Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en medewerkers hebben een compact frequentiekamapparaat gedemonstreerd dat snel de hele infrarode lichtband meet om biologische, chemische en fysische eigenschappen van materie. Infrarood licht reist in golven die langer zijn dan zichtbaar licht en is het meest bekend als de straling die wordt geassocieerd met warmte.

De NIST-configuratie, die slechts een paar vierkante meter tafelruimte in beslag neemt, heeft potentiële toepassingen zoals ziektediagnose, identificatie van chemicaliën die worden gebruikt bij de productie, en het oogsten van biomassa-energie. Het werk wordt beschreven in het nummer van 7 juni van: wetenschappelijke vooruitgang .

Optische frequentiekammen meten exacte frequenties, of kleuren, van licht. Verschillende kamontwerpen hebben de ontwikkeling van atoomklokken van de volgende generatie mogelijk gemaakt en zijn veelbelovend voor omgevingstoepassingen zoals het detecteren van methaanlekken. Biologische toepassingen ontwikkelen zich langzamer, deels omdat het moeilijk was om het relevante infraroodlicht direct te genereren en te meten.

Om biologische toepassingen te demonstreren, het NIST-team gebruikte het nieuwe apparaat om "vingerafdrukken" van NIST's monoklonale antilichaamreferentiemateriaal te detecteren, een eiwit gemaakt van meer dan 20, 000 atomen die door de biofarmaceutische industrie wordt gebruikt om de kwaliteit van behandelingen te waarborgen.

"Voor het eerst hebben onze frequentiekammen een gelijktijdige dekking over het hele infrarode moleculaire vingerafdrukgebied, ", zegt projectleider Scott Diddams. "Andere belangrijke voordelen zijn snelheid, resolutie en dynamisch bereik bij het verkrijgen van gegevens."

Midden-infrarood licht is een bijzonder nuttige onderzoekssonde omdat moleculen gewoonlijk op deze frequenties roteren en trillen. Maar tot nu toe was het moeilijk om deze regio te onderzoeken vanwege een gebrek aan breedband of afstembare lichtbronnen en efficiënte detectoren zoals die beschikbaar zijn voor zichtbaar en nabij-infrarood licht, het deel van het infraroodspectrum dat het dichtst bij zichtbaar licht ligt.

Het nieuwe NIST-apparaat lost deze problemen op. Eenvoudige fiberlasers genereren licht over het hele bereik dat wordt gebruikt om moleculen te identificeren, dat wil zeggen:midden-infrarood tot ver-infrarood golflengten van 3-27 micrometer (frequenties van ongeveer 10-100 terahertz). De hoeveelheden licht die bij specifieke frequenties worden geabsorbeerd, geven een unieke signatuur van een molecuul. Het nieuwe systeem is innovatief in het detecteren van de elektrische velden van het geabsorbeerde licht met behulp van fotodiodes (lichtdetectoren) die in het nabij-infraroodbereik werken.

"Een uniek kenmerk is dat we signalen in realtime detecteren door het infrarode elektrische veld snel te bemonsteren met een nabij-infraroodlaser, Diddams legde uit. "Dit heeft twee voordelen:het verschuift de detectie van het infrarood naar het nabij-infrarood, waar we goedkope telecommunicatie-fotodiodes kunnen gebruiken, en we hebben niet langer last van de beperkingen van infrarooddetectoren, die cryogene (vloeibare stikstof) koeling vereisen."

De onderzoekers ontdekten kenmerkende trillingen van drie banden van amiden (chemische groepen die koolstof, zuurstof, stikstof en waterstof) in het monoklonale antilichaam-referentiemateriaal. Amidebanden in eiwitten worden gebruikt om de vouwing, ontvouwende en aggregerende mechanismen. Specifieke kenmerken van de gedetecteerde banden gaven aan dat het eiwit een bladstructuur heeft, eens met eerdere studies. Vellen verbinden chemische groepen in een platte opstelling.

Naast biologische toepassingen, het nieuwe apparaat kan worden gebruikt om interacties tussen infrarood licht en gecondenseerde materie te detecteren voor kwantumcomputerbenaderingen die gegevens opslaan in moleculaire trillingen of rotaties. In aanvulling, in combinatie met nieuwe beeldvormingstechnieken, het tafelbladsysteem zou afbeeldingen op nanometerschaal kunnen verkrijgen van monsters waarvoor momenteel een veel grotere synchrotron-faciliteit nodig is.