Tiempo de "estiramiento" para mejorar la detección de información de vibraciones moleculares

Aug 13, 2023

Por Universidad de Tokio 4 de marzo de 2023

Primero, la muestra se ilumina con luz infrarroja. Después de que la luz interactúa con la muestra, las longitudes de onda resultantes se "convierten" de infrarrojo de baja energía a longitud de onda de infrarrojo cercano de alta energía. Los pulsos del infrarrojo cercano luego viajan a través de una fibra óptica que esencialmente "estira" el pulso en el tiempo. Un fotodetector de infrarrojo cercano detecta los pulsos. El recuadro en la esquina inferior izquierda muestra los espectros de transmitancia de las moléculas gaseosas de CH4 en tres puntos de tiempo consecutivos. Crédito: Hashimoto et. Alabama. 2023

Este método de espectroscopia infrarroja ultrarrápida satisfaría muchas necesidades no satisfechas en la ciencia molecular experimental, revelando varios fenómenos de alta velocidad en detalle.

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"}]"> búsqueda de exoplanetas, etc. Pero los métodos tradicionales de espectroscopia infrarroja proporcionan datos de baja resolución (temporal). Por lo general, solo se aplican para muestras estáticas porque la adquisición de datos espectrales es un proceso lento.

La detección de fenómenos que cambian rápidamente requiere múltiples mediciones rápidas. Gracias al Prof. Ideguchi y su equipo de la Universidad de Tokio, ahora es posible obtener datos espectrales de alta resolución y alta velocidad. El equipo descubrió la espectroscopia infrarroja de estiramiento de tiempo de conversión ascendente (UC-TSIR) que puede medir espectros infrarrojos con 1000 elementos espectrales a una velocidad de 10 millones de espectros por segundo.

Los átomos en una molécula están unidos entre sí, como esferas con resortes rígidos que los conectan. Haga brillar luz infrarroja (2-20 µm de longitud de onda) sobre la sustancia; absorbe energía infrarroja y los "muelles" vibran. El rango de movimientos vibratorios depende de la estructura de la molécula. Entonces, podemos identificar e inferir las propiedades de la sustancia al detectar el rango de longitudes de onda absorbidas por la sustancia: sus espectros de absorción.

"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"}]"> aprendizaje automático y otras técnicas, es esencial que los métodos de espectroscopia infrarroja adquieran una gran cantidad de información de vibración molecular rápidamente. Queríamos desarrollar el método de espectroscopia infrarroja para lograrlo", dijo el profesor Ideguchi, explicando la motivación del equipo de investigación.

Los datos de la espectroscopia infrarroja de estiramiento temporal convencional tienen menos elementos espectrales medibles (~30) porque los instrumentos funcionan en la región infrarroja, donde la tecnología óptica actualmente es limitada. "UC-TSIR rompe el límite al convertir pulsos infrarrojos que contienen información de vibración molecular en pulsos de infrarrojo cercano con técnicas de conversión de longitud de onda (conversión ascendente) y estirar y detectar temporalmente los pulsos en la región del infrarrojo cercano", dijo el Dr. Hashimoto. En comparación con los métodos convencionales, UC-TSIR proporciona más de 30 veces más elementos espectrales y 400 veces mejor resolución espectral. El UC-TSIR puede rastrear fenómenos de alta velocidad como la combustión de moléculas gaseosas y reacciones químicas irreversibles de biomoléculas a una alta resolución temporal.

En teoría, el concepto suena simple y fácil de implementar; pero estaba lejos de eso. "Seleccionamos cuidadosamente los elementos ópticos y ajustamos los parámetros a través de prueba y error. Incluso después de construir la configuración, nos ocupamos de varias distorsiones espectrales causadas por efectos ópticos no lineales no deseados y una extensión de tiempo insuficiente. Nos llenamos de alegría cuando finalmente vimos espectros de absorción infrarroja claros después de lidiar con esos problemas", dijo el Dr. Hashimoto. "Las mediciones espectrales infrarrojas continuas ultrarrápidas a escala de nanosegundos o microsegundos realizadas por UC-TSIR pueden resolver problemas no resueltos por los métodos de espectroscopia convencionales".

Referencia: "Espectroscopia infrarroja de estiramiento de tiempo de conversión ascendente" por Kazuki Hashimoto, Takuma Nakamura, Takahiro Kageyama, Venkata Ramaiah Badarla, Hiroyuki Shimada, Ryoich Horisaki y Takuro Ideguchi, 4 de marzo de 2023, Light: Science & Applications.DOI: 10.1038/s41377-023 -01096-4