L'appareil de peigne de fréquence de table du NIST (au premier plan) peut identifier rapidement des molécules en fonction de leur absorption de la lumière infrarouge. Le gribouillis jaune en haut de l'écran est le champ électrique de la lumière laser infrarouge moyen qui a traversé l'air dans le laboratoire. Le motif orange en bas de l'écran montre le spectre correspondant de la lumière, avec les pointes descendantes indiquant les couleurs exactes absorbées par l'eau détectée dans l'air. Crédit :NIST
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et des collaborateurs ont démontré un appareil à peigne de fréquence compact qui mesure rapidement toute la bande infrarouge de la lumière pour détecter biologique, propriétés chimiques et physiques de la matière. La lumière infrarouge voyage en ondes plus longues que la lumière visible et est plus connue sous le nom de rayonnement associé à la chaleur.
La configuration du NIST, qui n'occupe que quelques pieds carrés d'espace de table, a des applications potentielles telles que le diagnostic de maladies, identification des produits chimiques utilisés dans la fabrication, et la valorisation énergétique de la biomasse. Le travail est décrit dans le numéro du 7 juin de Avancées scientifiques .
Les peignes de fréquence optique mesurent les fréquences exactes, ou couleurs, de la lumière. Diverses conceptions de peignes ont permis le développement d'horloges atomiques de nouvelle génération et sont prometteuses pour des applications environnementales telles que la détection des fuites de méthane. Les applications biologiques ont été plus lentes à se développer, en partie parce qu'il a été difficile de générer et de mesurer directement la lumière infrarouge pertinente.
Pour présenter des applications biologiques, l'équipe du NIST a utilisé le nouvel appareil pour détecter les "empreintes digitales" du matériau de référence des anticorps monoclonaux du NIST, une protéine composée de plus de 20, 000 atomes qui sont utilisés par l'industrie biopharmaceutique pour assurer la qualité des traitements.
"Pour la première fois, nos peignes de fréquence ont une couverture simultanée sur toute la région des empreintes digitales moléculaires infrarouges, " a déclaré le chef de projet Scott Diddams. " D'autres avantages clés sont la vitesse, résolution et plage dynamique dans l'acquisition de données."
La lumière infrarouge moyen est une sonde de recherche particulièrement utile car les molécules tournent et vibrent généralement à ces fréquences. Mais jusqu'à présent, il était difficile de sonder cette région en raison du manque de sources lumineuses à large bande ou accordables et de détecteurs efficaces tels que ceux disponibles pour la lumière visible et proche infrarouge, la partie du spectre infrarouge la plus proche de la lumière visible.
Le nouvel appareil du NIST surmonte ces problèmes. Les lasers à fibre simples génèrent de la lumière couvrant toute la plage utilisée pour identifier les molécules, c'est-à-dire longueurs d'onde de l'infrarouge moyen à l'infrarouge lointain de 3-27 micromètres (fréquences d'environ 10-100 terahertz). Les quantités de lumière absorbées à des fréquences spécifiques fournissent une signature unique d'une molécule. Le nouveau système est innovant dans la détection des champs électriques de la lumière absorbée à l'aide de photodiodes (détecteurs de lumière) fonctionnant dans le proche infrarouge.
"Une caractéristique unique est que nous détectons les signaux en temps réel en échantillonnant rapidement le champ électrique infrarouge avec un laser proche infrarouge, " a expliqué Diddams. " Cela a deux avantages :cela déplace la détection de l'infrarouge vers le proche infrarouge où l'on peut utiliser des photodiodes de télécommunications bon marché, et nous ne souffrons plus des limitations des détecteurs infrarouges, qui nécessitent un refroidissement cryogénique (azote liquide)".
Les chercheurs ont détecté des vibrations de signature de trois bandes d'amides (groupes chimiques contenant du carbone, oxygène, azote et hydrogène) dans le matériel de référence d'anticorps monoclonal. Les bandes amides dans les protéines sont utilisées pour déterminer le repliement, mécanismes de déploiement et d'agrégation. Les caractéristiques spécifiques des bandes détectées ont indiqué que la protéine a une structure en feuille, en accord avec les études précédentes. Les feuilles relient les groupes chimiques dans un arrangement plat.
En plus des applications biologiques, le nouvel appareil pourrait être utilisé pour détecter les interactions entre la lumière infrarouge et la matière condensée pour des approches d'informatique quantique qui stockent des données dans des vibrations ou des rotations moléculaires. En outre, lorsqu'il est combiné avec de nouvelles techniques d'imagerie, le système de table pourrait obtenir des images à l'échelle nanométrique d'échantillons qui nécessitent actuellement l'utilisation d'une installation synchrotron beaucoup plus grande.
