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Ein Team von Physikern an der CU Boulder und des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben nur für eine viel größere Reihe von Substanzen eine ähnliche Leistung der Erkennung erreicht.
Die Gruppe hat ein neues laserbasiertes Gerät entwickelt, das jede Gasprobe aufnehmen und eine große Vielfalt der darin enthaltenen Moleküle identifizieren kann. Es ist empfindlich genug, diese Moleküle in winzigen Konzentrationen bis zu Teilen pro Billion zu erkennen. Sein Design ist auch einfach genug, dass Forscher die Methode schnell und zu niedrigen Kosten in einer Reihe von Umgebungen anwenden können, von der Diagnose von Krankheiten bei menschlichen Patienten bis hin zur Verfolgung von Treibhausgasemissionen aus Fabriken.
Die Studie wurde von Wissenschaftlern von Jila geleitet, einem gemeinsamen Forschungsinstitut zwischen Cu Boulder und NIST. Das Team wird seine Ergebnisse am 19. Februar in der Zeitschrift veröffentlichen Natur.
„Noch heute finde ich es unglaublich, dass das fähigste Erfassungswerkzeug tatsächlich mit einer solchen Einfachheit gebaut werden kann, wobei nur reife technische Zutaten verwendet werden, aber mit einem cleveren Berechnungsalgorithmus verbunden sind“ Student bei Jila.
Um zu zeigen, wozu das Werkzeug fähig ist, bohren Liang und seine Kollegen auf eine wichtige Frage in der Medizin: Was ist in der Luft, die Sie ausatmen?
Das Team analysierte Atemproben von realen menschlichen Probanden und zeigte, dass sie beispielsweise die Arten von Bakterien identifizieren konnten, die im Mund der Menschen leben. Die Technik könnte einem Tag Ärzten helfen, Lungenkrebs, Diabetes, chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) und vieles mehr zu diagnostizieren.
Physiker Jun Ye, leitender Autor der Studie, sagte, dass die neue Arbeit auf fast drei Jahrzehnten der Forschung zur Quantenphysik an der Cu Boulder und NIST aufbaut – insbesondere um eine Art spezialisiertes Gerät, das als Frequenzkammlaser bekannt ist.
„Der Frequenzkammlaser wurde ursprünglich für optische Atomuhren erfunden, aber sehr früh haben wir seine leistungsstarke Anwendung für die molekulare Erfassung identifiziert“, sagte Ye, ein Stipendiat von Jila und NIST und Professor an der Physik in Cu Boulder. „Trotzdem brauchten wir 20 Jahre, um diese Technik zu reifen, und ermöglichte schließlich eine universelle Anwendbarkeit für die molekulare Erfassung.“
Eine zitternde Höhle
Um zu verstehen, wie die Technologie des Teams funktioniert, hilft es zu verstehen, dass alle Gase, von reinem Kohlendioxid bis zu Ihrem stinkenden Atem, nachdem Sie Knoblauch gegessen haben, eine Art Fingerabdruck tragen.
Wenn Sie diese Gase mit einem Laser untersuchen, der mehrere „optische Frequenzen“ oder Farben umfasst, nehmen die Moleküle in den Gasproben dieses Licht bei unterschiedlichen Frequenzen ab. Es ist fast wie ein Einbrecher, der an einem Tatort einen Daumenabdruck hinterlässt. In einer früheren Studie zum Beispiel verwendeten Liang und seine Kollegen dieses Prinzip für Laserabsorptionserkennung, um menschliche Atemproben auf Anzeichen von SARS-CoV-2-Infektionen zu überprüfen.
Frequenzkämme sind für diese Technik gut geeignet, da sie im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern gleichzeitig in Tausenden bis Millionen Farben im Lichtpulse ausgehen. (Jilas Jan Hall war diese Laser Pionier und gewann den Nobelpreis für Physik für seine Arbeit im Jahr 2005).
Um Moleküle in geringen Konzentrationen zu erkennen, müssen diese Laser jedoch auch die Gasprobe über Entfernungen von Meilen oder mehr durchlaufen, damit die Moleküle genug Licht absorbieren können.
Um praktisch zu sein, müssen Wissenschaftler erkennen, dass die Entfernung innerhalb von Behältern für Gase, die auf der Skala eines Fußes gemessen werden.
„Wir schließen die Gasprobe mit einem Paar Hochreflexivitätsspiegel ein und bilden eine ‚optische Hohlheit'“, sagte Liang. „Das Kammlicht kann nun zwischen diesen Spiegeln mehrere tausendmal abprallen, um seine Absorptionspfadlänge mit den Molekülen effektiv zu erhöhen.“
Oder das ist das Ziel. In der Praxis sind optische Hohlräume schwierig, mit Laserstrahlen zu arbeiten und auszuwerfen, wenn sie nicht richtig mit den Resonanzmodi des Hohlraums übereinstimmen. Infolgedessen konnten Wissenschaftler in einem einzigen Test zuvor nur einen schmalen Kammlichtbereich verwenden und einen engen Molekülebereich nachweisen.
In der neuen Studie überwand Liang und seine Kollegen diese langjährige Herausforderung. Sie präsentierten eine neue Technik, die sie modulierte Ringdown -Kamm -Interferometrie oder MRCI (ausgesprochen „Mercy“) nannten. Anstatt seinen optischen Hohlraum ruhig zu halten, änderte das Team regelmäßig seine Größe. Dieses Wackeln ermöglichte es dem Hohlraum wiederum, ein viel breiteres Lichtspektrum zu akzeptieren. Das Team entschlüsselt dann die komplizierten Laserintensitätsmuster, die aus dem Hohlraum mit Rechenalgorithmen hervorgegangen sind, um den chemischen Inhalt der Proben zu bestimmen.
„Wir können jetzt Spiegel mit noch größerem Reflexionsvermögen verwenden und Kammlicht mit noch breiterer spektraler Abdeckung senden“, sagte Liang. „Aber dies ist nur der Anfang. Noch bessere Erkennung kann mit MRCI erstellt werden.“
Ein Sensor für Atem
Das Team dreht jetzt seinen neuen Gasschupper am menschlichen Atem.
„Ausatematem ist eine der herausforderndsten Gasproben, die gemessen werden müssen, aber die Charakterisierung seiner molekularen Zusammensetzungen ist für sein starkes Potenzial für medizinische Diagnostik sehr wichtig“, sagte Apoorva Bisht, Co-Autor der Forschung und Doktorandenstudentin im Labor von YE.
Bisht, Liang und YE arbeiten jetzt mit Forschern des Cu Anschschnitt Medical Campus und dem Kinderkrankenhaus Colorado zusammen, um MRCI zu verwenden, um eine Reihe von Atemproben zu analysieren. Sie untersuchen, ob MRCI Proben von Kindern mit Lungenentzündung von Kindern mit Asthma unterscheiden kann. Die Gruppe analysiert auch den Atem von Lungenkrebspatienten vor und nach der Tumorentfernung und untersucht, ob die Technologie Menschen in frühen Stadien chronisch obstruktiver Lungenerkrankungen (COPD) diagnostizieren kann.
„Es wird enorm wichtig sein, unseren Ansatz zu menschlichen Themen realer Welt zu bestätigen“, sagte Ye. „Durch enge Zusammenarbeit mit unseren medizinischen Kollegen bei Cu Anschutz sind wir bestrebt, das volle Potenzial dieser Technik für die medizinische Diagnose zu entwickeln.“
