In een grote stap in de richting van de ontwikkeling van draagbare scanners die snel moleculen in geneesmiddelen kunnen meten of weefsel in de huid van patiënten kunnen classificeren, onderzoekers hebben een beeldvormingssysteem gemaakt dat lasers gebruikt die klein en efficiënt genoeg zijn om op een microchip te passen.

Het systeem zendt en detecteert elektromagnetische straling op terahertz-frequenties - hoger dan radiogolven maar lager dan het langegolf-infraroodlicht dat wordt gebruikt voor thermische beeldvorming. Beeldvorming met behulp van terahertz-straling is al lang een doel voor ingenieurs, maar de moeilijkheid om praktische systemen te maken die in dit frequentiebereik werken, heeft de meeste toepassingen belemmerd en heeft geleid tot wat ingenieurs de 'terahertz-kloof' noemen.

"Hier, we hebben een revolutionaire technologie die geen bewegende delen heeft en gebruik maakt van directe emissie van terahertz-straling van halfgeleiderchips, " zei Gerard Wysocki, een universitair hoofddocent elektrotechniek aan de Princeton University en een van de leiders van het onderzoeksteam.

Terahertzstraling kan stoffen zoals stoffen en kunststoffen binnendringen, is niet-ioniserend en daarom veilig voor medisch gebruik, en kan worden gebruikt om materialen te bekijken die moeilijk af te beelden zijn op andere frequenties. Het nieuwe systeem, beschreven in een paper gepubliceerd in het juninummer van het tijdschrift optiek , kan snel de identiteit en rangschikking van moleculen onderzoeken of structurele schade aan materialen blootleggen.

Het apparaat maakt gebruik van stabiele stralingsbundels op precieze frequenties. De opstelling wordt een frequentiekam genoemd omdat deze meerdere "tanden" bevat die elk een andere, goed gedefinieerde frequentie van straling. De straling interageert met moleculen in het monstermateriaal. Dankzij een dubbele kamstructuur kan het instrument de gereflecteerde straling efficiënt meten. Unieke patronen, of spectrale handtekeningen, in de gereflecteerde straling stellen onderzoekers in staat om de moleculaire samenstelling van het monster te identificeren.

Hoewel de huidige terahertz-beeldvormingstechnologieën duur zijn om te produceren en omslachtig om te gebruiken, het nieuwe systeem is gebaseerd op een halfgeleiderontwerp dat minder kost en veel beelden per seconde kan genereren. Deze snelheid kan het nuttig maken voor realtime kwaliteitscontrole van farmaceutische tabletten op een productielijn en andere snelle toepassingen.

"Stel je voor dat elke 100 microseconden een tablet voorbij komt, en je kunt controleren of het een consistente structuur heeft en of er genoeg is van elk ingrediënt dat je verwacht, ' zei Wysocki.

Als proof-of-concept, de onderzoekers creëerden een tablet met drie zones die veel voorkomende inerte ingrediënten in farmaceutische producten bevatten - vormen van glucose, lactose en histidine. Het terahertz-beeldvormingssysteem identificeerde elk ingrediënt en onthulde de grenzen ertussen, evenals een paar plekken waar een chemische stof in een andere zone was gemorst. Dit type "hotspot" vertegenwoordigt een veel voorkomend probleem bij de farmaceutische productie dat optreedt wanneer het actieve ingrediënt niet goed in een tablet wordt gemengd.

Het team demonstreerde ook de resolutie van het systeem door het te gebruiken om een ​​Amerikaans kwartaal in beeld te brengen. Fijne details zoals de vleugelveren van de adelaar, zo klein als een vijfde van een millimeter breed, waren duidelijk zichtbaar.

Hoewel de technologie het industriële en medische gebruik van terahertz-beeldvorming haalbaarder maakt dan voorheen, het moet nog steeds worden gekoeld tot een lage temperatuur, een grote hindernis voor praktische toepassingen. Veel onderzoekers werken nu aan lasers die mogelijk bij kamertemperatuur kunnen werken. Het Princeton-team zei dat zijn hyperspectrale beeldvormingstechniek met twee kammen goed zal werken met deze nieuwe laserbronnen op kamertemperatuur. die dan veel meer toepassingen zou kunnen openen.

Omdat het niet-ioniserend is, terahertz-straling is veilig voor patiënten en kan mogelijk worden gebruikt als diagnostisch hulpmiddel voor huidkanker. In aanvulling, het vermogen van de technologie om metaal af te beelden kan worden toegepast om vliegtuigvleugels te testen op schade nadat ze tijdens de vlucht door een object zijn geraakt.

Naast Wysocki, de Princeton-auteurs van het artikel zijn voormalig gaststudent Lukasz Sterczewski (momenteel een postdoctoraal onderzoeker bij NASA's Jet Propulsion Laboratory) en associate research-wetenschapper Jonas Westberg. Andere co-auteurs zijn Yang Yang, David Burghoff en Qing Hu van het Massachusetts Institute of Technology; en John Reno van Sandia National Laboratories. Het onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency en het Amerikaanse ministerie van Energie.