La música de las moléculas

Mejora significativamente el "sentido del olfato" de la espectroscopia láser molecular: Aumenta las posibilidades de detectar enfermedades de forma fiable

25.08.2022 - Alemania

Las narices sensibles de los animales pueden olfatear trazas de partículas, como los compuestos orgánicos volátiles, en el aire ambiente. Los humanos, por su parte, están desarrollando tecnologías innovadoras para este fin, como la espectroscopia óptica. Ésta utiliza la luz láser para detectar la composición molecular de los gases. Esto abre la posibilidad de superar incluso estos éxitos "olfativos", también para sustancias que el olfato de los animales no puede percibir en absoluto. En la actualidad, el "poder olfativo" de la espectroscopia aún no explota su potencial. El principio en el que se basa: Si las moléculas se irradian con luz láser, comienzan a vibrar de forma característica y también emiten luz. Sin embargo, a bajas concentraciones, esta emisión es muy débil. Un grupo de científicos dirigido por el PD Dr. Ioachim Pupeza en el equipo attoworld de la Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), en colaboración con científicos de la Universidad de la Columbia Británica y el Instituto Leibniz de Tecnologías Fotónicas de Jena, demuestra ahora una forma de amplificar la radiación de las moléculas que sigue a la excitación, mejorando significativamente el "sentido del olfato" de la espectroscopia láser molecular.

Cuando un músico pulsa una cuerda de guitarra, ésta empieza a vibrar y emite un tono con un timbre y una modulación característicos del instrumento. Lo mismo ocurre cuando una molécula de gas es "golpeada" por un pulso láser ultracorto: absorbe parte de la energía del pulso láser. Sus átomos comienzan a vibrar. En lugar de una onda sonora, la molécula emite una forma de onda óptica característica que puede detectarse espectroscópicamente. Esta forma de onda contiene información sobre la composición molecular del gas. Por desgracia, esta "música de las moléculas" es muy suave. Esto se debe a que sólo una pequeña fracción de la energía contenida en el pulso se convierte en las ondas de luz que decaen lentamente y que contienen esta valiosa información.

Pulsos láser superpuestos temporalmente

Los investigadores del equipo de attoworld en el MPQ y la LMU, en colaboración con científicos de la Universidad de la Columbia Británica y el Instituto Leibniz de Tecnologías Fotónicas de Jena, han encontrado ahora una forma de amplificar las respuestas moleculares a la repetición de pulsos láser ultracortos en la llamada región espectral de la huella molecular. En la región espectral de las huellas dactilares, las moléculas orgánicas tienen sus resonancias características. Para ello, los físicos enviaron los pulsos a un resonador óptico lleno de gas. En el resonador, el haz de pulsos láser es guiado hacia sí mismo a través de varios espejos, de modo que los pulsos comienzan a solaparse temporalmente con sus predecesores y sucesores. Esto amplifica los pulsos y las respuestas moleculares. Los físicos del láser de attoworld han conseguido, por primera vez, acoplar estas formas de onda ópticas de respuestas moleculares reforzadas desde la cavidad y muestrearlas con espectroscopia de campo resuelto.

Antes de que esto fuera posible, había que superar una serie de retos. "Hasta ahora, los resonadores ópticos pasivos sólo podían cubrir anchos de banda inferiores al 20 por ciento de la frecuencia óptica central y funcionaban sobre todo en longitudes de onda cercanas al infrarrojo", explica Philipp Sulzer, uno de los principales autores del estudio. "Sin embargo, para cubrir una porción significativa del rango de la huella en el infrarrojo medio, tuvimos que replantearnos qué elementos ópticos y mecanismos de bloqueo podían utilizarse para construir la cavidad. Además, los pulsos ultracortos para la espectroscopia resuelta en campo no deben cambiar su forma de onda durante una órbita a través del resonador", añade Maximilian Högner, el otro autor principal del estudio. Finalmente, los físicos del láser encontraron una configuración compuesta por cuatro espejos recubiertos de oro, aire con humedad controlada y una placa de diamante en forma de cuña para acoplar la luz dentro y fuera del resonador. Su método permite aumentar en más de 500 veces la energía contenida en la respuesta molecular que sigue a la excitación impulsiva.

Aumenta las posibilidades de detectar enfermedades de forma fiable

"El nuevo sistema de medición combina nuestro trabajo anterior sobre cavidades de mejora con nuestra experiencia en espectroscopia de campo. Los resultados abren perspectivas para la espectroscopia de gases de banda ancha con sensibilidades de una a un billón de partículas. Al mismo tiempo, debido a las líneas de absorción comparativamente estrechas en la fase gaseosa, la técnica ofrece un gran potencial para mezclas de gases complejas como el aliento humano, en el que algunos componentes están presentes en concentraciones muy altas, pero otros en concentraciones muy bajas", explica Ioachim Pupeza. "Nuestro nuevo enfoque aumenta las posibilidades de detectar con fiabilidad enfermedades a través del aliento humano en el futuro y proporcionar así, por ejemplo, nuevos métodos no invasivos para el seguimiento de las terapias."

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