Önce numune kızılötesi ışıkla aydınlatılır. Işık numune ile etkileşime girdikten sonra, ortaya çıkan dalga boyları düşük enerjili kızılötesinden yüksek enerjili yakın kızılötesi dalga boyuna “yukarı dönüştürülür”. Yakın kızılötesi darbeler daha sonra, darbeyi zaman içinde esasen “esneten” bir optik fiberden geçer. Yakın kızılötesi bir fotodetektör darbeleri algılar. Sol alt köşedeki ek, gaz halindeki CH4 moleküllerinin üç ardışık zaman noktasında geçirgenlik spektrumlarını gösterir. Kredi bilgileri: Hashimoto et. al. 2023
Bu ultra hızlı kızılötesi spektroskopi yöntemi, çeşitli yüksek hızlı fenomenleri ayrıntılı olarak ortaya çıkararak deneysel moleküler bilimde karşılanmamış birçok ihtiyacı karşılayacaktır.
Kızılötesi spektroskopi, bir bilinmeyen numuneleri ve bilinen kimyasal maddeleri tanımlamaya yönelik invazif olmayan bir araç. Farklı moleküllerin kızılötesi ışıkla nasıl etkileşime girdiğine dayanır. Bu aracı, yasa dışı uyuşturucuları taradıkları havalimanlarında görmüş olabilirsiniz. Tekniğin birçok uygulaması vardır: likit biyopsi, çevresel gaz izleme, kirletici algılama, adli analizler, ötegezegen arama, vb. Ancak geleneksel kızılötesi spektroskopi yöntemleri düşük (geçici) çözünürlüklü veriler sağlar. Spektral veri toplama yavaş bir süreç olduğundan, genellikle yalnızca statik örnekler için uygulanırlar.
Hızlı değişen olguları tespit etmek, birden çok hızlı ölçüm gerektirir. Tokyo Üniversitesi’ndeki Prof. Ideguchi ve ekibi sayesinde artık yüksek hızlı ve yüksek çözünürlüklü spektral veriler elde etmek mümkün. Ekip, saniyede 10 milyon tayf hızında 1000 spektral öğeye sahip kızılötesi tayfları ölçebilen yukarı dönüşümlü, zaman uzatmalı kızılötesi spektroskopiyi (UC-TSIR) keşfetti.
Bir moleküldeki atomlar, küreler gibi birbirine bağlıdır. onları birbirine bağlayan sert yaylarla. Madde üzerinde kızılötesi ışık (2-20 µm dalga boyu) parlatın; kızılötesi enerjiyi emer ve “yaylar” titreşir. Titreşim hareketlerinin aralığı molekülün yapısına bağlıdır. Böylece, madde tarafından soğurulan dalga boylarının aralığını, yani absorpsiyon spektrumlarını saptayarak, maddenin özelliklerini tanımlayabilir ve çıkarabiliriz.
“Makine öğrenimi ve diğer teknikleri kullanarak spektrumları analiz etme yeteneğindeki son gelişmelerle birlikte, Kızılötesi spektroskopi yöntemlerinin büyük miktarda moleküler titreşim bilgisini hızla elde etmesi esastır. Bunu başarmak için kızılötesi spektroskopi yöntemini geliştirmek istedik” diyen Prof. Ideguchi, araştırma ekibinin motivasyonunu açıkladı.
Geleneksel zaman uzatmalı kızılötesi spektroskopi verileri daha az ölçülebilir spektral öğeye (~30) sahiptir çünkü aletler, optik teknolojinin şu anda sınırlı olduğu kızılötesi bölgede çalışır. Hashimoto, “UC-TSIR, dalga boyu dönüştürme teknikleri (üst dönüşüm) ile moleküler titreşim bilgisi içeren kızılötesi darbeleri yakın kızılötesi darbelere dönüştürerek ve yakın kızılötesi bölgedeki darbeleri geçici olarak esneterek ve saptayarak sınırı aşıyor” dedi. Geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında, UC-TSIR 30 kat daha fazla spektral eleman ve 400 kat daha iyi spektral çözünürlük sağlar. UC-TSIR, gaz moleküllerinin yanması ve biyomoleküllerin geri dönüşü olmayan kimyasal reaksiyonları gibi yüksek hızlı olayları yüksek zamansal çözünürlükte izleyebilir.
Teorik olarak, kavram kulağa basit ve uygulanması kolay geliyor; ama bundan çok uzaktı. “Optik elemanları dikkatli bir şekilde seçtik ve parametreleri deneme yanılma yoluyla ayarladık. Kurulumu oluşturduktan sonra bile, istenmeyen doğrusal olmayan optik etkilerin ve yetersiz zaman uzamasının neden olduğu çeşitli spektral distorsiyonlarla uğraştık. Bu sorunlarla uğraştıktan sonra nihayet net kızılötesi absorpsiyon spektrumları gördüğümüzde çok sevindik,” dedi Dr. Hashimoto. “UC-TSIR tarafından nanosaniye veya mikrosaniye ölçeğinde ultra hızlı sürekli kızılötesi spektral ölçümler, geleneksel spektroskopi yöntemleriyle çözülemeyen sorunları çözebilir.”
Referans: “Üst dönüşümlü zaman uzatmalı kızılötesi spektroskopisi”, Kazuki Hashimoto, Takuma Nakamura , Takahiro Kageyama, Venkata Ramaiah Badarla, Hiroyuki Shimada, Ryoich Horisaki ve Takuro Ideguchi, 4 Mart 2023, Light: Science & Applications.
DOI: 10.1038/s41377-023-01096-4