Infrarotspektroskopie ist ein nicht-invasives Werkzeug zur Identifizierung unbekannter Proben und bekannter chemischer Substanzen. Es basiert darauf, wie verschiedene Moleküle mit Infrarotlicht interagieren. Sie haben dieses Tool vielleicht schon an Flughäfen gesehen, wo nach illegalen Drogen gesucht wird. Die Technik hat viele Anwendungen: Flüssigbiopsie, Überwachung von Umweltgasen, Schadstofferkennung, forensische Analysen, Suche nach Exoplaneten usw.
Herkömmliche Infrarotspektroskopieverfahren liefern jedoch Daten mit niedriger (zeitlicher) Auflösung. Sie werden normalerweise nur für statische Proben angewendet, da die Spektraldatenerfassung ein langsamer Prozess ist. Das Erkennen 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 entwickelte eine Technik für Upconversion-Time-Stretch-Infrarotspektroskopie (UC-TSIR), die Infrarotspektren mit 1.000 Spektralelementen mit einer Rate von 10 Millionen Spektren pro Sekunde messen kann.
Atome in einem Molekül sind aneinander gebunden – wie Kugeln, die durch steife Federn verbunden sind. Richten Sie Infrarotlicht (2–20 µm Wellenlänge) auf eine Substanz und sie absorbiert Infrarotenergie und die „Federn“ vibrieren. Der Bereich der Schwingungsbewegungen hängt von der Struktur des Moleküls ab. Wir können also die Eigenschaften der Substanz identifizieren und ableiten, indem wir den von der Substanz absorbierten Wellenlängenbereich – ihre Absorptionsspektren – erfassen.
„Angesichts der jüngsten Verbesserungen bei der Fähigkeit, Spektren mithilfe von maschinellem Lernen und anderen Techniken zu analysieren, ist es für Infrarot-Spektroskopie-Methoden unerlässlich, schnell eine große Menge an Molekülschwingungsinformationen zu erfassen. Wir wollten die Infrarot-Spektroskopie-Methode entwickeln, um dies zu erreichen“, sagte Prof Ideguchi.
Herkömmliche Time-Stretch-Infrarotspektroskopiedaten haben weniger messbare Spektralelemente (~30), da die Instrumente im Infrarotbereich arbeiten, wo die optische Technologie derzeit begrenzt ist. „UC-TSIR durchbricht die Grenze, indem es Infrarotpulse, die Molekülschwingungsinformationen enthalten, mit Wellenlängenumwandlungstechniken (Upconversion) in Nahinfrarotpulse umwandelt und die Pulse im Nahinfrarotbereich zeitlich dehnt 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 umsetzbar; aber es war weit davon entfernt. „Wir haben optische Elemente sorgfältig ausgewählt und die Parameter durch Versuch und Irrtum angepasst. Auch 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 Umgang mit diesen Themen“, sagte Dr. Hashimoto. „Ultraschnelle kontinuierliche Infrarot-Spektralmessungen im Nanosekunden- oder Mikrosekundenbereich mit UC-TSIR können Probleme lösen, die mit herkömmlichen Spektroskopiemethoden nicht gelöst werden konnten.“
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Licht: Wissenschaft & Anwendungen.
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Kazuki Hashimoto et al., Upconversion-Time-Stretch-Infrarotspektroskopie, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01096-4