Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och medarbetare har visat en kompakt frekvenskammapparat som snabbt mäter hela det infraröda ljusbandet för att detektera biologiska, kemiska och fysikaliska egenskaper hos materia. Infrarött ljus färdas i vågor längre än synligt ljus och är mest bekant som strålningen i samband med värme.

NIST -inställningen, som upptar bara några kvadratmeter bord, har potentiella tillämpningar såsom diagnos av sjukdomar, identifiering av kemikalier som används vid tillverkning, och skörd av biomassa. Arbetet beskrivs i 7 juni -numret av Vetenskapliga framsteg .

Optiska frekvenskammar mäter exakta frekvenser, eller färger, av ljus. Olika kamdesigner har möjliggjort utvecklingen av nästa generations atomur och visar lovande för miljöapplikationer som att upptäcka metanläckage. Biologiska tillämpningar har utvecklats långsammare, delvis för att det har varit svårt att direkt generera och mäta det relevanta infraröda ljuset.

För att visa upp biologiska tillämpningar, NIST -teamet använde den nya apparaten för att detektera "fingeravtryck" av NIST:s monoklonala antikroppsreferensmaterial, ett protein som består av mer än 20, 000 atomer som används av biofarmaceutisk industri för att säkerställa kvaliteten på behandlingarna.

"För första gången har våra frekvenskammar samtidig täckning över hela det infraröda molekylära fingeravtrycksområdet, "sa projektledaren Scott Diddams." Andra viktiga fördelar är snabbhet, upplösning och dynamiskt omfång vid inhämtning av data. "

Mitt-infrarött ljus är en särskilt användbar forskningssond eftersom molekyler vanligtvis roterar och vibrerar vid dessa frekvenser. Men fram till nu har det varit svårt att undersöka denna region på grund av brist på bredband eller avstämbara ljuskällor och effektiva detektorer som tillgängliga för synligt och nära-infrarött ljus, den del av det infraröda spektrumet som är närmast synligt ljus.

Den nya NIST -apparaten övervinner dessa problem. Enkla fiberlasrar genererar ljus som spänner över hela intervallet som används för att identifiera molekyler - det vill säga mellan-infrarött till långt-infrarött våglängder på 3-27 mikrometer (frekvenser på cirka 10-100 terahertz). Mängden ljus som absorberas vid specifika frekvenser ger en unik signatur av en molekyl. Det nya systemet är innovativt för att upptäcka de elektriska fälten i det absorberade ljuset med hjälp av fotodioder (ljusdetektorer) som arbetar i det nära infraröda området.

"En unik egenskap är att vi upptäcker signaler i realtid genom att snabbt sampla det infraröda elektriska fältet med en nära-infraröd laser, "Diddams förklarade." Detta har två fördelar:Det flyttar detekteringen från det infraröda till det nära infraröda där vi kan använda billiga telekommunikationsfotodioder, och vi lider inte längre av begränsningarna för infraröda detektorer, som kräver kryogen (flytande kväve) kylning. "

Forskarna upptäckte signaturvibrationer av tre amidband (kemiska grupper innehållande kol, syre, kväve och väte) i det monoklonala antikroppens referensmaterial. Amidband i proteiner används för att bestämma vikningen, utvecklings- och aggregeringsmekanismer. Specifika egenskaper hos de detekterade banden indikerade att proteinet har en arkstruktur, håller med tidigare studier. Ark förbinder kemiska grupper i ett platt arrangemang.

Förutom biologiska tillämpningar, den nya apparaten kan användas för att detektera interaktioner mellan infrarött ljus och kondenserat material för kvantberäkningsmetoder som lagrar data i molekylära vibrationer eller rotationer. Dessutom, i kombination med nya bildtekniker, bordsskivan kan få bilder i nanometer-skala av prover som för närvarande kräver användning av en mycket större synkrotronanläggning.