Rapid electric-field molecular fingerprinting

Jacob, Philip (2024): Rapid electric-field molecular fingerprinting: advancing infrared laser spectroscopy for blood-based phenotype diagnostics. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Menschliches Blutplasma besteht aus einer komplexen Mischung von Biomolekülen. Im Vergleich zu invasiven klinischen Tests, bei denen die molekulare Abdeckung und die Analysetiefe oft begrenzt sind, stellt die Infrarotspektroskopie komplexer Bioflüssigkeiten einen wertvollen, minimal-invasiven diagnostischen Ansatz dar. In mehreren Studien wurde die Wirksamkeit des blutbasierten molekularen Infrarot-Fingerabdrucks zur Bestimmung des Gesundheitszustands einer Person untersucht. Hierbei wurden hauptsächlich Fourier-Transform-Infrarotspektrometer eingesetzt. Aufgrund der limitierten Sensitivität der aktuell verfügbaren Geräte gestaltet sich die Detektion schwacher Infrarotabsorption schwierig. Daher wurde in dieser Dissertation die Femtosekundenlasertechnologie zur Entwicklung eines schnell scannenden, feldauflösenden Infrarot-Spektrometers mit Vorteilen in Bezug auf Sensitivität, Zeitgenauigkeit und Durchsatz genutzt, um die diagnostischen Möglichkeiten zu verbessern. Ein zuvor entwickelter Yb:YAG-Scheibenlaseroszillator, welcher 16-fs-Pulse mit einer Repetitionsrate von 28 MHz emittiert, wurde genutzt, um 60-fs-Pulse im mittleren Infrarotbereich zwischen 6,5 µm und 11 µm (-20 dB) zu erzeugen. Es wurden zwei neue Methoden zur schnellen elektro-optischen Abtastung mit kHz-Raten demonstriert. Bei der ersten Methode variierte die optische Verzögerung mithilfe einer Sonotrode. Ein Teil der optischen Leistung des 16-fs-Pulses wurde als Gate für die elektro-optische Abtastung genutzt. Die Gate-Pulse wurden an der Sonotrode reflektiert, um schnelle Verzögerungsscans zu ermöglichen, bei der 38.000 Spuren der mittleren Infrarot-Wellenform pro Sekunde erfasst wurden. In einem einzigen Scan, der in 26 µs durchgeführt wurde, wurde ein Dynamikumfang des elektrischen Feldes von 150 mit einer zeitlichen Präzision von 34 Attosekunden an den Nulldurchgangspunkten erreicht. Bei der zweiten Methode wurden die Gate-Pulse für die elektro-optische Abtastung von einem Er:Fiber-Laseroszillator geliefert. Eine elektronisch gesteuerte Modulation der Repetitionsrate wurde verwendet, um die relative Verzögerung zwischen den Pulsen im mittleren Infrarotbereich und den Gate-Pulsen zu scannen. Die neue elektro-optische Verzögerungsverfolgungstechnik ermöglichte die genaue Abbildung der relativen Verzögerung, indem eine schmalbandige Mittlere-IR-Wellenform mit einer bekannten optischen Frequenz als Kalibrationssignal erzeugt und durch elektro-optisches Scannen erfasst wurde. Die Er:Fiber-Laserpulse wurden in zwei geteilt, wobei ein Teil als Gate für das Kalibrationssignal und der andere Teil als Gate für die breitbandige mittlere IR-Wellenform diente, die aus der Probenküvette austrat. Es werden 2.800 Wellenformspuren pro Sekunde erfasst. In früheren Arbeiten über hochpräzise Dual-Oszillator-Spektrometer wurde ein konstanter Offset zwischen den Repetitionsraten verwendet. Dies entspricht bei Repetitionsraten im MHz-Bereich Verzögerungsbereichen im Nanosekundenbereich, die für die Gasphasenspektroskopie geeignet sind. Für die Kondensationsphasenspektroskopie hingegen sind deutlich kürzere Verzögerungsbereiche in der Größenordnung von Pikosekunden erforderlich. Das Dual-Oszillator-Schnellabtastungs-Spektrometer mit elektro-optischer Verzögerungsnachführung ermöglicht eine präzise Abtastung von Pikosekunden-Verzögerungen mit einem höheren Tastverhältnis als bisherige Methoden. In einem einzigen Scan, der in 357 µs durchgeführt wurde, wurde eine Zeitpräzision von 50 Attosekunden für die Nulldurchgänge der Wellenform im Verzögerungsfenster mit der höchsten Signalstärke erreicht. Die schnelle Messung mit kHz-Raten "friert" das technische Rauschen im sub-kHz-Bereich ein und ermöglicht die Erfassung dynamischer Prozesse, z. B. in der Durchflusszytometrie. Bei statischen Proben wird die Sensitivität durch die Mittelung wiederholter Messungen der erfassten Wellenformen erhöht. Das Spektrometer wurde in der multizentrischen klinischen Studie "Lasers4Life" getestet, um zu untersuchen, wie gut Personen mit Lungen-, Prostata-, Brust- und Blasenkrebs im therapienaiven Zustand anhand von molekularen Infrarot-Fingerabdrücken des Blutplasmas identifiziert werden können. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Spezialisten des Universitätsklinikums der LMU durchgeführt. Die Blutplasmaproben von mehr als 5.300 Probanden wurden mit dem beschriebenen feldauflösenden Spektrometer analysiert. Das Spektrometer erwies sich als robust genug, um reproduzierbare Messungen in großem Maßstab an klinischen Proben durchzuführen und Personen mit Lungenkrebs von nicht symptomatischen Kontrollpersonen mit einer Genauigkeit von 80% zu unterscheiden. Die Ergebnisse für die anderen Krebsarten waren im Vergleich dazu weniger vielversprechend. Der erfolgreiche Abschluss der ersten groß angelegten klinischen Studie mit einem feldauflösenden Infrarotspektrometer ist ein ermutigendes Zeichen für die Entwicklung eines neuen schnellen, minimal-invasiven Ansatzes zur Überwachung der menschlichen Gesundheit.

Abstract

Human blood plasma comprises a complex mixture of biomolecules. Compared to invasive clinical testing, which is often limited in molecular coverage and depth of analysis, infrared spectroscopy of complex biofluids presents a valuable, minimally invasive, single-measurement diagnostic approach. Several recent studies have explored the efficacy of blood-based infrared molecular fingerprinting to determine the state of an individual's health. Commercially available Fourier transform infrared spectrometers were predominantly applied. However, the limited sensitivity of currently available devices makes it difficult to detect weak infrared absorption. In this thesis, the power of femtosecond laser technology has been harnessed to develop a rapid-scanning field-resolving infrared spectrometer with advantages in sensitivity, timing precision, and throughput, in the hope of improving diagnostic capabilities. To achieve this, a previously developed Yb:YAG thin-disk laser oscillator emitting 16-fs pulses at a repetition frequency of 28 MHz was utilized to generate few-cycle mid-infrared radiation spanning from 6.5 µm to 11 µm (-20 dB). This thesis demonstrates two new techniques for rapid electro-optic sampling at kHz rates. The first technique used an ultrasonic sonication device called a sonotrode, which vibrates at 19 kHz, to vary optical delay. A fraction of the optical power of the 16-fs pulse is picked off to act as the gate for electro-optic sampling. The gate beam was reflected off the sonotrode to facilitate ultra-rapid delay scanning, with 38,000 traces of the mid-IR waveform acquired per second. In a single scan acquired in 26 µs, an electric-field dynamic range of 150 was achieved, with a timing precision of 34 attoseconds at the zero-crossing points. The second method involved a dual-oscillator approach, in which the gate pulses for electro-optic sampling were sourced from a second Er:fiber laser oscillator. The relative delay between the mid-infrared and gate pulses was scanned by an electronically controlled modulation of the pulse repetition frequency of the second oscillator with respect to the first. The novel electro-optic delay tracking technique facilitated precise mapping of the relative delay, wherein a narrowband mid-infrared waveform with a known optical frequency was produced as a delay calibration signal and captured using electro-optic sampling. The Er:Fiber laser pulses were split into two, with one part serving as a gate for the delay calibration signal to track the relative delay with high precision and the other gating the broadband mid-IR waveform that came out through the cuvette containing the sample. By modulating the repetition frequency of the Er:Fiber laser at a frequency of 1.4 kHz, traces of the mid-IR waveform are acquired at a rate of 2,800 per second. Previously reported dual-oscillator spectrometers with sub-femtosecond timing precision have applied a constant offset between the repetition frequencies of the two oscillators. For MHz repetition rates, this corresponds to nanosecond delay ranges well suited to gas phase spectroscopy. Condensed phase spectroscopy, on the other hand, requires much smaller delay ranges on the order of picoseconds due to the shorter dephasing times of the excited molecular vibration states. The dual-oscillator rapid scanning spectrometer with electro-optic delay tracking fills this space by enabling precise scanning of picosecond delays with a much higher duty cycle. For a single scan acquired in 357 µs, a timing precision of 50 attoseconds was achieved at the zero-crossings of the waveform in the delay window with the strongest signal strength. Rapid measurement at kHz rates 'freezes' technical noise in the sub-kHz range and enables the capture of dynamic processes, such as in flow cytometry. For static samples, averaging repeated measurements also enhances the sensitivity of the captured waveforms. Nonlinear spectroscopy techniques, such as pump-probe, photon echo, and coherent anti-stokes Raman scattering, can benefit from the versatile method of electro-optic delay tracking. The developed instrument was put to the test in the Lasers4Life multi-centric clinical study to evaluate how accurately individuals with lung, prostate, breast, and bladder cancer could be identified at therapy naïve states from infrared molecular fingerprints of blood plasma. The study, which was conducted in collaboration with specialists at the LMU University Hospital, involved more than 5300 individuals. The blood plasma samples were analyzed over several months using the field-resolving spectrometer described in this thesis. The newly developed device proved robust enough to perform reproducible large-scale measurements on clinical samples, classifying individuals with lung cancer from non-symptomatic control individuals with an accuracy of 80 %. The results for the other cancer types were less promising in comparison. The successful completion of the first large-scale clinical study with a field-resolving infrared spectrometer is an encouraging sign for developing a rapid, minimally-invasive, single-measurement approach to monitoring human health.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Ultrashort laser pulses, non-linear optics, mid-infrared generation, electro-optic sampling, infrared spectroscopy, liquid biopsy
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. Februar 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Krausz, Ferenc