Innovaciones para la salud: cuando la espectroscopia molecular se une al láser y la fotónica
"Una herramienta de diagnóstico totalmente óptica, mínimamente invasiva y sin etiquetas podría representar un avance significativo en la salud..."
Un equipo dirigido por Tim Laarmann, científico del DESY, ha detectado con éxito las huellas vibracionales de las moléculas de glucosa en solución acuosa utilizando un método óptico no lineal en el rango espectral del infrarrojo medio denominado espectroscopia de generación de frecuencia suma vibracional de banda ultraancha (VSFG). La pieza central de este estudio es un espectrómetro VSFG de última generación que funciona eficazmente a bajas concentraciones de muestra fisiológicamente relevantes en el rango de 10 mM, o unos 180 mg/dl de glucosa acuosa. Los resultados se publican en la revista Optics Express.
Vista artística de la huella espectral con espectroscopia de generación de frecuencia suma vibracional (VSFG) de banda ultraancha a baja concentración biológicamente relevante.
Tim Laarmann
La espectroscopia no lineal en el infrarrojo medio forma parte de un conjunto de herramientas que los científicos pueden utilizar para rastrear moléculas. Identifica el espectro vibracional de baja frecuencia de una molécula, revelando una huella dactilar característica de una sustancia. Desde 1999, los investigadores han utilizado la espectroscopia VSFG para investigar las características vibracionales de la glucosa dentro del rango espectral de 2800 a 3000 cm-1. Hasta ahora, no se había publicado ningún estudio VSFG sobre la glucosa en el intervalo de baja frecuencia entre 1000 y 1200 cm-1, que es muy adecuado para proporcionar huellas vibracionales características en entornos acuosos. En concreto, los modos de estiramiento de los enlaces carbono-oxígeno en este intervalo espectral son muy sensibles a la concentración de glucosa. "Nuestro espectrómetro tiene una alta eficacia de detección de 900 a 1400 cm-1en la región de las huellas dactilares, lo que lo hace muy versátil para aplicaciones biológicas", explica Cheng Luo, estudiante de doctorado del grupo de Laarmann y primer autor del estudio. En campos como la sanidad, la alta sensibilidad en el amplio rango espectral supone una enorme ventaja, ya que con esta técnica podrían detectarse e identificarse moléculas implicadas en muchos procesos relevantes para la salud".
DESY y la empresa Class 5 Photonics, fundada en 2014 como spin-off de DESY y el Helmholtz-Institute Jena, colaboraron para desarrollar un componente clave de esta tecnología, que es un láser OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) de infrarrojo medio fabricado a medida que utiliza un cristal LiGaS2 no lineal. "Para conseguirlo, examinamos distintos cristales ópticos y creamos una novedosa arquitectura láser denominada prototipo White Dwarf HE DFG ", explica Robert Riedel, director general y cofundador de Class 5 Photonics. El proyecto de investigación en colaboración fue financiado por el programa "PROFI Transfer Plus" del Hamburg Investments- and Förderbank (IFB). Este innovador sistema láser genera pulsos de banda ancha centrados en 9 μm con una impresionante duración de pulso de sólo 114 fs, una elevada potencia media de 245 mW y una energía de pulso de 1,2 μJ a una alta frecuencia de repetición de 200 kHz. Hasta ahora no se comercializaba un láser de estas características.
"El impacto de esta investigación va más allá de la detección de glucosa", afirma Mahesh Namboodiri, investigador postdoctoral del equipo de Tim Laarmann. Namboodiri es responsable del desarrollo en curso de la espectroscopia VSFG y la microscopia VSFG en el equipo. Los investigadores están convencidos de que la capacidad de detectar sustancias relevantes en bajas concentraciones en interfaces complejas abre nuevas vías en la atención sanitaria. "Una herramienta de diagnóstico totalmente óptica, mínimamente invasiva y sin etiquetas podría representar un avance significativo en la vigilancia de la salud al facilitar el acceso a información molecular tan específica en aplicaciones clínicas", explica Laarmann, que también participa en la investigación del clúster "CUI: Advanced Imaging of Matter" de la Universidad de Hamburgo. "Por ejemplo, comprender los mecanismos moleculares en las interfaces implicadas en la formación de biopelículas bacterianas podría conducir a mejores estrategias de control de infecciones", señala Namboodiri. Namboodiri ha solicitado con éxito financiación a través del Programa Generador DESY (DGP) para acercar el concepto y la aplicación de la tecnología a la madurez de mercado.
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