Temps "d'étirement" pour améliorer la détection des informations de vibration moléculaire

May 31, 2023

Par Université de Tokyo4 mars 2023

Tout d'abord, l'échantillon est éclairé par une lumière infrarouge. Une fois que la lumière interagit avec l'échantillon, les longueurs d'onde résultantes sont «converties» de l'infrarouge à faible énergie à la longueur d'onde proche infrarouge à haute énergie. Les impulsions dans le proche infrarouge traversent ensuite une fibre optique qui "étire" essentiellement l'impulsion dans le temps. Un photodétecteur proche infrarouge détecte les impulsions. L'encart dans le coin inférieur gauche montre les spectres de transmission des molécules de CH4 gazeux à trois moments consécutifs. Crédit : Hashimoto et. Al. 2023

Cette méthode de spectroscopie infrarouge ultrarapide répondrait à de nombreux besoins non satisfaits en science moléculaire expérimentale, révélant en détail divers phénomènes à grande vitesse.

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"}]"> recherche d'exoplanètes, etc. Mais les méthodes traditionnelles de spectroscopie infrarouge fournissent des données à faible résolution (temporelle). Ils ne sont généralement appliqués qu'aux échantillons statiques car l'acquisition de données spectrales est un processus lent.

La détection de phénomènes à évolution rapide nécessite plusieurs mesures rapides. Grâce au professeur Ideguchi et à son équipe de l'Université de Tokyo, il est désormais possible d'obtenir des données spectrales à haute vitesse et haute résolution. L'équipe a découvert la spectroscopie infrarouge à allongement temporel à conversion ascendante (UC-TSIR) qui peut mesurer des spectres infrarouges avec 1000 éléments spectraux à un taux de 10 millions de spectres par seconde.

Les atomes d'une molécule sont liés ensemble, comme des sphères reliées par des ressorts rigides. Faire briller la lumière infrarouge (longueur d'onde 2-20 µm) sur la substance ; il absorbe l'énergie infrarouge et les "ressorts" vibrent. La gamme des mouvements vibratoires dépend de la structure de la molécule. Ainsi, nous pouvons identifier et déduire les propriétés de la substance en détectant la gamme de longueurs d'onde absorbées par la substance - ses spectres d'absorption.

"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"}]"> l'apprentissage automatique et d'autres techniques, il est essentiel que les méthodes de spectroscopie infrarouge acquièrent rapidement une grande quantité d'informations sur les vibrations moléculaires. Nous voulions développer la méthode de spectroscopie infrarouge pour y parvenir », a déclaré le professeur Ideguchi, expliquant la motivation de l'équipe de recherche.

Les données de spectroscopie infrarouge conventionnelle à étirement temporel ont moins d'éléments spectraux mesurables (~ 30) car les instruments fonctionnent dans la région infrarouge, où la technologie optique est actuellement limitée. "UC-TSIR dépasse la limite en convertissant les impulsions infrarouges contenant des informations de vibration moléculaire en impulsions proche infrarouge avec des techniques de conversion de longueur d'onde (upconversion) et en étirant et en détectant temporellement les impulsions dans la région proche infrarouge", a déclaré le Dr Hashimoto. Par rapport aux méthodes conventionnelles, UC-TSIR fournit plus de 30 fois plus d'éléments spectraux et une résolution spectrale 400 fois meilleure. L'UC-TSIR peut tracer des phénomènes à grande vitesse tels que la combustion de molécules gazeuses et des réactions chimiques irréversibles de biomolécules à une résolution temporelle élevée.

En théorie, le concept semble simple et facile à mettre en œuvre ; mais c'était loin de là. "Nous avons soigneusement sélectionné les éléments optiques et ajusté les paramètres par essais et erreurs. Même après avoir construit la configuration, nous avons traité diverses distorsions spectrales causées par des effets optiques non linéaires indésirables et un étirement temporel insuffisant. Nous avons été ravis lorsque nous avons finalement vu des spectres d'absorption infrarouge clairs après traitant de ces questions », a déclaré le Dr Hashimoto. "Les mesures spectrales infrarouges continues ultra-rapides à l'échelle de la nanoseconde ou de la microseconde par UC-TSIR peuvent résoudre des problèmes non résolus par les méthodes de spectroscopie conventionnelles."

Référence : « Upconversion time-stretch infrarouge spectroscopy » par Kazuki Hashimoto, Takuma Nakamura, Takahiro Kageyama, Venkata Ramaiah Badarla, Hiroyuki Shimada, Ryoich Horisaki et Takuro Ideguchi, 4 mars 2023, Light : Science & Applications.DOI : 10.1038/s41377-023 -01096-4