Tempo de "Alongamento" para Melhorar a Detecção de Informações de Vibração Molecular

May 31, 2023

Por Universidade de Tóquio, 4 de março de 2023

Primeiro, a amostra é iluminada com luz infravermelha. Depois que a luz interage com a amostra, os comprimentos de onda resultantes são 'convertidos' do infravermelho de baixa energia para o comprimento de onda do infravermelho próximo de alta energia. Os pulsos de infravermelho próximo então viajam através de uma fibra óptica que essencialmente "estica" o pulso no tempo. Um fotodetector infravermelho próximo detecta os pulsos. A inserção no canto inferior esquerdo mostra os espectros de transmitância de moléculas gasosas de CH4 em três pontos de tempo consecutivos. Crédito: Hashimoto et. al. 2023

Este método de espectroscopia infravermelha ultrarrápida preencheria muitas necessidades não atendidas na ciência molecular experimental, revelando vários fenômenos de alta velocidade em detalhes.

Infrared spectroscopy is a non-invasive tool to identify unknown samples and known chemical substances. It is based on how different molecules interact with infrared light. You may have seen this tool at airports, where they screen for illicit drugs. The technique has many applications: liquid biopsy, environmental gas monitoring, contaminant detection, forensic analyses, exoplanetAn exoplanet (or extrasolar planet) is a planet that is located outside our Solar System, orbiting around a star other than the Sun. The first suspected scientific detection of an exoplanet occurred in 1988, with the first confirmation of detection coming in 1992." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> busca de exoplanetas, etc. Mas os métodos tradicionais de espectroscopia infravermelha fornecem dados de baixa resolução (temporal). Eles geralmente são aplicados apenas para amostras estáticas porque a aquisição de dados espectrais é um processo lento.

A detecção de fenômenos que mudam rapidamente requer várias medições rápidas. Graças ao Prof. Ideguchi e sua equipe da Universidade de Tóquio, agora é possível obter dados espectrais de alta velocidade e alta resolução. A equipe descobriu a espectroscopia infravermelha de extensão de tempo de conversão ascendente (UC-TSIR) que pode medir espectros infravermelhos com 1.000 elementos espectrais a uma taxa de 10 milhões de espectros por segundo.

Os átomos de uma molécula estão unidos – como esferas com molas rígidas conectando-os. Ilumine a substância com luz infravermelha (comprimento de onda de 2-20 µm); absorve a energia infravermelha e as "molas" vibram. A gama de movimentos vibracionais depende da estrutura da molécula. Assim, podemos identificar e inferir as propriedades da substância detectando a faixa de comprimentos de onda absorvidos pela substância – seus espectros de absorção.

"With recent improvements in the capability of analyzing spectra using machine learningMachine learning is a subset of artificial intelligence (AI) that deals with the development of algorithms and statistical models that enable computers to learn from data and make predictions or decisions without being explicitly programmed to do so. Machine learning is used to identify patterns in data, classify data into different categories, or make predictions about future events. It can be categorized into three main types of learning: supervised, unsupervised and reinforcement learning." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> aprendizado de máquina e outras técnicas, é essencial que os métodos de espectroscopia de infravermelho adquiram uma grande quantidade de informações de vibração molecular rapidamente. Queríamos desenvolver o método de espectroscopia de infravermelho para conseguir isso", disse o Prof. Ideguchi, explicando a motivação da equipe de pesquisa.

Os dados convencionais de espectroscopia infravermelha de extensão de tempo têm menos elementos espectrais mensuráveis ​​(~30) porque os instrumentos funcionam na região infravermelha, onde a tecnologia óptica é atualmente limitada. "UC-TSIR quebra o limite convertendo pulsos infravermelhos contendo informações de vibração molecular em pulsos de infravermelho próximo com técnicas de conversão de comprimento de onda (upconversion) e alongando e detectando temporariamente os pulsos na região do infravermelho próximo", disse o Dr. Hashimoto. Comparado aos métodos convencionais, o UC-TSIR fornece mais de 30 vezes mais elementos espectrais e 400 vezes melhor resolução espectral. O UC-TSIR pode rastrear fenômenos de alta velocidade, como a combustão de moléculas gasosas e reações químicas irreversíveis de biomoléculas em alta resolução temporal.