阿特秒物理实验室的科学家已经开发出一种独特的激光技术，用于分析生物样品的分子组成。它能够检测有机体化学组成中最小的变化。在生物化学层面上，生物体可以被认为是许多种分子的复杂集合。生物细胞在新陈代谢过程中合成化合物，并以多种方式进行修饰。这些产物中的许多被释放到细胞间介质中，并在包括血液在内的体液中积累。生物医学研究的一个主要目的是：了解这些极其复杂的分子混合物能告诉我们有关有机体的状态。  
所有分化的细胞类型都促成了这个“汤”，但是癌前细胞和恶性肿瘤细胞增加了它们自己的特定分子标记，这些标记提供了体内肿瘤细胞存在的第一个迹象。然而，到目前为止，这些指示分子中只有很少一部分被识别出来，而那些已知分子在生物样本中出现的数量很少，这使得它们极难被检测到。
 
研究人员假设，许多信息量最大的分子签名包括属于细胞中所有不同类型分子的化合物组合，蛋白质、糖、脂肪及其各种衍生物。为了定义它们，研究人员需要一种单一的分析方法，这种方法具有足够的通用性和灵敏度，足以检测和测量它们的水平。由Ferenc Krausz教授领导的一个跨学科团队，现在已经建造了一种专门为此目的而设计的基于激光新系统。 该小组的总部设在阿托秒物理实验室(LAP)，该实验室由慕尼黑的路德维希-马克西米利安-大学(LMU)和马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)联合运营，成员包括物理学家、生物学家和数据科学家。这个系统使研究人员能够获得红外光谱形式的化学指纹，揭示各种样品的分子组成，包括生物来源的样品。这项技术提供了前所未有的灵敏度，可以用于所有已知类别的生物分子。
 
新激光光谱仪建立在最初在LAP上开发用于产生超短激光脉冲的技术之上，超短激光脉冲用于研究亚原子系统的超快动力学。这台仪器是由物理学家约阿希姆·普佩扎(Ioachim Pupeza)和同事们建造，旨在发射极其强大的激光脉冲，覆盖红外波长的大部分光谱。
  这些脉冲中的每一个都持续几飞秒（在科学记数法中，1fs=10^-15s）。这些极其短暂的红外线闪光导致连接原子的键振动。其效果类似于敲打音叉的效果，脉冲通过后，振动的分子以高特征波长或相当于振荡频率发射相干光。这项新技术使得捕获发射波长的完整集合成为可能。由于样品中的每一种不同化合物都以一组特定的频率振动，它为发射贡献了自己定义良好的“亚谱”，没有分子可以有藏身之处。
 
这项研究的第一作者、生物学家米哈拉·齐格曼(Mihaela Zigman)团队的成员马利纳斯·胡伯(Marinus Huber)说：使用这种激光器，我们可以覆盖从6微米到12微米的广泛红外波长，这些波长可以刺激分子的振动。与质谱不同的是，这种方法提供了对生物样本中发现的所有类型分子的访问。用于激发分子的每个超短激光脉冲只由光场的几次振荡组成。此外，脉冲的光谱亮度（即其光子密度）高达传统同步加速器产生光谱亮度的两倍，到目前为止，传统同步加速器一直是分子光谱可比方法的辐射源。
 
此外，红外辐射在空间和时间上都是相干的，所有这些物理参数共同解释了新激光系统极高的灵敏度，使极低浓度的分子能够被探测到，并产生高精度的分子指纹。此外，厚度达0.1毫米的活组织样本现在可以用红外线照明，并以无与伦比的灵敏度进行分析。在最初的实验中，该小组在圈内将这项技术应用于树叶和其他活细胞，以及血液样本。这种精确测量体液分子组成变化的能力，为生物学和医学开辟了新的可能性，在未来，这项技术可能会在疾病的早期检测中找到应用。
 
博科园｜研究/来自：慕尼黑路德维希马克西米利安大学