«Растягивание» времени для улучшения обнаружения информации о молекулярных вибрациях

May 31, 2023

Токийский университет, 4 марта 2023 г.

Сначала образец освещается инфракрасным светом. После того, как свет взаимодействует с образцом, полученные длины волн «преобразуются с повышением частоты» из низкоэнергетического инфракрасного диапазона в высокоэнергетический ближний инфракрасный диапазон. Затем импульсы ближнего инфракрасного диапазона проходят через оптическое волокно, что существенно «растягивает» импульс во времени. Фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона обнаруживает импульсы. На вставке в левом нижнем углу показаны спектры пропускания газообразных молекул CH4 в три последовательных момента времени. Фото: Хашимото и др. ал. 2023 год

Этот сверхбыстрый метод инфракрасной спектроскопии удовлетворит многие неудовлетворенные потребности экспериментальной молекулярной науки, детально раскрывая различные высокоскоростные явления.

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"}]"> поиск экзопланет и т. д. Но традиционные методы инфракрасной спектроскопии дают данные низкого (временного) разрешения. Обычно они применяются только для статических образцов, поскольку сбор спектральных данных — медленный процесс.

Обнаружение быстро меняющихся явлений требует нескольких быстрых измерений. Благодаря профессору Идегути и его команде из Токийского университета теперь возможно получать спектральные данные с высокой скоростью и высоким разрешением. Команда обнаружила инфракрасную спектроскопию с повышением частоты преобразования во времени (UC-TSIR), которая 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 соединяющими их жесткими пружинами. Направьте на вещество инфракрасный свет (длина волны 2–20 мкм); он поглощает инфракрасную энергию, и «пружины» вибрируют. Диапазон колебательных движений зависит от строения молекулы. Итак, мы можем идентифицировать и сделать выводы о свойствах вещества, определив диапазон длин волн, поглощаемых веществом, — его спектры поглощения.

"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"}]"> машинное обучение и другие методы, для методов инфракрасной спектроскопии важно быстро получать большое количество информации о молекулярных колебаниях. Для достижения этой цели мы хотели разработать метод инфракрасной спектроскопии», — сказал профессор Идегути, объясняя мотивацию исследовательской группы.

Данные традиционной инфракрасной спектроскопии с растяжением во времени содержат меньше измеримых спектральных элементов (~ 30), поскольку инструменты работают в инфракрасной области, где оптические технологии в настоящее время ограничены. «UC-TSIR преодолевает ограничения, преобразуя инфракрасные импульсы, содержащие информацию о молекулярных колебаниях, в импульсы ближнего инфракрасного диапазона с помощью методов преобразования длины волны (преобразование с повышением частоты), а также временного растяжения и обнаружения импульсов в ближней инфракрасной области», — сказал доктор Хасимото. По сравнению с традиционными 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 горение газообразных молекул и необратимые химические реакции биомолекул, с высоким временным разрешением.