Le molecole sono gli elementi costitutivi della vita. Come tutti gli altri organismi, siamo fatti di loro. Controllano il nostro bioritmo, e possono anche riflettere il nostro stato di salute. I ricercatori guidati da Ferenc Krausz presso il Laboratory for Attosecond Physics (LAP) - una joint venture tra Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) e il Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) a Monaco di Baviera - vogliono utilizzare la brillante luce infrarossa per studiare marcatori di malattia in modo molto più dettagliato, ad esempio per facilitare la diagnosi precoce del cancro. Il team ha sviluppato una potente sorgente di luce a femtosecondi che emette a lunghezze d'onda comprese tra 1,6 e 10,2 micrometri. Questo strumento dovrebbe consentire di rilevare le molecole organiche presenti in concentrazioni estremamente basse nel sangue o nell'aria aspirata.

Miriadi di molecole reagiscono in modi altamente specifici alla luce di determinate lunghezze d'onda nella regione del medio infrarosso. Assorbendo particolari lunghezze d'onda, ogni tipo di molecola in un campione imprime una firma specifica sul raggio trasmesso, che funge da impronta molecolare. Con una sorgente di luce nel medio infrarosso a banda larga si rilevano le impronte digitali di molte strutture molecolari contemporaneamente - in un campione di sangue o aria aspirata, Per esempio. Se il campione contiene molecole marker associate a stati patologici specifici, anche questi riveleranno la loro presenza nello spettro della luce infrarossa trasmessa.

I fisici del LAP hanno ora costruito una tale sorgente di luce, che copre le lunghezze d'onda comprese tra 1,6 e 10,2 micron. Il sistema laser mostra una potenza di uscita media a livello di watt, ed è ben focalizzabile, il che si traduce in una sorgente di luce infrarossa altamente brillante. Questa caratteristica migliora la capacità di rilevare le molecole presenti in concentrazioni estremamente basse. Inoltre, il laser può produrre treni di impulsi a femtosecondi, che consente di eseguire misurazioni risolte nel tempo, a basso rumore e ad alta precisione.

Attualmente, La spettroscopia infrarossa si basa spesso sull'uso di luce incoerente, che fornisce la copertura dell'intera regione del medio infrarosso. Però, la brillantezza relativamente bassa del fascio prodotto da sorgenti incoerenti riduce notevolmente la capacità di rilevare impronte molecolari molto deboli. La radiazione di sincrotrone prodotta negli acceleratori di particelle può essere utilizzata in alternativa, ma tali strutture scarseggiano e sono estremamente costose. Però, i metodi basati sul laser possono generare fasci ancora più luminosi dei sincrotroni. I fisici del LAP sono ora riusciti a costruire una sorgente luminosa coerente che produce una luce laser brillante su un'ampia regione spettrale nella gamma dell'infrarosso. Questo era il principale svantaggio delle sorgenti laser Inoltre, il nuovo sistema ha un ingombro molto ridotto (ed è molto meno costoso) di un sincrotrone:si adatta a un grande tavolo.

"Certo, c'è ancora molta strada da fare prima di poter diagnosticare il cancro in una fase molto precoce rispetto a quella attuale. Abbiamo bisogno di una migliore comprensione dei marcatori di malattia e dobbiamo progettare un modo efficiente per quantificarli, Per esempio, "dice Marcus Seidel, uno dei ricercatori coinvolti nel progetto. "Ma ora avendo a disposizione sorgenti luminose notevolmente migliorate, possiamo iniziare ad affrontare questi problemi." Inoltre, il nuovo sistema laser troverà applicazioni in aree al di là delle bioscienze. Dopotutto, l'osservazione precisa delle molecole e delle loro trasformazioni è al centro sia della chimica che della fisica.