شانه فرکانس هر 20 نانوثانیه مولکول ها را شناسایی می کند - دنیای فیزیک

شانه فرکانس هر 20 نانوثانیه مولکول ها را شناسایی می کند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 18 دسامبر 2023، 12:00 بعد از ظهر

نمودار داده رنگین کمان که جذب نور (عمودی) را در طول زمان (افقی از چپ به راست) در طیف وسیعی از فرکانس ها (افقی جلو به عقب) نشان می دهد.
یک سیستم شانه فرکانس جدید می تواند جزئیات لحظه به لحظه گاز دی اکسید کربنی را که از یک نازل با سرعت های مافوق صوت در یک محفظه پر از هوا خارج می شود و به دنبال آن نوسانات سریع گاز به دلیل آیرودینامیک پیچیده درون محفظه را به تصویر بکشد. نمودار داده ها جذب نور (عمودی) را در طول زمان (افقی از چپ به راست) در طیف وسیعی از فرکانس ها (افقی جلو به عقب) نشان می دهد. با احترام: G. Mathews/دانشگاه کلرادو بولدر

شانه‌های فرکانس - لیزرهای تخصصی که مانند یک چوب اندازه‌گیری نور عمل می‌کنند - معمولاً برای شناسایی مولکول‌های ناشناخته در نمونه با تشخیص فرکانس‌های نوری که آنها جذب می‌کنند، استفاده می‌شوند. با این حال، علیرغم پیشرفت‌های اخیر، این تکنیک هنوز برای ثبت طیف‌ها در مقیاس زمانی نانوثانیه مشخصه بسیاری از فرآیندهای فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی تلاش می‌کند.

محققان در موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) در گیترزبری، مریلند، Toptica Photonics AG و دانشگاه کلرادو، بولدر اکنون با توسعه یک سیستم شانه فرکانس که می تواند مولکول های خاصی را در یک نمونه هر 20 نانوثانیه تشخیص دهد، این اشکال را برطرف کرده اند. شاهکار آنها به این معنی است که این فناوری می تواند برای حل مراحل میانی در فرآیندهای سریع، مانند مواردی که در موتورهای جت مافوق صوت و تاشو پروتئین رخ می دهد، استفاده شود.

تشخیص اثر انگشت مولکولی

در کار جدید، رهبر پروژه NIST دیوید لانگ و همکارانش دو شانه فرکانس نوری را در ناحیه مادون قرمز نزدیک طیف الکترومغناطیسی با استفاده از مدولاتورهای الکترواپتیک تولید کردند. سپس آنها از این شانه ها به عنوان لیزر پمپ برای دستگاهی به نام نوسانگر پارامتری نوری استفاده کردند که شانه ها را به صورت طیفی به مادون قرمز میانی ترجمه می کند. این ترجمه از این جهت مهم است که ناحیه مادون قرمز میانی محل بسیاری از ویژگی های جذب نور قوی (به ویژه در مواد زیستی) است که به عنوان "منطقه اثر انگشت" شناخته می شود. قدرت و انسجام بالای شانه ها، همراه با فاصله وسیع فرکانس "دندان" آنها، اجازه می دهد تا این اشکال خطوط مولکولی با سرعت بالا ثبت شوند.

علاوه بر این که بسیار مؤثر است، تنظیم جدید نیز نسبتاً ساده است. لانگ توضیح می‌دهد: «بسیاری از روش‌های دیگر برای طیف‌سنجی دوگانه شانه در مادون قرمز میانی به دو شانه مجزا نیاز دارند که باید محکم به یکدیگر قفل شوند. این به معنای افزایش پیچیدگی تجربی است. علاوه بر این، تکنیک‌های قبلی عموماً از قدرت بالایی برخوردار نبودند یا امکان تنظیم فاصله شانه‌ها تا مقادیر کافی بزرگ را نداشتند.

لانگ اضافه می‌کند که این تنظیم با فواصل گسترده امکان‌پذیر است، زیرا شانه الکترواپتیک جدید تنها 14 دندان دارد، در مقایسه با هزاران یا حتی میلیون‌ها شانه‌های فرکانس معمولی. بنابراین، هر دندان قدرت بسیار بالاتری دارد و از نظر فرکانس از دندان‌های دیگر دورتر است که منجر به سیگنال‌های واضح و قوی می‌شود.

او می گوید: «انعطاف پذیری و سادگی روش جدید دو نقطه قوت اصلی آن است دنیای فیزیک. در نتیجه، برای طیف وسیعی از اهداف اندازه گیری، از جمله سینتیک و دینامیک شیمیایی، علم احتراق، شیمی جو، زیست شناسی و مطالعات فیزیک کوانتومی قابل استفاده است.

CO مافوق صوت2 پالس ها

به عنوان یک آزمایش، محققان از تنظیمات خود برای اندازه گیری پالس های مافوق صوت CO استفاده کردند2 خروج از یک نازل کوچک در یک محفظه پر از هوا. آنها توانستند CO را اندازه گیری کنند2/ نسبت اختلاط هوا و مشاهده نحوه CO2 برای ایجاد نوسانات فشار هوا با هوا تعامل دارد. چنین اطلاعاتی می‌تواند برای درک بهتر فرآیندهایی که در موتورهای هواپیما اتفاق می‌افتد استفاده شود و بنابراین به توسعه موتورهای بهتر کمک کند.

به عنوان ادامه این آزمایش ها که به تفصیل در طبیعت فوتونیکمحققان می گویند که اکنون مایلند سایر سیستم های شیمیایی جالب علمی را مطالعه کنند.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک