科學家”拉伸”時間以改善分子振動信息檢測
紅外光譜學是一種非侵入性的工具,可以識別未知的樣品和已知的化學物質。它是基於不同的分子與紅外光的互動方式。你可能在機場看到過這種工具,他們在那裡篩查非法藥物。該技術有很多應用:液體活檢、環境氣體監測、污染物檢測、法醫分析、系外行星搜索等。
首先,樣品被紅外光照亮。在光與樣品相互作用後,產生的波長從低能量的紅外線”上轉換”為高能量的近紅外波長。然後,近紅外脈衝通過一根光纖,在時間上基本上”拉長”了脈衝。一個近紅外光電探測器檢測到這些脈衝。左下角的插圖顯示了氣態CH4分子在三個連續時間點的透射率光譜。
但傳統的紅外光譜方法提供的是低(時間)分辨率數據。它們通常只適用於靜態樣品,因為光譜數據的獲取是一個緩慢的過程。
檢測快速變化的現象需要多次快速測量,而東京大學的Ideguchi教授和他的團隊現在有可能獲得高速和高分辨率的光譜數據。該團隊發現了上轉換時間拉伸紅外光譜儀(UC-TSIR),它能以每秒1000萬張光譜的速度測量1000個光譜元素的紅外光譜。
分子中的原子像球體一樣結合在一起,有堅硬的彈簧連接著它們。將紅外光(2-20微米波長)照在物質上;它吸收了紅外能量,”彈簧”就會振動。振動運動的範圍取決於分子的結構。因此,我們可以通過檢測物質吸收的波長范圍–它的吸收光譜來識別和推斷物質的特性。
“隨著最近使用機器學習和其他技術分析光譜能力的提高,紅外光譜方法必須迅速獲得大量的分子振動信息。我們想開發紅外光譜方法來實現這一目標,”Ideguchi教授解釋研究小組的動機時說。
傳統的時間拉伸紅外光譜數據的可測量光譜元素較少(約30個),因為儀器在紅外區域工作,而目前光學技術在該區域受到限制。”Hashimoto博士說:”UC-TSIR通過用波長轉換技術(上轉換)將含有分子振動信息的紅外脈沖轉換為近紅外脈衝,並在近紅外區域對脈衝進行時間拉伸和檢測,從而打破了這個限制。與傳統方法相比,UC-TSIR提供了超過30倍的光譜元素和400倍的光譜分辨率。UC-TSIR能夠以高時間分辨率追踪高速現象,如氣體分子的燃燒和生物分子的不可逆化學反應。”
從理論上講,這個概念聽起來很簡單,很容易實現,但事實遠非如此。”我們仔細選擇了光學元件,並通過試驗和錯誤調整參數。甚至在建立了這個裝置之後,我們還處理了由不需要的非線性光學效應和不充分的時間拉伸造成的各種光譜失真。在處理完這些問題後,我們終於看到了清晰的紅外吸收光譜,這讓我們欣喜若狂,通過UC-TSIR進行納秒或微秒級的超快連續紅外光譜測量可以解決傳統光譜學方法無法解決的問題”。