Innovations pour la santé : quand la spectroscopie moléculaire rencontre les lasers et la photonique
"Un outil de diagnostic entièrement optique, peu invasif et sans étiquette pourrait représenter une avancée significative dans le domaine de la santé..."
Une équipe dirigée par Tim Laarmann, scientifique à DESY, a réussi à détecter les empreintes vibratoires des molécules de glucose dans une solution aqueuse en utilisant une méthode optique non linéaire dans la gamme spectrale de l'infrarouge moyen, appelée spectroscopie de génération de fréquences de somme vibratoire (VSFG) à bande ultra-large. La pièce maîtresse de cette étude est un spectromètre VSFG de pointe qui fonctionne efficacement à de faibles concentrations d'échantillons physiologiquement pertinentes de l'ordre de 10 mM, soit environ 180 mg/dl de glucose aqueux. Les résultats sont publiés dans la revue Optics Express.
Vue artistique de l'empreinte spectrale avec la spectroscopie de génération de somme de fréquences vibratoires (VSFG) à bande ultra-large à une faible concentration biologiquement pertinente.
Tim Laarmann
La spectroscopie non linéaire dans l'infrarouge moyen fait partie d'une série d'outils que les scientifiques peuvent utiliser pour tracer les molécules. Elle identifie le spectre vibratoire à basse fréquence d'une molécule, révélant ainsi l'empreinte digitale caractéristique d'une substance. Depuis 1999, les chercheurs utilisent la spectroscopie VSFG pour étudier les caractéristiques vibratoires du glucose dans la gamme spectrale de 2800 à 3000 cm-1. Jusqu'à présent, aucune étude VSFG n'a été publiée sur le glucose dans la gamme de basses fréquences entre 1000 et 1200 cm-1, qui est bien adaptée pour fournir des empreintes vibratoires caractéristiques dans les environnements aqueux. "Notre spectromètre a une efficacité de détection élevée de 900 à 1400 cm-1dans la région de l'empreinte, ce qui le rend très polyvalent pour les applications biologiques", explique Cheng Luo, étudiant en doctorat dans le groupe de Laarmann et premier auteur de l'étude. Dans des domaines tels que la santé, la sensibilité élevée dans la large gamme spectrale est un avantage considérable, car les molécules impliquées dans de nombreux processus importants pour la santé pourraient être détectées et identifiées à l'aide de cette technique.
DESY et la société Class 5 Photonics, fondée en 2014 en tant que spin-off de DESY et de l'Institut Helmholtz d'Iéna, ont collaboré pour développer un composant clé de cette technologie, à savoir un laser OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) infrarouge moyen sur mesure qui utilise un cristal LiGaS2 non linéaire. "Pour y parvenir, nous avons examiné différents cristaux optiques et créé une nouvelle architecture laser appelée White Dwarf HE DFG prototype", explique Robert Riedel, PDG et cofondateur de Class 5 Photonics. Le projet de recherche collaborative a été financé dans le cadre du programme "PROFI Transfer Plus" de la Hamburg Investments- and Förderbank (IFB). Ce système laser innovant génère des impulsions à large bande centrées sur 9 μm avec une durée d'impulsion impressionnante de seulement 114 fs, une puissance moyenne élevée de 245 mW et une énergie d'impulsion de 1,2 μJ à un taux de répétition élevé de 200 kHz. Un tel laser n'est pas encore disponible dans le commerce.
"L'impact de cette recherche va au-delà de la détection du glucose", déclare Mahesh Namboodiri, postdoc dans l'équipe de recherche de Tim Laarmann. Mahesh Namboodiri est responsable du développement continu de la spectroscopie VSFG et de la microscopie VSFG au sein de l'équipe. Les chercheurs sont convaincus que la capacité de détecter des substances pertinentes en faibles concentrations à des interfaces complexes ouvre de nouvelles voies dans le domaine des soins de santé. "Un outil de diagnostic entièrement optique, peu invasif et sans étiquette pourrait représenter une avancée significative dans la surveillance de la santé en facilitant l'accès à des informations moléculaires spécifiques dans les applications cliniques", explique M. Laarmann, qui participe également à la recherche au sein du cluster "CUI : Advanced Imaging of Matter" à l'université de Hambourg. "Par exemple, la compréhension des mécanismes moléculaires aux interfaces impliqués dans la formation de biofilms bactériens pourrait conduire à de meilleures stratégies de contrôle des infections", souligne Namboodiri. M. Namboodiri a réussi à obtenir un financement dans le cadre du programme DESY Générateur (DGP) afin de rapprocher le concept et l'application de la technologie de la maturité commerciale.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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