Die Spektroskopie im mittleren Infrarot (MIR) ermöglicht biomedizinische sowie umweltanalytische Untersuchungen gänzlich ohne chemisches Einfärben oder Labeln. Da die unterschiedlichen Moleküle einer Probe über hochspezifische Schwingungszustände verfügen, erzeugen sie charakteristische Signaturen, die eine Identifikation erlauben. Auf Basis dieser molekularen Fingerabdrücke lassen sich nahezu alle Proben zerstörungsfrei und ohne vorherige Behandlung (bio-)chemisch analysieren.
In der Praxis wird eine breite Anwendung jedoch häufig durch die aufwendige und wenig kosteneffiziente MIR-Technik verhindert. Im Vergleich zu etablierten, markergestützten Verfahren erweisen sich die für diese spektroskopischen Methoden notwendigen Lichtquellen und Detektoren oft noch als unpraktikabel, beispielsweise für den klinischen Alltag.
Quantenoptik für effiziente MIR-Bildgebung
Ein Team der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) hat im Joint Lab Nonlinear Quantum Optics gemeinsam mit dem Fraunhofer IPM eine alternative Methode zur spektralen Bildgebung entwickelt. Durch den quantenoptischen Effekt der Messung mit nicht detektierten Photonen übertragen die Forschenden molekulare MIR-Informationen in den Detektionsbereich siliziumbasierter Kameras. Als Grundlage dient ein kosteneffizienter roter Laser, der in einem speziellen nichtlinearen Kristall verschränkte Photonen-Paare erzeugt, die jeweils aus einem nah- und einem mittelinfraroten Photon bestehen.
Spektrale Bildgebung durch Photonen-Interferenz
Die Interferenz zweier solcher Paarbildungsprozesse sorgt dafür, dass die spektrale Information des MIR-Photons in den Nahinfrarot-Bereich übertragen wird. Durch die Verknüpfung von bildgebender Optik mit der Fourier-Transformations-Spektroskopie werden neben zweidimensionalen Abbildungen auch ortsaufgelöste MIR-Transmissionsspektren der Probe erfasst. Daraus resultiert ein dreidimensionaler Datensatz aus räumlichen und spektralen Informationen, der die biochemische Zusammensetzung – etwa von Gewebeproben – ohne Marker oder direkte MIR-Detektion sichtbar macht.
Kompakte Module für den Praxistransfer
Parallel zur kontinuierlichen Weiterentwicklung des zugrunde liegenden Messprinzips konzipiert das FBH in seinem Laser Modules Lab kompakte Interferometer-Module. Diese technischen Einheiten schaffen die notwendige Voraussetzung, um das innovative Verfahren in konkrete Anwendungen innerhalb der Medizintechnik sowie der Umweltanalytik zu überführen.
Quelle
Ferdinand-Braun-Institut (03/2026)
Publikation
Marlon Placke, Chiara Lindner, Felix Mann, Inna Kviatkovsky, Helen M. Chrzanowski, Hendrik Bartolomaeus, Frank Kühnemann, Sven Ramelow, „Mid-IR hyperspectral imaging with undetected photons,“ Optica 13, 328-335 (2026), https://doi.org/10.1364/OPTICA.573220