Wissenschaftler der Universität St. Andrews haben die ersten Proben organischer Materialien hergestellt, die gleichzeitig zwei Photonen absorbieren und zirkular polarisiertes Licht emittieren können. Diese seltene Kombination von Eigenschaften verspricht eine Revolution bei der tiefen Bildgebung biologischer Gewebe.
Herkömmliche Farbstoffe für die Fluoreszenzmikroskopie werden im Gewebe schnell gestreut, und das Signal klingt bereits in einer Tiefe von einigen hundert Mikrometern ab. Die neuen chiralen Moleküle aus der Klasse der multiresonanten thermisch aktivierten verzögerten Fluoreszenzmaterialien (MR-TADF) verhalten sich anders: Sie absorbieren gleich zwei Photonen infraroten Lichts und emittieren anschließend sichtbares Licht mit klar festgelegter Polarisation.
Man stelle sich eine Taschenlampe vor, die nicht mit einem, sondern mit zwei Strahlen gleichzeitig leuchtet und dabei noch „weiß“, in welche Richtung das Licht verdreht ist. Genau so funktionieren diese Verbindungen. Die Chiralität der Moleküle – ihre Spiegelsymmetrie-Asymmetrie – bewirkt, dass das emittierte Licht sich überwiegend in eine Richtung dreht, was es ermöglicht, Rauschen herauszufiltern und ein schärferes Bild zu erhalten.
Die Zweiphotonenabsorption wird bereits in der Medizin genutzt: Infrarotes Licht dringt tiefer ein als sichtbares und schädigt das Gewebe weniger. Die Hinzufügung zirkular polarisierter Lumineszenz macht das Signal noch aussagekräftiger – Forscher werden Strukturen unterscheiden können, die früher zu einer einzigen verschwommenen Masse verschmolzen.
Die in Nature Communications veröffentlichte Arbeit wurde von der Gruppe von Professor Eli Zisman-Colman in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Durham durchgeführt. Noch handelt es sich um Laborproben, doch schon jetzt ist klar: Solche Materialien könnten die Grundlage für nichtinvasive Verfahren zur Visualisierung von Tumoren, Gefäßen und Nervenfasern in einer Tiefe von mehreren Millimetern bilden.
Perspektivisch werden Ärzte dreidimensionale Bilder innerer Organe ohne Röntgen und starke Magnetfelder erhalten können, und Biologen werden lebende Prozesse in Echtzeit im Inneren eines ganzen Organismus beobachten können. Ein einziges Material löst gleich zwei Aufgaben: tiefes Eindringen und ein kontrastreiches polarisiertes Signal.
Die Forscher haben bereits mit der Erprobung der neuen Verbindungen in biologischen Medien begonnen.
