分子测量巨大飞跃:时间拉伸红外光谱法比以前的方法快100倍

在科学和工业的许多领域,光谱学是一种重要的观察工具。红外光谱学在化学界尤其重要,它被用来分析和识别不同的分子。目前最先进的方法每秒可进行约100万次观测。UTokyo的研究人员已经用一种速度快100倍左右的新方法大大超越了这个数字。他们开发了一种超快时间拉伸红外光谱法,这是分子测量的巨大飞跃。相关研究成果发表在自然杂志上。

分子测量巨大飞跃:时间拉伸红外光谱法比以前的方法快100倍--持续仅飞秒(十亿分之一秒)的激光脉冲扩展到纳秒(十亿分之一秒)的范围。
持续仅飞秒(十亿分之一秒)的激光脉冲扩展到纳秒(十亿分之一秒)的范围。

从气候科学到安全系统,从制造业到食品的质量控制,红外光谱在许多学术和工业领域都有应用,尽管它是无形的,但它已经成为日常生活中无处不在的一部分。从本质上讲,红外光谱是一种高度精确地识别物质样品中存在哪些分子的方法。这一基本理念已经存在了几十年,并且一直在进行改进。

一般来说,红外光谱的工作原理是测量样品中分子透射或反射的红外光。样品固有的振动以非常特定的方式改变了光的特性,本质上提供了化学指纹或光谱,由检测器和分析仪或计算机读取。五十年前,最好的工具可以每秒测量一个光谱,对于许多应用来说,这已经足够了。

最近,一种称为双光梳光谱技术实现了每秒100万个光谱的测量速率。然而,在许多情况下,为了产生细粒度的数据,需要更快速的观测。例如,一些研究人员希望探索在很短的时间内发生的某些化学反应的阶段。最近东京大学光子科学与技术研究所的Takuro Ideguchi副教授和他的团队研究并创造了迄今为止最快的红外光谱系统,它以每秒8000万个光谱的速度运行。

这种方法,即时间拉伸红外光谱法,比双光梳光谱技术快100倍左右,后者由于灵敏度问题已经达到了速度上限。 考虑到一年约有3000万秒,这种新方法可以在一秒钟内实现50年前需要两年多才能完成的任务。

时间拉伸红外光谱的工作原理是拉伸从样品中传输的很短的激光脉冲。当传输的脉冲被拉伸时,探测器和配套电子设备就更容易进行精确分析。使之成为可能的一个关键高速部件是一种被称为量子级联探测器的东西,由来自滨松光电公司的Tatsuo Dougakiuchi开发。

自然科学是建立在实验观察的基础上的。因此,新测量技术可以开拓新的科学领域。许多领域的研究人员可以基于这项新研究成果增强自己的理解和观察。

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