L'apparato a pettine di frequenza da tavolo del NIST (in primo piano) può identificare rapidamente le molecole in base al loro assorbimento della luce infrarossa. Lo scarabocchio giallo nella parte superiore dello schermo è il campo elettrico della luce laser nel medio infrarosso che è passato attraverso l'aria nel laboratorio. Il motivo arancione nella parte inferiore dello schermo mostra lo spettro corrispondente della luce, con le punte verso il basso che indicano i colori esatti assorbiti dall'acqua rilevata nell'aria. Credito:NIST
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i suoi collaboratori hanno dimostrato un apparato compatto a pettine di frequenza che misura rapidamente l'intera banda di luce infrarossa per rilevare segnali biologici, proprietà chimiche e fisiche della materia. La luce infrarossa viaggia in onde più lunghe della luce visibile ed è più familiare come radiazione associata al calore.
La configurazione del NIST, che occupa solo pochi metri quadrati di spazio sul tavolo, ha potenziali applicazioni come la diagnosi di malattie, identificazione delle sostanze chimiche utilizzate nella produzione, e la raccolta di energia da biomassa. Il lavoro è descritto nel numero del 7 giugno di Progressi scientifici .
I pettini di frequenza ottici misurano le frequenze esatte, o colori, di luce. Vari progetti di pettini hanno consentito lo sviluppo di orologi atomici di nuova generazione e si mostrano promettenti per applicazioni ambientali come il rilevamento di perdite di metano. Le applicazioni biologiche sono state più lente a svilupparsi, in parte perché è stato difficile generare e misurare direttamente la relativa luce infrarossa.
Per mostrare le applicazioni biologiche, il team del NIST ha utilizzato il nuovo apparato per rilevare le "impronte digitali" del materiale di riferimento dell'anticorpo monoclonale del NIST, una proteina composta da più di 20, 000 atomi utilizzati dall'industria biofarmaceutica per garantire la qualità dei trattamenti.
"Per la prima volta i nostri pettini di frequenza hanno una copertura simultanea su tutta la regione dell'impronta molecolare a infrarossi, " ha dichiarato il capo progetto Scott Diddams. "Altri vantaggi chiave sono la velocità, risoluzione e gamma dinamica nell'acquisizione dei dati."
La luce nel medio infrarosso è una sonda di ricerca particolarmente utile perché le molecole di solito ruotano e vibrano a queste frequenze. Ma fino ad ora è stato difficile sondare questa regione a causa della mancanza di sorgenti luminose a banda larga o sintonizzabili e di rivelatori efficienti come quelli disponibili per la luce visibile e nel vicino infrarosso, la parte dello spettro infrarosso più vicina alla luce visibile.
Il nuovo apparato del NIST supera questi problemi. I laser a fibra semplici generano luce che copre l'intera gamma utilizzata per identificare le molecole, ovvero lunghezze d'onda dal medio infrarosso al lontano infrarosso di 3-27 micrometri (frequenze di circa 10-100 terahertz). Le quantità di luce assorbita a frequenze specifiche forniscono una firma unica di una molecola. Il nuovo sistema è innovativo nel rilevare i campi elettrici della luce assorbita mediante fotodiodi (rivelatori di luce) operanti nel vicino infrarosso.
"Una caratteristica unica è che rileviamo i segnali in tempo reale campionando rapidamente il campo elettrico infrarosso con un laser nel vicino infrarosso, " ha spiegato Diddams. "Questo ha due vantaggi:sposta il rilevamento dall'infrarosso al vicino infrarosso dove possiamo usare fotodiodi economici per telecomunicazioni, e non soffriamo più dei limiti dei rilevatori a infrarossi, che richiedono il raffreddamento criogenico (azoto liquido)."
I ricercatori hanno rilevato vibrazioni tipiche di tre bande di ammidi (gruppi chimici contenenti carbonio, ossigeno, azoto e idrogeno) nel materiale di riferimento dell'anticorpo monoclonale. Le bande ammidiche nelle proteine vengono utilizzate per determinare il ripiegamento, meccanismi di dispiegamento e aggregazione. Le caratteristiche specifiche delle bande rilevate hanno indicato che la proteina ha una struttura a fogli, in accordo con studi precedenti. I fogli collegano i gruppi chimici in una disposizione piatta.
Oltre alle applicazioni biologiche, il nuovo apparato potrebbe essere utilizzato per rilevare le interazioni tra luce infrarossa e materia condensata per approcci di calcolo quantistico che memorizzano dati in vibrazioni o rotazioni molecolari. Inoltre, quando combinato con nuove tecniche di imaging, il sistema da tavolo potrebbe ottenere immagini su scala nanometrica di campioni che attualmente richiedono l'uso di un impianto di sincrotrone molto più grande.
