Tempo di “stretching” per migliorare il rilevamento delle informazioni sulle vibrazioni molecolari

May 31, 2023

Dall'Università di Tokyo4 marzo 2023

Innanzitutto, il campione viene illuminato con luce infrarossa. Dopo che la luce ha interagito con il campione, le lunghezze d'onda risultanti vengono "convertite" dall'infrarosso a bassa energia alla lunghezza d'onda del vicino infrarosso ad alta energia. Gli impulsi nel vicino infrarosso viaggiano quindi attraverso una fibra ottica che essenzialmente "allunga" l'impulso nel tempo. Un fotorilevatore nel vicino infrarosso rileva gli impulsi. L'inserto nell'angolo in basso a sinistra mostra gli spettri di trasmittanza delle molecole gassose di CH4 in tre punti temporali consecutivi. Credito: Hashimoto et. al. 2023

Questo metodo di spettroscopia a infrarossi ultraveloce soddisferebbe molte esigenze insoddisfatte nella scienza molecolare sperimentale, rivelando in dettaglio vari fenomeni ad alta velocità.

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"}]"> ricerca di esopianeti, ecc. Ma i tradizionali metodi di spettroscopia a infrarossi forniscono dati a bassa risoluzione (temporale). Di solito vengono applicati solo a campioni statici perché l'acquisizione dei dati spettrali è un processo lento.

Il rilevamento di fenomeni in rapido cambiamento richiede molteplici misurazioni rapide. Grazie al Prof. Ideguchi e al suo team dell'Università di Tokyo, è ora possibile ottenere dati spettrali ad alta velocità e ad alta risoluzione. Il team ha scoperto la spettroscopia infrarossa time-stretch (UC-TSIR) che può misurare spettri infrarossi con 1000 elementi spettrali a una velocità di 10 milioni di spettri al secondo.

Gli atomi di una molecola sono legati insieme, come sfere collegate da molle rigide. Illuminare la sostanza con luce infrarossa (lunghezza d'onda 2-20 µm); assorbe l'energia infrarossa e le "molle" vibrano. La gamma dei movimenti vibrazionali dipende dalla struttura della molecola. Quindi, possiamo identificare e dedurre le proprietà della sostanza rilevando la gamma di lunghezze d'onda assorbite dalla sostanza: i suoi spettri di assorbimento.

"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"}]"> apprendimento automatico e altre tecniche, è essenziale che i metodi di spettroscopia infrarossa acquisiscano rapidamente una grande quantità di informazioni sulle vibrazioni molecolari. Volevamo sviluppare il metodo della spettroscopia infrarossa per raggiungere questo obiettivo", ha affermato il Prof. Ideguchi, spiegando la motivazione del gruppo di ricerca.

I dati della spettroscopia infrarossa convenzionale a allungamento temporale hanno meno elementi spettrali misurabili (~ 30) perché gli strumenti funzionano nella regione dell'infrarosso, dove la tecnologia ottica è attualmente limitata. "UC-TSIR supera il limite convertendo gli impulsi infrarossi contenenti informazioni sulla vibrazione molecolare in impulsi del vicino infrarosso con tecniche di conversione della lunghezza d'onda (upconversion) e allungando e rilevando temporalmente gli impulsi nella regione del vicino infrarosso", ha affermato il dottor Hashimoto. Rispetto ai metodi convenzionali, UC-TSIR fornisce oltre 30 volte più elementi spettrali e una risoluzione spettrale 400 volte migliore. L'UC-TSIR può tracciare fenomeni ad alta velocità come la combustione di molecole gassose e reazioni chimiche irreversibili di biomolecole con un'elevata risoluzione temporale.