Inovações para a saúde: quando a espetroscopia molecular se encontra com os lasers e a fotónica
"Uma ferramenta de diagnóstico puramente ótica, minimamente invasiva e sem rótulos poderia representar um avanço significativo no diagnóstico de saúde..."
Uma equipa liderada por Tim Laarmann, cientista do DESY, conseguiu detetar as "impressões digitais vibracionais" das moléculas de glicose numa solução aquosa, utilizando um método ótico não linear na gama espetral do infravermelho médio, conhecido como geração de soma de frequências vibracionais de banda ultralarga (VSFG). No centro deste estudo está um espetrómetro VSFG de última geração que funciona eficazmente a baixas concentrações de amostras fisiologicamente relevantes, na ordem dos 10 milimolares ou cerca de 180 miligramas por decilitro de solução aquosa de glucose. Os resultados acabam de ser publicados na revista Optics Express.
Representação artística da impressão digital espetral utilizando a geração de frequências de soma de vibração de banda ultralarga (VSFG) em concentrações baixas e biologicamente relevantes.
Tim Laarmann
A espetroscopia não linear no infravermelho médio é uma das várias técnicas que os investigadores podem utilizar para detetar moléculas. Mede o espetro vibracional de baixa frequência de uma molécula, revelando assim uma impressão digital caraterística de uma substância. Os investigadores têm vindo a utilizar a espetroscopia VSFG desde 1999 para investigar as propriedades vibracionais da glucose na gama espetral de 2800 a 3000 números de onda. No entanto, não existe um único estudo publicado de VSFG sobre a glucose na gama de baixas frequências entre 1000 e 1200 números de onda, embora seja muito adequada para fornecer impressões digitais vibracionais caraterísticas num ambiente aquoso. Em particular, os modos de estiramento das ligações carbono-oxigénio nesta gama espetral são muito sensíveis à concentração de glucose. "O nosso espetrómetro tem uma elevada probabilidade de deteção de 900 a 1400 números de onda na gama de impressões digitais, o que torna a configuração muito versátil para aplicações biológicas", explica Cheng Luo, doutorando do grupo de Laarmann e primeiro autor do estudo. Na área da saúde, por exemplo, a elevada sensibilidade nesta vasta gama espetral é uma enorme vantagem, uma vez que esta técnica pode ser utilizada para detetar e identificar moléculas que estão envolvidas em muitos processos relacionados com a saúde.
O DESY e a empresa Class 5 Photonics, uma spin-off do DESY e do Instituto Helmholtz de Jena fundada em 2014, desenvolveram em conjunto um componente-chave desta tecnologia: um laser OPCPA personalizado (abreviatura de "Optical Parametric Chirped Pulse Amplification") na gama espetral do infravermelho médio que utiliza um cristal LiGaS2 não linear. "Para o conseguir, investigámos diferentes cristais ópticos e desenvolvemos um novo tipo de arquitetura de laser chamado protótipo White Dwarf HE DFG ", explica Robert Riedel, CEO e cofundador da Class 5 Photonics. O projeto de investigação conjunto foi financiado no âmbito do programa "PROFI Transfer Plus" do Banco de Investimento e Desenvolvimento de Hamburgo (IFB). O sistema laser inovador gera impulsos de banda larga centrados em 9 micrómetros com uma duração de impulso impressionante de apenas 114 femtossegundos, uma potência média elevada de 245 miliwatts e uma energia de impulso de 1,2 microjoules a uma elevada taxa de repetição de 200 kilohertz. Até à data, este tipo de laser não estava disponível no mercado.
"As aplicações potenciais desta investigação vão para além da deteção da glicose", afirma Mahesh Namboodiri, um pós-doutorado da equipa de investigação de Tim Laarmann. Namboodiri é responsável pelo desenvolvimento da espetroscopia VSFG e da microscopia VSFG. Os investigadores estão convencidos de que a capacidade de detetar substâncias relevantes em baixas concentrações em interfaces complexas abrirá novos caminhos nos cuidados de saúde. "Uma ferramenta de diagnóstico puramente ótica, minimamente invasiva e sem rótulos pode representar um avanço significativo no diagnóstico dos cuidados de saúde, uma vez que facilita o acesso a informações moleculares tão específicas em aplicações clínicas", explica Laarmann, que também está envolvida na investigação do grupo "CUI: Advanced Imaging of Matter" no Cluster of Excellence da Universidade de Hamburgo. A compreensão dos mecanismos moleculares nas interfaces, por exemplo na formação de biofilmes bacterianos, pode conduzir a melhores estratégias de controlo de infecções", sublinha Namboodiri. Namboodiri candidatou-se com êxito a um financiamento do Programa Gerador DESY (DGP) para levar o conceito e a aplicação da tecnologia à maturidade do mercado.
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