Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их сотрудники продемонстрировали компактный частотно-гребенчатый прибор, который быстро измеряет весь инфракрасный диапазон света для обнаружения биологических, химических и физических свойств материи. Инфракрасный свет распространяется более длинными волнами, чем видимый свет, и наиболее известен как излучение, связанное с теплом.
Установка NIST, занимающая всего несколько квадратных футов площади таблицы, имеет потенциальные применения, такие как диагностика заболеваний, идентификация химических веществ, используемых в производстве, и сбор энергии биомассы. Работа описана в выпуске журнала Science Advances от 7 июня.
Гребни оптических частот измеряют точные частоты или цвета света. Различные конструкции гребенки позволили разработать атомные часы следующего поколения и показать многообещающие возможности для экологических приложений, таких как обнаружение утечек метана. Биологические приложения развивались медленнее, отчасти потому, что было трудно напрямую генерировать и измерять соответствующий инфракрасный свет.
Чтобы продемонстрировать биологические приложения, команда NIST использовала новое устройство для обнаружения «отпечатков пальцев» эталонного материала моноклональных антител NIST, белка, состоящего из более чем 20 000 атомов, который используется биофармацевтической промышленностью для обеспечения качества. процедур.
«Впервые наши частотные гребенки одновременно охватывают всю инфракрасную область молекулярных отпечатков пальцев», - сказал руководитель проекта Скотт Диддамс. «Другими ключевыми преимуществами являются скорость, разрешение и динамический диапазон при сборе данных».
Средний инфракрасный свет является особенно полезным исследовательским зондом, потому что молекулы обычно вращаются и вибрируют на этих частотах. Но до сих пор было трудно исследовать эту область из-за отсутствия широкополосных или настраиваемых источников света и эффективных детекторов, таких как те, которые доступны для видимого и ближнего инфракрасного света, части инфракрасного спектра, наиболее близкой к видимому свету.
Новый аппарат NIST преодолевает эти проблемы. Простые волоконные лазеры генерируют свет, охватывающий весь диапазон, используемый для идентификации молекул, то есть от среднего до дальнего инфракрасного диапазона с длинами волн 3-27 микрометров (частоты примерно 10-100 терагерц). Количество света, поглощаемого на определенных частотах, обеспечивает уникальную характеристику молекулы. Новая система является инновационной в обнаружении электрических полей поглощенного света с помощью фотодиодов (детекторов света), работающих в ближнем инфракрасном диапазоне.
«Уникальная особенность заключается в том, что мы обнаруживаем сигналы в режиме реального времени, быстро измеряя инфракрасное электрическое поле с помощью лазера ближнего инфракрасного диапазона», - объяснил Диддамс. «У этого есть два преимущества: он смещает обнаружение с инфракрасного на ближний инфракрасный, где мы можем использовать недорогие телекоммуникационные фотодиоды, и мы больше не страдаем от ограничений инфракрасных детекторов, которые требуют криогенного (жидкого азота) охлаждения."
Исследователи обнаружили характерные колебания трех полос амидов (химических групп, содержащих углерод, кислород, азот и водород) в эталонном материале моноклональных антител. Амидные полосы в белках используются для определения механизмов сворачивания, разворачивания и агрегации. Особенности обнаруженных полос указывали на то, что белок имеет пластинчатую структуру, что согласуется с предыдущими исследованиями. Листы соединяют химические группы в плоском расположении.
В дополнение к биологическим приложениям новый аппарат может использоваться для обнаружения взаимодействия между инфракрасным светом и конденсированным веществом для подходов к квантовым вычислениям, которые хранят данные в молекулярных вибрациях или вращениях. Кроме того, в сочетании с новыми методами визуализации настольная система может получать изображения образцов в нанометровом масштабе, что в настоящее время требует использования гораздо более мощного синхротронного оборудования.
Соавторами новой статьи являются исследователи из Университета Кампинас в Бразилии и Института фотонных наук в Испании. Финансирование было предоставлено Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, Национальным исследовательским советом и Управлением научных исследований ВВС.