Un nuevo peine de frecuencia puede identificar moléculas en instantáneas de 20 nanosegundos
El sistema basado en láser ahora tiene la capacidad de capturar detalles momento a momento de procesos de alta velocidad, como la propulsión hipersónica y el plegamiento de proteínas.
Una nueva configuración de peine de frecuencia puede capturar los detalles momento a momento del gas de dióxido de carbono que escapa de una boquilla a velocidades supersónicas en una cámara llena de aire, seguido de rápidas oscilaciones del gas debido a una aerodinámica compleja dentro de la cámara. El gráfico de datos muestra la absorbancia de la luz (vertical) a lo largo del tiempo (horizontal de izquierda a derecha) en un rango de frecuencias (horizontal de adelante hacia atrás).
Crédito: G. Mathews/Universidad de Colorado Boulder
Desde monitorear concentraciones de gases de efecto invernadero hasta detectar COVID en el aliento , los sistemas láser conocidos como peines de frecuencia pueden identificar moléculas específicas tan simples como el dióxido de carbono y tan complejas como los anticuerpos monoclonales con una precisión y sensibilidad sin precedentes. Sin embargo, por sorprendentes que sean, los peines de frecuencia se han visto limitados en cuanto a la rapidez con la que pueden capturar un proceso de alta velocidad como la propulsión hipersónica o el plegamiento de proteínas en sus formas tridimensionales finales.
Ahora, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), Toptica Photonics AG y la Universidad de Colorado Boulder han desarrollado un sistema de peine de frecuencia que puede detectar la presencia de moléculas específicas en una muestra cada 20 nanosegundos, o milmillonésimas de segundo. . Con esta nueva capacidad, los investigadores pueden utilizar peines de frecuencia para comprender mejor los pasos intermedios de una fracción de segundo en procesos rápidos que van desde el funcionamiento de los motores a reacción hipersónicos hasta las reacciones químicas entre las enzimas que regulan el crecimiento celular. El equipo de investigación anunció sus resultados en un artículo publicado en Nature Photonics .
En su experimento, los investigadores utilizaron la ahora común configuración de peine de doble frecuencia, que contiene dos rayos láser que trabajan juntos para detectar el espectro de colores que absorbe una molécula. La mayoría de las configuraciones de peine de doble frecuencia implican dos láseres de femtosegundos, que envían un par de pulsos ultrarrápidos al mismo tiempo.
En este nuevo experimento, los investigadores utilizaron una configuración más simple y económica conocida como “peines electroópticos”, en la que un único haz de luz continuo se divide primero en dos haces. Luego, un modulador electrónico produce campos eléctricos que alteran cada haz de luz, dándoles forma de «dientes» individuales de un peine de frecuencia. Cada diente tiene un color o frecuencia de luz específica que luego puede ser absorbida por una molécula de interés.
Mientras que los peines de frecuencia convencionales pueden tener miles o incluso millones de dientes, el peine electroóptico de los investigadores sólo tenía 14 en un experimento típico. Sin embargo, como resultado, cada diente tenía una potencia óptica mucho mayor y estaba muy alejado de los demás en frecuencia, lo que dio como resultado una señal clara y fuerte que permitió a los investigadores detectar cambios en la absorción de luz en una escala de tiempo de 20 nanosegundos.
En su demostración, los investigadores utilizaron el instrumento para medir pulsos supersónicos de CO 2 que emergen de una pequeña boquilla en una cámara llena de aire. Midieron la proporción de mezcla de CO 2 , la proporción de dióxido de carbono en el aire. La concentración cambiante de CO 2 informó a los investigadores sobre el movimiento del pulso. Los investigadores observaron cómo el CO 2 interactuaba con el aire y creaba oscilaciones de presión del aire a su paso. Estos detalles suelen ser difíciles de obtener con precisión incluso con las simulaciones por computadora más sofisticadas.
“En un sistema más complicado como el motor de un avión, podríamos utilizar este enfoque para observar una especie particular de interés, como agua, combustible o CO 2 , para observar la química. También podemos utilizar este enfoque para medir cosas como la presión, la temperatura o la velocidad observando los cambios en la señal”, dijo el químico investigador del NIST, David Long. La información de estos experimentos podría proporcionar conocimientos que podrían conducir a mejoras en el diseño de los motores de combustión o a una mejor comprensión de cómo interactúan los gases de efecto invernadero con la atmósfera.
Se utilizó un componente especial en la configuración, conocido como oscilador óptico paramétrico, para cambiar los dientes del peine de los colores del infrarrojo cercano al infrarrojo medio absorbidos por el CO 2 . Pero el oscilador óptico paramétrico también se puede sintonizar con otras regiones del infrarrojo medio para que los peines puedan detectar otras moléculas que absorben luz en esas regiones.
El artículo incluye información que otros investigadores pueden utilizar para construir un sistema similar en el laboratorio, lo que hace que esta nueva técnica esté ampliamente disponible en muchos campos de investigación e industrias.
«Lo verdaderamente especial de este trabajo es que reduce sustancialmente la barrera de entrada para los investigadores que deseen utilizar peines de frecuencia para estudiar procesos rápidos», dijo el coautor Greg Rieker, profesor de la Universidad de Colorado Boulder y ex NIST . asociado de investigación .
“Con esta configuración, puedes generar cualquier peine que desees. La capacidad de ajuste, la flexibilidad y la velocidad de este método abren la puerta a muchos tipos diferentes de mediciones”, dijo Long.
Este trabajo fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Artículo: David A. Long, Matthew J. Cich, Carl Mathurin, Adam T. Heiniger, Garrett C. Mathews, Augustine Frymire y Gregory B. Rieker. Espectroscopía de absorción de doble peine con resolución temporal de nanosegundos. Fotónica de la naturaleza. Publicado en línea el 30 de octubre de 2023. DOI: 10.1038/s41566-023-01316-8