Neue Technologien
Quantenkaskadenlaser
Quantenkaskadenlaser: Eine Innovative Infrarot-Strahlenquelle
Ende der 70er Jahre hat die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) die dispersiven Spektrometer als vorherrschende Messmethode in der Infrarotspektroskopie abgelöst. Die schnelleren Messungen, das höhere Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die bessere Wellenzahlgenauigkeit ermöglichten Messungen kompletter IR-Spektren mit einer hohen Zeitauflösung auch von Peptid- und Proteinstrukturen sowie ihrer Dynamiken.
Mit der rasanten Entwicklung im Bereich der Quantenkaskadenlaser (engl.: quantum cascade laser = QCL) in der letzten Dekade, steht jetzt eine neue, sehr intensive und durchstimmbare Strahlungsquelle für das mittlere Infrarot zur Verfügung, die die FTIR-Spektroskopie in vielen Anwendungen ablösen wird und neue Konzepte ermöglicht. Die Idee eines Halbleiterlasers, der auf Intersubband-Übergängen im Leitungsband basiert, wurde schon 1971 von R. F. Kazarinov and R. A. Suris veröffentlicht. Seit 1994 der erste QCL realisiert wurde, ist intensiv daran geforscht worden, einen stabilen Betrieb bei Raumtemperatur im mittleren bis fernen Infrarotbereich zu ermöglichen. Die letzte bedeutende Verbesserung der QCLs galt ihrer Wellenzahlstabilität, so dass QCL-basierte Spektrometer jetzt bessere Ergebnisse als FTIR-Systeme erzielen können. So erlauben QCL aufgrund ihrer hohen Brillanz die Messung deutlich dickerer Probenschichten und die Nutzung weniger sensitiver Detektoren. War bisher flüssiger Stickstoff zur Kühlung für die ultrasensitiven Detektoren nötig, kann auf diesen in vielen Bereichen verzichtet werden, welches den Einsatz z. B. im klinischen Umfeld deutlich erleichtert.
Das Funktionsprinzip von Quantenkaskadenlaser
Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleiterlasern wie dem Diodenlaser, basiert die Strahlung der QCL nicht auf Rekombination von Elektronen aus dem Leitungsband und Löchern aus dem Valenzband, sondern auf Übergängen von Elektronen innerhalb von Subbändern des Leitungsbandes. Der Laser ist aus einer Vielzahl von Nanometer-dicken Halbleiter-Heterostrukturen aufgebaut, durch welche Übergänge zwischen Subbändern in Quantentöpfen ermöglicht werden. Die genaue Schichtdickenkontrolle von einkristallinen, Nanometer-dicken Halbleiterstrukturen wird durch das Molekularstrahlepitaxie-Verfahren ermöglicht.
Abb. 1: Intersubband-Übergänge im Leitungsband eines Quantenkaskadenlaser
Abb. 2: Aufbau eines Quantenkaskadenlasers
Klinische Anwendung bei onkologischen Erkrankungen
Durch die erheblich höhere Strahlungsintensität, die viel kleinere Abmessung und die geringeren Anforderungen an die Laborausstattung ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für den Einsatz der Infrarotspektroskopie insbesondere auch für den Einsatz in der Klinik. So erlaubt der Einsatz im IR-Imaging ein deutlich kleineres Instrument, das auch keinen flüssigen Stickstoff benötigt, aber 160fach schneller misst als ein vergleichbares FTIR-System. Dies erlaubt die Gewebediagnostik in Minuten statt Tagen (Kuepper et al Scientific Reports 2018).
Klinische Anwendung bei neurodegenerativen Erkrankungen
Neben dem IR-Imaging mit QCL-Mikroskopen werden auch infrarotspektroskopische Messungen mit der ATR-Technik (Abgeschwächte Totalreflektion) durchgeführt. Dabei geht es um die Analyse von Sekundärstrukturverteilungen von Proteinen, deren Fehlfaltungen mit Krankheiten assoziiert sind, wodurch neue Diagnosemöglichkeiten eröffnet werden. Diese Technologie nutzend wurde in ProDi bereits ein Immuno-Infrarot-Sensor zur Diagnose der Alzheimer-Erkrankung entwickelt. Die Messungen basieren auf IR-Differenzspektroskopie mit ATR-Technik. Durch die neuen Möglichkeiten der QCL erhoffen wir uns, den bisher sehr unhandlichen Messaufbau zu minimieren und so die Translation des Sensors in den klinischen Alltag zu forcieren.
Drittmittelförderung
111.08.03.05-133974
Validierung und Standardisierung des Workflows zur Proteindiagnostik