Die Raman-Spektroskopie bietet einen leistungsfähigen Ansatz zur chemischen Messung. Durch die direkte Sondierung molekularer Schwingungen erhält es chemische Spezifität, ohne dass chemische Markierungen erforderlich sind. Dank dieser Tugenden ist es zu einem unverzichtbaren Werkzeug in einer Vielzahl von Bereichen geworden, darunter Materialwissenschaften, Biologie, Pharmazie und Lebensmittelwissenschaften.
Breitband-Raman-Schwingungsspektren werden üblicherweise in drei unterschiedliche Spektralbereiche segmentiert: Terahertz (THz) oder Niederfrequenz (–1; –1); und Hochfrequenz (2.400 bis 4.000 cm-1). Während die Fingerprint-Region ihren Namen von ihren zielspezifischen intramolekularen Bindungsschwingungen ableitet, kann die THz-Region über intermolekulare Schwingungen chemische Strukturinformationen liefern. Die komplementäre Natur dieser beiden Regionen macht ihre Verbindung zu einem leistungsfähigen Werkzeug für die chemische Analyse.
Trotz der reichhaltigen Informationen, die Breitband-THz-Fingerabdruck-Raman-Spektren liefern, haben bestehende Methoden zu deren Erhalt typischerweise niedrige Echtzeit-Spektralerfassungsraten (im Allgemeinen
Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikhaben Forscher an der Universität Tokio kürzlich diese Grenzen überwunden, indem sie eine Methode für die Breitband-THz-Fingerabdruck-Raman-Spektroskopie mit einer ultraschnellen Spektralrate von 24.000 Spektren/s entwickelt haben. Die neue Technik mit dem Namen „Dual-Detection Impulsive Vibrational Spectroscopy“ (DIVS) ermöglicht die synchrone Messung von zwei unterschiedlichen Arten von Vibrationssignalen, die bei gleichzeitiger Erkennung eine Zweibereichsempfindlichkeit bieten.
Technisch gesehen kombiniert DIVS optische Langpass- und Kurzpassfilterung mit Common-Path-Sagnac-Interferometrie, um gleichzeitig frequenzverschobene Laserpulse („FT-CARS“, fingerabdrucksensitiv) und phasenverschobene Pulse („SE-ISRS“, THz- empfidlich). Darüber hinaus ist der DIVS-Aufbau unkompliziert und erfordert nur einen einzigen Laser.
Die Forscher führten DIVS-Proof-of-Concept-Messungen mehrerer transparenter flüssiger Verbindungen über den Raman-Spektralbereich von 66 cm-1 (2,0 THz) bis 1.211 cm-1 durch. Die stärksten charakteristischen Vibrationsspitzen in einzelnen Raman-Leistungsspektren (erfasst in 1000). In der aktuellen Phase wird DIVS für die Untersuchung hochkonzentrierter transparenter Proben empfohlen, obwohl Modifikationen des Designs diese Grenzen möglicherweise überwinden könnten.
Diese Arbeit birgt Potenzial für interessante Echtzeit-Breitband-THz-Fingerabdruck-Raman-Messungen mit zeitlichen Auflösungen von weniger als einer Millisekunde. Eine vielversprechende Richtung für DIVS-Anwendungen liegt in der Polymerwissenschaft. Zusätzlich zu den charakteristischen molekularen Bindungsschwingungen im Fingerabdruckbereich weisen Polymere bekanntermaßen reichhaltige Strukturinformationen im THz-Bereich auf. Ultrafast DIVS könnte gut geeignet sein, schnelle Polymerisationssysteme auf molekularer Ebene zu verstehen.
Walker Peterson et al, Ultraschnelle impulsive Raman-Spektroskopie über den Terahertz-Fingerabdruck-Bereich, Fortgeschrittene Photonik (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.1.016003