：揭示分子指纹

它也可以解决水分子吸收IR的问题，这不仅限制了生物系统中实际样品的厚度，而且使水性试剂在红外技术中的使用变得复杂。“使用这种激光器，我们可以覆盖6至12微米的宽范围红外波长，这些波长可以激发分子的振动，”项目团队的Marinus Huber说。 “与质谱法不同，此方法可提供对生物样品中发现的所有类型分子的访问。”当吸收特定频率的飞秒脉冲激光时，该技术依赖于样品分子中引起的振动。停止辐射后，这些振动会持续几皮秒，它们本身会产生相同频率的电磁辐射。然后使用近红外激光的第二探测脉冲来检测发射，记录原始分子的特征光谱。

生物学和医学的新可能性

该项目小组在其发表的论文中评论说：“振动激发的分子在经过短周期的红外激光激发后会发射出相干电场，并且该电场特定于样品的分子组成。”“通过电光采样，我们直接测量了这种整体分子指纹，其场强比激发的弱了107倍。这可以透射完整厚度为0.1毫米完整生物系统的透射光，从而可以进行宽带红外光谱探测人类细胞和植物的叶子。”

在人体血清试验中，该项目成功地从激发中分离出了红外电场指纹，其检测灵敏度优于每毫升血清微克，分子浓度的可检测动态范围超过10 5。该技术的进一步改进，例如增加照射激光的功率，可以帮助实现散装水中单分子敏感性的最终目标。使用替代波长将是另一种发展，因为许多最有用的分子标记包括属于细胞中发现的各种分子化合物的组合-蛋白质、糖、脂肪及其衍生物。根据项目团队的说法，一种通用且灵敏的分析方法足以检测和测量所有这些元素的水平，这将是一种有价值的临床技术。MPQ的Mihaela Zigman说：“这种准确测量体液分子组成变化的能力为生物学和医学开辟了新的可能性，并且将来该技术可以在疾病的早期检测中得到应用。”