NIST infrarød frekvenskam måler biologiske signaturer

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og samarbejdspartnere har demonstreret et kompakt frekvenskam-apparat, der hurtigt måler hele det infrarøde lysbånd for at detektere biologiske, stoffets kemiske og fysiske egenskaber. Infrarødt lys bevæger sig i bølger længere end synligt lys og er mest kendt som den stråling, der er forbundet med varme.

NIST-opsætningen, som kun optager et par kvadratmeter bordplads, har potentielle anvendelser såsom sygdomsdiagnose, identifikation af kemikalier, der anvendes i fremstillingen, og høst af biomasseenergi. Arbejdet er beskrevet i 7. juni-nummeret af Videnskabens fremskridt .

Optiske frekvenskamme måler nøjagtige frekvenser, eller farver, af lys. Forskellige kamdesigns har muliggjort udviklingen af ​​næste generations atomure og viser lovende for miljømæssige applikationer såsom detektering af metanlækager. Biologiske applikationer har været langsommere at udvikle, dels fordi det har været svært direkte at generere og måle det relevante infrarøde lys.

For at fremvise biologiske anvendelser, NIST-holdet brugte det nye apparat til at detektere "fingeraftryk" af NISTs monoklonale antistofreferencemateriale, et protein lavet af mere end 20, 000 atomer, der bruges af den biofarmaceutiske industri til at sikre kvaliteten af ​​behandlinger.

"For første gang har vores frekvenskamme samtidig dækning over hele det infrarøde molekylære fingeraftryksområde, " sagde projektleder Scott Diddams. "Andre vigtige fordele er hastighed, opløsning og dynamisk rækkevidde ved indsamling af data."

Midt-infrarødt lys er en særlig nyttig forskningsprobe, fordi molekyler normalt roterer og vibrerer ved disse frekvenser. Men indtil nu har det været vanskeligt at undersøge denne region på grund af mangel på bredbånds- eller justerbare lyskilder og effektive detektorer som dem, der er tilgængelige for synligt og nær-infrarødt lys, den del af det infrarøde spektrum, der er tættest på synligt lys.

Det nye NIST-apparat overvinder disse problemer. Simple fiberlasere genererer lys, der spænder over hele området, der bruges til at identificere molekyler - dvs. mellem-infrarøde til langt-infrarøde bølgelængder på 3-27 mikrometer (frekvenser på ca. 10-100 terahertz). Mængden af ​​lys, der absorberes ved specifikke frekvenser, giver en unik signatur af et molekyle. Det nye system er innovativt til at detektere de elektriske felter i det absorberede lys ved hjælp af fotodioder (lysdetektorer), der opererer i det nær-infrarøde område.

"En unik egenskab er, at vi detekterer signaler i realtid ved hurtigt at sample det infrarøde elektriske felt med en nær-infrarød laser, Diddams forklarede. "Dette har to fordele:Det flytter detekteringen fra den infrarøde til den nær-infrarøde, hvor vi kan bruge billige telekommunikationsfotodioder, og vi lider ikke længere af begrænsningerne ved infrarøde detektorer, som kræver kryogen (flydende nitrogen) afkøling."

Forskerne opdagede signaturvibrationer af tre bånd af amider (kemiske grupper indeholdende kulstof, ilt, nitrogen og hydrogen) i det monoklonale antistofreferencemateriale. Amidbånd i proteiner bruges til at bestemme foldningen, udfoldelses- og aggregeringsmekanismer. Specifikke træk ved de påviste bånd indikerede, at proteinet har en arkstruktur, enig med tidligere undersøgelser. Ark forbinder kemiske grupper i et fladt arrangement.

Ud over biologiske anvendelser, det nye apparat kan blive brugt til at detektere interaktioner mellem infrarødt lys og kondenseret stof til kvanteberegningsmetoder, der lagrer data i molekylære vibrationer eller rotationer. Ud over, når det kombineres med nye billedbehandlingsteknikker, bordpladesystemet kunne opnå billeder i nanometerskala af prøver, der i øjeblikket kræver brug af en meget større synkrotron-facilitet.