หวีความถี่ระบุโมเลกุลทุกๆ 20 นาโนวินาที - โลกฟิสิกส์

หวีความถี่ระบุโมเลกุลทุกๆ 20 นาโนวินาที - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 18 ธันวาคม 2023 12:00 น.

แผนภูมิข้อมูลสีรุ้งแสดงการดูดกลืนแสง (แนวตั้ง) ในช่วงเวลา (แนวนอนจากซ้ายไปขวา) ตลอดช่วงความถี่ (แนวนอนไปข้างหน้าไปด้านหลัง)
การตั้งค่าหวีความถี่ใหม่สามารถบันทึกรายละเอียดทีละช่วงเวลาของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่หนีออกจากหัวฉีดด้วยความเร็วเหนือเสียงในห้องที่เต็มไปด้วยอากาศ ตามด้วยการแกว่งของก๊าซอย่างรวดเร็วเนื่องจากอากาศพลศาสตร์ที่ซับซ้อนภายในห้องเพาะเลี้ยง แผนภาพข้อมูลแสดงการดูดกลืนแสง (แนวตั้ง) ในช่วงเวลา (แนวนอนจากซ้ายไปขวา) ในช่วงความถี่ต่างๆ (ไปข้างหน้าไปข้างหลังในแนวนอน) มารยาท: G. Mathews/มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์

หวีความถี่ – เลเซอร์เฉพาะทางที่ทำหน้าที่เหมือนแท่งวัดแสง มักใช้เพื่อระบุโมเลกุลที่ไม่รู้จักในตัวอย่างโดยการตรวจจับความถี่ของแสงที่พวกมันดูดซับ แม้จะมีความก้าวหน้าเมื่อเร็วๆ นี้ แต่เทคนิคนี้ยังคงประสบปัญหาในการบันทึกสเปกตรัมเกี่ยวกับลักษณะเฉพาะของมาตราเวลานาโนวินาทีของกระบวนการทางกายภาพและชีววิทยาหลายอย่าง

นักวิจัยที่ สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งสหรัฐอเมริกา (NIST) ในเมืองเกเธอร์สเบอรี รัฐแมริแลนด์ ทอปติก้า โฟโตนิคส์ เอจี และ มหาวิทยาลัยโคโลราโดโบลเดอร์ ขณะนี้ได้แก้ไขข้อเสียเปรียบนี้ด้วยการพัฒนาระบบหวีความถี่ที่สามารถตรวจจับโมเลกุลเฉพาะในตัวอย่างทุกๆ 20 นาโนวินาที ความสำเร็จของพวกเขาหมายความว่าเทคโนโลยีนี้สามารถนำไปใช้เพื่อแก้ไขขั้นตอนกลางในกระบวนการที่เคลื่อนที่เร็ว เช่น ที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์ไอพ่นที่มีความเร็วเหนือเสียง และการพับโปรตีน

การตรวจจับลายนิ้วมือระดับโมเลกุล

ในงานใหม่หัวหน้าโครงการ NIST เดวิดลอง และเพื่อนร่วมงานได้สร้างหวีความถี่แสงสองหวีในบริเวณใกล้อินฟราเรดของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้เครื่องปรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นพวกเขาใช้หวีเหล่านี้เป็นปั๊มเลเซอร์สำหรับอุปกรณ์ที่เรียกว่าออปติคัลพาราเมตริกออสซิลเลเตอร์ ซึ่งแปลงสเปกตรัมเป็นอินฟราเรดตอนกลาง การแปลความหมายนี้มีความสำคัญเนื่องจากบริเวณอินฟราเรดตอนกลางเป็นแหล่งกำเนิดของคุณสมบัติการดูดกลืนแสงที่แข็งแกร่งจำนวนมาก (โดยเฉพาะในวัสดุชีวภาพ) ที่เรียกว่า "บริเวณลายนิ้วมือ" กำลังสูงและการเชื่อมโยงกันของรวงผึ้ง ร่วมกับระยะห่างที่กว้างของ "ฟัน" ของความถี่ ทำให้สามารถบันทึกรูปร่างเส้นโมเลกุลเหล่านี้ได้ด้วยความเร็วสูง

นอกจากจะมีประสิทธิภาพสูงแล้ว การตั้งค่าใหม่ยังค่อนข้างง่ายอีกด้วย “วิธีการอื่นๆ มากมายสำหรับสเปกโทรสโกปีแบบหวีคู่ในอินฟราเรดตอนกลางจำเป็นต้องใช้หวีสองอันแยกจากกันซึ่งจะต้องล็อคเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา” ลองอธิบาย “นี่หมายถึงความซับซ้อนในการทดลองที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ยิ่งไปกว่านั้น เทคนิคก่อนหน้านี้โดยทั่วไปไม่มีกำลังสูงหรือความเป็นไปได้ในการปรับระยะห่างของหวีให้มีค่ามากเพียงพอ”

ลองกล่าวเสริมว่าการปรับระยะห่างกันอย่างกว้างขวางนี้เป็นไปได้ เนื่องจากหวีไฟฟ้าออปติกใหม่มี "ฟัน" เพียง 14 ซี่เท่านั้น เมื่อเทียบกับหวีความถี่ทั่วไปหลายพันหรือหลายล้านซี่ ฟันแต่ละซี่จึงมีกำลังที่สูงกว่ามากและอยู่ห่างจากฟันซี่อื่นๆ ในด้านความถี่ ซึ่งส่งผลให้สัญญาณชัดเจนและแรง

“ความยืดหยุ่นและความเรียบง่ายของวิธีการใหม่เป็นจุดแข็งหลักสองประการ” เขากล่าว โลกฟิสิกส์. “ผลที่ได้คือ สามารถใช้ได้กับเป้าหมายการวัดที่หลากหลาย รวมถึงจลนศาสตร์และพลศาสตร์เคมี วิทยาศาสตร์การเผาไหม้ เคมีในชั้นบรรยากาศ ชีววิทยา และการศึกษาฟิสิกส์ควอนตัม”

บ.ซุปเปอร์โซนิค2 พัลส์

ในการทดสอบ นักวิจัยใช้การตั้งค่าเพื่อวัดพัลส์ความเร็วเหนือเสียงของ CO2 ออกจากหัวฉีดขนาดเล็กในห้องที่เต็มไปด้วยอากาศ พวกเขาสามารถวัด COXNUMX ได้2/อัตราส่วนการผสมอากาศ และสังเกตวิธีการ CO2 ทำปฏิกิริยากับอากาศเพื่อสร้างการแกว่งของความกดอากาศ ข้อมูลดังกล่าวสามารถใช้เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์อากาศยานได้ดีขึ้น และช่วยในการพัฒนากระบวนการที่ดีขึ้น

เพื่อเป็นการติดตามการทดลองเหล่านี้ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน Photonics ธรรมชาตินักวิจัยกล่าวว่าตอนนี้พวกเขาต้องการศึกษาระบบเคมีอื่นๆ ที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์