Badacze z Uniwersytetu Tokijskiego osiągnęli 100-krotny wzrost szybkości pomiarów spektroskopii Ramana, pogłębiając jej zastosowanie w diagnostyce biomedycznej i analityce materiałowej.
Innowację tę udało się osiągnąć dzięki połączeniu spójnej spektroskopii Ramana, specjalnie zaprojektowanego lasera o ultrakrótkich impulsach i technologii rozciągania w czasie, oferując nowe możliwości wysokowydajnego obrazowania chemicznego bez etykiet.
Przełom w szybkości spektroskopii Ramana
Naukowcom udało się 100-krotnie zwiększyć szybkość pomiarów spektroskopii Ramana, powszechnie stosowanej techniki identyfikacji cząsteczek. Naukowcy Takuma Nakamura, Kazuki Hashimoto i Takuro Ideguchi z Instytutu Nauki i Technologii Fotonowej na Uniwersytecie Tokijskim dokonali tego przełomu. Spektroskopia Ramana jest powszechnie stosowana do pomiaru „wibracyjnego odcisku palca” cząsteczek, co pomaga w ich identyfikacji.
To znaczące udoskonalenie rozwiązuje utrzymujące się od dawna ograniczenie szybkości tej techniki, otwierając drzwi do postępu w dziedzinach zależnych od szybkiej identyfikacji molekularnej i komórkowej, takich jak diagnostyka biomedyczna i analiza materiałów. Wyniki badania opublikowano 22 października w czasopiśmie Ultraszybka nauka.
Rozszerzanie zastosowań w nauce
Spektroskopia Ramana odgrywa kluczową rolę zarówno w naukach podstawowych, jak i stosowanych, umożliwiając identyfikację różnych typów cząsteczek i komórek. Kiedy wiązka lasera oddziałuje z cząsteczkami, powoduje wibracje i rotacje wiązań molekularnych, co skutkuje przesunięciem częstotliwości światła. To przesunięcie, znane jako widma rozpraszania, tworzy unikalny „wibracyjny odcisk palca” każdej cząsteczki.
„Pomiary są podstawą nauki” – mówi Ideguchi, główny badacz badania, „dlatego staramy się osiągnąć najwyższą wydajność naszych systemów pomiarowych. W szczególności jesteśmy zaangażowani w przesuwanie granic pomiarów optycznych.”
Udoskonalanie pomiarów optycznych
Ponieważ spektroskopia Ramana jest szeroko stosowaną techniką pomiarową, podejmowano wiele prób jej udoskonalenia. Jednym z głównych czynników ograniczających jest szybkość pomiaru, która uniemożliwia „nadążanie” za szybkością zmian niektórych reakcji chemicznych i fizycznych. Zespół postanowił poprawić szybkość pomiaru, budując system od podstaw.
„Rozważałem ten pomysł od ponad dziesięciu lat, ale nie mogłem rozpocząć projektu” – mówi Ideguchi. „To nowy, optymalny system laserowy, który opracowaliśmy kilka lat temu, w końcu umożliwił postęp”.
Innowacje technologiczne i wizje przyszłości
Wykorzystując swoją wiedzę z zakresu optyki i fotoniki, naukowcy połączyli trzy składniki: spójną spektroskopię Ramana, wersję spektroskopii Ramana, która wytwarza silniejsze sygnały niż konwencjonalna, spontaniczna spektroskopia Ramana, specjalnie zaprojektowany laser o ultrakrótkich impulsach oraz technologię rozciągania w czasie wykorzystującą światłowody. W rezultacie osiągnięto szybkość pomiaru 50 Mspektr/s (megaspektrów na sekundę), co stanowi 100-krotny wzrost w porównaniu z najszybszym jak dotąd pomiarem wynoszącym 50 kSpectra/s (kilowidm na sekundę). Ideguchi opisuje szeroki potencjał tego ulepszenia.
„Chcemy zastosować nasz spektrometr w mikroskopii, umożliwiając przechwytywanie obrazów 2D i 3D za pomocą widm rozpraszania Ramana. Dodatkowo przewidujemy jego zastosowanie w cytometrii przepływowej poprzez połączenie tej technologii z mikroprzepływami. Systemy te umożliwią wysokoprzepustowe obrazowanie chemiczne i spektroskopię biomolekuł w komórkach i tkankach bez konieczności stosowania etykiet”.
Odniesienie: „Szerokopasmowa spójna spektroskopia rozpraszania Ramana przy 50 000 000 widm na sekundę” autorstwa Takumy Nakamury, Kazuki Hashimoto i Takuro Ideguchi, 22 października 2024 r., Ultraszybka nauka.
DOI: 10.34133/ultrafastscience.0076
