I ett stort steg mot att utveckla bärbara skannrar som snabbt kan mäta molekyler i läkemedel eller klassificera vävnad i patientens hud, forskare har skapat ett bildsystem som använder lasrar som är små och effektiva nog att passa på ett mikrochip.

Systemet avger och detekterar elektromagnetisk strålning vid terahertz-frekvenser-högre än radiovågor men lägre än det långvågiga infraröda ljuset som används för termisk avbildning. Avbildning med terahertzstrålning har länge varit ett mål för ingenjörer, men svårigheten att skapa praktiska system som fungerar i detta frekvensområde har hindrat de flesta applikationer och resulterat i vad ingenjörer kallar "terahertz gap".

"Här, vi har en revolutionerande teknik som inte har några rörliga delar och använder direkt emission av terahertzstrålning från halvledarchips, "sa Gerard Wysocki, en docent i elektroteknik vid Princeton University och en av ledarna för forskargruppen.

Terahertzstrålning kan penetrera ämnen som tyger och plaster, är icke-joniserande och därför säker för medicinsk användning, och kan användas för att se material som är svårt att avbilda vid andra frekvenser. Det nya systemet, beskrivs i en artikel publicerad i juninumret av tidskriften Optica , kan snabbt undersöka identiteten och arrangemanget av molekyler eller utsätta strukturella skador för material.

Enheten använder stabila strålar med exakta frekvenser. Installationen kallas en frekvenskam eftersom den innehåller flera "tänder" som var och en avger olika, väldefinierad strålningsfrekvens. Strålningen interagerar med molekyler i provmaterialet. En dubbelkammsstruktur gör att instrumentet effektivt kan mäta den reflekterade strålningen. Unika mönster, eller spektralsignaturer, i den reflekterade strålningen gör det möjligt för forskare att identifiera provets molekylära sammansättning.

Medan nuvarande terahertz bildteknik är dyr att producera och krånglig att använda, det nya systemet är baserat på en halvledardesign som kostar mindre och kan generera många bilder per sekund. Denna hastighet kan göra den användbar för kvalitetskontroll i realtid av farmaceutiska tabletter på en produktionslinje och andra snabba användningar.

"Tänk dig att var 100 mikrosekund en tablett passerar, och du kan kontrollera om den har en konsekvent struktur och det finns tillräckligt med varje ingrediens du förväntar dig, sa Wysocki.

Som ett bevis på konceptet, forskarna skapade en tablett med tre zoner som innehåller vanliga inerta ingredienser i läkemedel - former av glukos, laktos och histidin. Terahertz bildsystem identifierade varje ingrediens och avslöjade gränserna mellan dem, samt några ställen där en kemikalie hade spillt över till en annan zon. Denna typ av "hot spot" representerar ett vanligt problem i farmaceutisk produktion som uppstår när den aktiva ingrediensen inte blandas ordentligt i en tablett.

Teamet visade också systemets upplösning genom att använda det för att avbilda ett amerikanskt kvartal. Fina detaljer som örnens vingfjädrar, så liten som en femtedel av en millimeter bred, var tydligt synliga.

Medan tekniken gör den industriella och medicinska användningen av terahertz -avbildning mer genomförbar än tidigare, det kräver fortfarande kylning till en låg temperatur, ett stort hinder för praktiska tillämpningar. Många forskare arbetar nu med lasrar som potentiellt kommer att fungera vid rumstemperatur. Princeton-teamet sa att dess dubbelkamade hyperspektrala bildteknik kommer att fungera bra med dessa nya rumstemperaturlaserkällor, vilket då skulle kunna öppna många fler användningsområden.

Eftersom det är icke-joniserande, terahertz -strålning är säker för patienter och kan eventuellt användas som ett diagnostiskt verktyg för hudcancer. Dessutom, Teknikens förmåga att avbilda metall kan användas för att testa flygplansvingar för skador efter att ha träffats av ett föremål under flygning.

Förutom Wysocki, tidningens Princeton-författare är tidigare gästande doktorand Lukasz Sterczewski (för närvarande postdoktor vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory) och biträdande forskare Jonas Westberg. Andra medförfattare är Yang Yang, David Burghoff och Qing Hu från Massachusetts Institute of Technology; och John Reno från Sandia National Laboratories. Stöd till forskningen gavs delvis av Defense Advanced Research Projects Agency och U.S.A. Department of Energy.