Frekvenskam identifiserer molekyler hvert 20. nanosekund – Physics World

Frekvenskammer – spesialiserte lasere som fungerer som en målestav for lys – brukes ofte til å identifisere ukjente molekyler i en prøve ved å oppdage hvilke lysfrekvenser de absorberer. Til tross for nyere fremskritt, sliter teknikken fortsatt med å registrere spektre på nanosekunders tidsskala som er karakteristisk for mange fysiokjemiske og biologiske prosesser.

Forskere ved US National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersbury, Maryland, Toptica Photonics AG og University of Colorado, Boulder har nå løst denne ulempen ved å utvikle et frekvenskamsystem som kan oppdage spesifikke molekyler i en prøve hvert 20. nanosekund. Deres bragd betyr at teknologien kan brukes til å løse mellomtrinn i prosesser som beveger seg raskt, slik som de som skjer i hypersoniske jetmotorer og proteinfolding.

Å oppdage molekylære fingeravtrykk

I det nye arbeidet, NIST prosjektleder David Long og kolleger genererte to optiske frekvenskammer i det nær-infrarøde området av det elektromagnetiske spekteret ved å bruke elektrooptiske modulatorer. De brukte deretter disse kammene som pumpelaser for en enhet kjent som en optisk parametrisk oscillator som spektralt oversetter kammene til det midt-infrarøde. Denne oversettelsen er viktig fordi den midt-infrarøde regionen er hjemsted for så mange sterke lysabsorpsjonsfunksjoner (spesielt i biomaterialer) at den er kjent som "fingeravtrykksregionen". Kammenes høye kraft og koherens, sammen med den brede avstanden mellom frekvens-"tennene", gjør at disse molekylære linjeformene kan registreres ved høye hastigheter.

I tillegg til å være svært effektiv, er det nye oppsettet også relativt enkelt. "Mange andre tilnærminger for dobbel kamspektroskopi i det midt-infrarøde krevde to separate kammer som må være tett låst til hverandre," forklarer Long. "Dette betyr en sterkt økt eksperimentell kompleksitet. Dessuten hadde tidligere teknikker generelt ikke like høy effekt eller mulighet for å justere kamavstanden til tilstrekkelig store verdier.»

Denne tuningen med stor avstand er mulig, legger Long til, fordi den nye elektrooptiske kammen bare har 14 "tenner", sammenlignet med tusenvis eller til og med millioner for konvensjonelle frekvenskammene. Hver tann har dermed en mye høyere kraft og er lenger fra de andre tennene i frekvens, noe som resulterer i klare, sterke signaler.

Bord-topp frekvens kam sonderer proteinstrukturer

"Fleksibiliteten og enkelheten til den nye metoden er to av dens største styrker," forteller han Fysikkens verden. "Som et resultat er den anvendelig for et bredt spekter av målemål, inkludert kjemisk kinetikk og dynamikk, forbrenningsvitenskap, atmosfærisk kjemi, biologi og kvantefysikkstudier."

Supersonisk CO₂ pulser

Som en test brukte forskerne oppsettet sitt til å måle supersoniske pulser av CO₂ ut av en liten dyse i et luftfylt kammer. De var i stand til å måle CO₂/luftblandingsforhold og observer hvordan CO₂ samhandlet med luft for å skape svingninger av lufttrykk. Slik informasjon kan brukes til å bedre forstå prosesser som forekommer i flymotorer og på den måten hjelpe utviklingen av bedre.

Som en oppfølging av disse eksperimentene, som er detaljert i Nature Photonics, sier forskerne at de nå ønsker å studere andre vitenskapelig interessante kjemiske systemer.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/frequency-comb-identifies-molecules-every-20-nanoseconds/