Сначала образец освещают инфракрасным светом. После того, как свет взаимодействует с образцом, результирующие длины волн «преобразовываются» из низкоэнергетического инфракрасного диапазона в высокоэнергетический ближний инфракрасный диапазон. Затем импульсы ближнего инфракрасного диапазона проходят через оптическое волокно, которое существенно «растягивает» импульс во времени. Фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона улавливает импульсы. На вставке в левом нижнем углу показаны спектры пропускания газообразных молекул CH4 в трех последовательных моментах времени. Кредит: Хашимото и др. др. 2023

Инфракрасная спектроскопия — это неинвазивный инструмент, используемый для идентификации неизвестных образцов и известных химических веществ. Он основан на том, как различные молекулы взаимодействуют с инфракрасным светом. Возможно, вы видели этот инструмент в аэропортах, где они проверяют наличие запрещенных наркотиков. Этот метод имеет множество применений: жидкая биопсия, мониторинг газов в окружающей среде, обнаружение загрязняющих веществ, судебно-медицинский анализ, поиск экзопланет и т. д.

Однако традиционные методы инфракрасной спектроскопии дают данные с низким (временным) разрешением. Обычно они применяются только для статических образцов, поскольку получение спектральных данных является медленным процессом. Обнаружение быстро меняющихся явлений требует нескольких быстрых измерений.

Благодаря профессору Идегучи и его команде из Токийского университета теперь стало возможным получать высокоскоростные спектральные данные с высоким разрешением. Команда разработала метод инфракрасной спектроскопии с растяжением во времени с преобразованием с повышением частоты (UC-TSIR), который может измерять инфракрасные спектры с 1000 спектральными элементами со скоростью 10 миллионов спектров в секунду.

Атомы в молекуле связаны друг с другом — как сферы с жесткими пружинами, соединяющими их. Направьте инфракрасный свет (длина волны 2–20 мкм) на вещество, и оно поглотит инфракрасную энергию, и «пружины» завибрируют. Диапазон колебательных движений зависит от строения молекулы. Таким образом, мы можем идентифицировать и делать выводы о свойствах вещества, определяя диапазон длин волн, поглощаемых веществом, — его спектры поглощения.

«С недавними улучшениями в возможностях анализа спектров с использованием машинного обучения и других методов важно, чтобы методы инфракрасной спектроскопии быстро собирали большой объем информации о молекулярных вибрациях. Мы хотели разработать метод инфракрасной спектроскопии для достижения этой цели», — сказал профессор. Идегучи.

Обычные данные инфракрасной спектроскопии с растяжением во времени содержат меньше измеримых спектральных элементов (~30), поскольку приборы работают в инфракрасном диапазоне, где оптические технологии в настоящее время ограничены. «UC-TSIR преодолевает ограничения путем преобразования инфракрасных импульсов, содержащих информацию о молекулярных вибрациях, в импульсы ближнего инфракрасного диапазона с помощью методов преобразования длины волны (преобразование с повышением частоты), а также временного растяжения и обнаружения импульсов в ближнем инфракрасном диапазоне», — сказал доктор Хасимото.

По сравнению с обычными методами UC-TSIR обеспечивает более чем в 30 раз больше спектральных элементов и в 400 раз лучшее спектральное разрешение. UC-TSIR может отслеживать высокоскоростные явления, такие как сгорание газообразных молекул и необратимые химические реакции биомолекул, с высоким временным разрешением.

Теоретически концепция кажется простой и легко реализуемой; но это было далеко не так. «Мы тщательно отбирали оптические элементы и подгоняли параметры методом проб и ошибок. Даже после сборки установки мы столкнулись с различными спектральными искажениями, вызванными нежелательными нелинейными оптическими эффектами и недостаточным растяжением времени. Мы были вне себя от радости, когда наконец увидели четкие спектры инфракрасного поглощения после занимаясь этими вопросами», — сказал доктор Хашимото. «Сверхбыстрые непрерывные инфракрасные спектральные измерения наносекундного или микросекундного масштаба с помощью UC-TSIR могут решить проблемы, не решаемые традиционными методами спектроскопии».