科学家"拉伸"时间以改善分子振动信息检测焦点快播

来源：cnBeta 　2023-03-05 05:41:09

(相关资料图)

红外光谱学是一种非侵入性的工具，可以识别未知的样品和已知的化学物质。它是基于不同的分子与红外光的互动方式。你可能在机场看到过这种工具，他们在那里筛查非法药物。该技术有很多应用：液体活检、环境气体监测、污染物检测、法医分析、系外行星搜索等。

首先，样品被红外光照亮。在光与样品相互作用后，产生的波长从低能量的红外线 "上转换"为高能量的近红外波长。然后，近红外脉冲通过一根光纤，在时间上基本上 "拉长"了脉冲。一个近红外光电探测器检测到这些脉冲。左下角的插图显示了气态CH4分子在三个连续时间点的透射率光谱。

但传统的红外光谱方法提供的是低（时间）分辨率数据。它们通常只适用于静态样品，因为光谱数据的获取是一个缓慢的过程。

检测快速变化的现象需要多次快速测量，而东京大学的Ideguchi教授和他的团队现在有可能获得高速和高分辨率的光谱数据。该团队发现了上转换时间拉伸红外光谱仪（UC-TSIR），它能以每秒1000万张光谱的速度测量1000个光谱元素的红外光谱。

分子中的原子像球体一样结合在一起，有坚硬的弹簧连接着它们。将红外光（2-20微米波长）照在物质上；它吸收了红外能量，"弹簧"就会振动。振动运动的范围取决于分子的结构。因此，我们可以通过检测物质吸收的波长范围--它的吸收光谱来识别和推断物质的特性。

"随着最近使用机器学习和其他技术分析光谱能力的提高，红外光谱方法必须迅速获得大量的分子振动信息。我们想开发红外光谱方法来实现这一目标，"Ideguchi教授解释研究小组的动机时说。

传统的时间拉伸红外光谱数据的可测量光谱元素较少（约30个），因为仪器在红外区域工作，而目前光学技术在该区域受到限制。"Hashimoto博士说："UC-TSIR通过用波长转换技术（上转换）将含有分子振动信息的红外脉冲转换为近红外脉冲，并在近红外区域对脉冲进行时间拉伸和检测，从而打破了这个限制。与传统方法相比，UC-TSIR提供了超过30倍的光谱元素和400倍的光谱分辨率。UC-TSIR能够以高时间分辨率追踪高速现象，如气体分子的燃烧和生物分子的不可逆化学反应。"

从理论上讲，这个概念听起来很简单，很容易实现，但事实远非如此。"我们仔细选择了光学元件，并通过试验和错误调整参数。甚至在建立了这个装置之后，我们还处理了由不需要的非线性光学效应和不充分的时间拉伸造成的各种光谱失真。在处理完这些问题后，我们终于看到了清晰的红外吸收光谱，这让我们欣喜若狂，通过UC-TSIR进行纳秒或微秒级的超快连续红外光谱测量可以解决传统光谱学方法无法解决的问题"。

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