„Dehnung“ der Zeit zur Verbesserung der Erkennung molekularer Schwingungsinformationen

Aug 13, 2023

Von der Universität Tokio, 4. März 2023

Zunächst wird die Probe mit Infrarotlicht beleuchtet. Nachdem das Licht mit der Probe interagiert hat, werden die resultierenden Wellenlängen von niederenergetischen Infrarotwellenlängen auf hochenergetische Nahinfrarotwellenlängen „hochkonvertiert“. Die Nahinfrarotimpulse wandern dann durch eine optische Faser, die den Impuls im Wesentlichen zeitlich „streckt“. Ein Nahinfrarot-Fotodetektor erkennt die Impulse. Der Einschub in der unteren linken Ecke zeigt die Transmissionsspektren gasförmiger CH4-Moleküle zu drei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten. Bildnachweis: Hashimoto et. al. 2023

Diese Methode der ultraschnellen Infrarotspektroskopie würde viele ungedeckte Anforderungen in der experimentellen Molekularwissenschaft erfüllen und verschiedene Hochgeschwindigkeitsphänomene im Detail aufdecken.

Infrared spectroscopy is a non-invasive tool to identify unknown samples and known chemical substances. It is based on how different molecules interact with infrared light. You may have seen this tool at airports, where they screen for illicit drugs. The technique has many applications: liquid biopsy, environmental gas monitoring, contaminant detection, forensic analyses, exoplanetAn exoplanet (or extrasolar planet) is a planet that is located outside our Solar System, orbiting around a star other than the Sun. The first suspected scientific detection of an exoplanet occurred in 1988, with the first confirmation of detection coming in 1992." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Exoplanetensuche usw. Die herkömmlichen Methoden der Infrarotspektroskopie liefern jedoch Daten mit geringer (zeitlicher) Auflösung. Sie werden normalerweise nur für statische Proben angewendet, da die Erfassung spektraler Daten ein langsamer Prozess ist.

Die Erkennung sich schnell ändernder Phänomene erfordert mehrere schnelle Messungen. Dank Prof. Ideguchi und seinem Team an der Universität Tokio ist es nun möglich, Spektraldaten mit hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung zu erhalten. Das Team entdeckte die Upconversion Time-Stretch-Infrarotspektroskopie (UC-TSIR), mit der Infrarotspektren mit 1000 Spektralelementen mit einer Rate von 10 Millionen Spektren pro Sekunde gemessen werden können.

Atome in einem Molekül sind aneinander gebunden – wie Kugeln, die durch steife Federn verbunden sind. Bestrahlen Sie die Substanz mit Infrarotlicht (Wellenlänge 2-20 µm); Es absorbiert Infrarotenergie und die „Federn“ vibrieren. Der Bereich der Schwingungsbewegungen hängt von der Struktur des Moleküls ab. So können wir die Eigenschaften der Substanz identifizieren und daraus schließen, indem wir den von der Substanz absorbierten Wellenlängenbereich – ihre Absorptionsspektren – erfassen.

"With recent improvements in the capability of analyzing spectra using machine learningMachine learning is a subset of artificial intelligence (AI) that deals with the development of algorithms and statistical models that enable computers to learn from data and make predictions or decisions without being explicitly programmed to do so. Machine learning is used to identify patterns in data, classify data into different categories, or make predictions about future events. It can be categorized into three main types of learning: supervised, unsupervised and reinforcement learning." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Durch maschinelles Lernen und andere Techniken ist es für Infrarotspektroskopiemethoden wichtig, schnell eine große Menge an molekularen Schwingungsinformationen zu erfassen. „Um das zu erreichen, wollten wir die Methode der Infrarotspektroskopie entwickeln“, erläutert Prof. Ideguchi die Motivation des Forschungsteams.

Konventionelle Daten der Zeitdehnungs-Infrarotspektroskopie enthalten weniger messbare Spektralelemente (~30), da die Instrumente im Infrarotbereich arbeiten, wo die optische Technologie derzeit begrenzt ist. „UC-TSIR durchbricht die Grenze, indem es Infrarotimpulse, die molekulare Schwingungsinformationen enthalten, mithilfe von Wellenlängenumwandlungstechniken (Upconversion) in Impulse im nahen Infrarot umwandelt und die Impulse im Nahinfrarotbereich zeitlich streckt und detektiert“, sagte Dr. Hashimoto. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bietet UC-TSIR über 30-mal mehr Spektralelemente und eine 400-mal bessere spektrale Auflösung. Das UC-TSIR kann Hochgeschwindigkeitsphänomene wie die Verbrennung gasförmiger Moleküle und irreversible chemische Reaktionen von Biomolekülen mit hoher zeitlicher Auflösung verfolgen.

Theoretisch klingt das Konzept einfach und leicht umzusetzen; aber davon war es weit entfernt. „Wir haben die optischen Elemente sorgfältig ausgewählt und die Parameter durch Versuch und Irrtum angepasst. Selbst nach dem Aufbau des Aufbaus hatten wir mit verschiedenen spektralen Verzerrungen zu kämpfen, die durch unerwünschte nichtlineare optische Effekte und unzureichende Zeitdehnung verursacht wurden. Wir waren überglücklich, als wir danach endlich klare Infrarot-Absorptionsspektren sahen.“ mit diesen Problemen umzugehen“, sagte Dr. Hashimoto. „Ultraschnelle kontinuierliche Infrarot-Spektralmessungen mit UC-TSIR im Nanosekunden- oder Mikrosekundenbereich können Probleme lösen, die mit herkömmlichen Spektroskopiemethoden ungelöst sind.“

Referenz: „Upconversion time-stretch infrarot spectroscopy“ von Kazuki Hashimoto, Takuma Nakamura, Takahiro Kageyama, Venkata Ramaiah Badarla, Hiroyuki Shimada, Ryoich Horisaki und Takuro Ideguchi, 4. März 2023, Light: Science & Applications.DOI: 10.1038/s41377-023 -01096-4