Innovazioni per la salute: quando la spettroscopia molecolare incontra i laser e la fotonica
"Uno strumento diagnostico puramente ottico, minimamente invasivo e privo di etichette potrebbe rappresentare un progresso significativo nella diagnostica sanitaria..."
Un team guidato da Tim Laarmann, scienziato del DESY, è riuscito a rilevare le "impronte digitali vibrazionali" delle molecole di glucosio in soluzione acquosa utilizzando un metodo ottico non lineare nell'intervallo spettrale del medio infrarosso, noto come generazione di somma di frequenze vibrazionali a banda ultra larga (VSFG). Il cuore di questo studio è uno spettrometro VSFG all'avanguardia che funziona efficacemente a basse concentrazioni di campione fisiologicamente rilevanti, nell'ordine di 10 millimolari o circa 180 milligrammi per decilitro di soluzione acquosa di glucosio. I risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista Optics Express.
Rappresentazione artistica dell'impronta digitale spettrale utilizzando la generazione di frequenza somma di vibrazioni a banda ultra larga (VSFG) a basse concentrazioni biologicamente rilevanti.
Tim Laarmann
La spettroscopia non lineare nel medio infrarosso è una delle numerose tecniche che i ricercatori possono utilizzare per rilevare le molecole. Misura lo spettro vibrazionale a bassa frequenza di una molecola, rivelando così un'impronta digitale caratteristica di una sostanza. Dal 1999 i ricercatori utilizzano la spettroscopia VSFG per studiare le proprietà vibrazionali del glucosio nell'intervallo spettrale compreso tra 2800 e 3000 wavenumbers. Tuttavia, non è stato pubblicato alcuno studio VSFG sul glucosio nell'intervallo di bassa frequenza compreso tra 1000 e 1200 wavenumbers, sebbene sia molto adatto a fornire impronte vibrazionali caratteristiche in ambienti acquosi. In particolare, i modi di stretching dei legami carbonio-ossigeno in questo intervallo spettrale sono molto sensibili alla concentrazione di glucosio. "Il nostro spettrometro ha un'alta probabilità di rilevamento di 900-1400 wavenumbers nell'intervallo delle impronte digitali, il che rende il setup molto versatile per le applicazioni biologiche", spiega Cheng Luo, dottorando del gruppo di Laarmann e primo autore dello studio. Nel settore sanitario, ad esempio, l'elevata sensibilità in questo ampio intervallo spettrale rappresenta un enorme vantaggio, poiché questa tecnica può essere utilizzata per rilevare e identificare molecole coinvolte in molti processi legati alla salute.
Il DESY e l'azienda Class 5 Photonics, uno spin-off del DESY e dell'Helmholtz Institute Jena fondato nel 2014, hanno sviluppato congiuntamente un componente chiave di questa tecnologia: un laser OPCPA personalizzato (abbreviazione di "Optical Parametric Chirped Pulse Amplification") nell'intervallo spettrale del medio infrarosso che utilizza un cristallo LiGaS2 non lineare. "Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo studiato diversi cristalli ottici e sviluppato un nuovo tipo di architettura laser chiamata prototipo White Dwarf HE DFG ", spiega Robert Riedel, CEO e co-fondatore di Class 5 Photonics. Il progetto di ricerca congiunto è stato finanziato nell'ambito del programma "PROFI Transfer Plus" della Banca di Amburgo per gli investimenti e lo sviluppo (IFB). L'innovativo sistema laser genera impulsi a banda larga centrati su 9 micrometri con un'impressionante durata dell'impulso di soli 114 femtosecondi, un'elevata potenza media di 245 milliwatt e un'energia dell'impulso di 1,2 microjoule a un'elevata frequenza di ripetizione di 200 kilohertz. In precedenza un laser di questo tipo non era disponibile in commercio.
"Le potenziali applicazioni di questa ricerca vanno oltre il rilevamento del glucosio", afferma Mahesh Namboodiri, postdoc nel team di ricerca di Tim Laarmann. Namboodiri è responsabile dell'ulteriore sviluppo della spettroscopia VSFG e della microscopia VSFG. I ricercatori sono convinti che la capacità di rilevare sostanze rilevanti a basse concentrazioni in interfacce complesse aprirà nuove strade nel settore sanitario. "Uno strumento diagnostico puramente ottico, minimamente invasivo e privo di etichette potrebbe rappresentare un progresso significativo nella diagnostica sanitaria, in quanto facilita l'accesso a informazioni molecolari così specifiche nelle applicazioni cliniche", spiega Laarmann, che è anche coinvolto nella ricerca del cluster "CUI: Advanced Imaging of Matter" presso il Cluster of Excellence dell'Università di Amburgo. La comprensione dei meccanismi molecolari alle interfacce, ad esempio nella formazione di biofilm batterici, potrebbe portare a migliori strategie di controllo delle infezioni", sottolinea Namboodiri. Egli ha richiesto con successo un finanziamento dal Programma Generatore DESY (DGP) per portare il concetto e l'applicazione della tecnologia alla maturità del mercato.
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