Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e colaboradores demonstraram um aparelho compacto de frequências que mede rapidamente toda a faixa infravermelha de luz para detectar produtos biológicos, propriedades químicas e físicas da matéria. A luz infravermelha viaja em ondas mais longas do que a luz visível e é mais conhecida como a radiação associada ao calor.

A configuração do NIST, que ocupa apenas alguns metros quadrados de espaço de mesa, tem aplicações potenciais, como diagnóstico de doenças, identificação de produtos químicos usados ​​na fabricação, e captação de energia de biomassa. O trabalho é descrito na edição de 7 de junho da Avanços da Ciência .

Os combs de frequência óptica medem frequências exatas, ou cores, de luz. Vários designs de pente permitiram o desenvolvimento de relógios atômicos de próxima geração e são promissores para aplicações ambientais, como a detecção de vazamentos de metano. As aplicações biológicas têm se desenvolvido mais lentamente, em parte porque tem sido difícil gerar e medir diretamente a luz infravermelha relevante.

Para mostrar aplicações biológicas, a equipe do NIST usou o novo aparelho para detectar "impressões digitais" do material de referência do anticorpo monoclonal do NIST, uma proteína composta de mais de 20, 000 átomos que são utilizados pela indústria biofarmacêutica para garantir a qualidade dos tratamentos.

"Pela primeira vez, nossos combs de frequência têm cobertura simultânea em toda a região de impressão digital molecular infravermelha, ", disse o líder do projeto, Scott Diddams." Outras vantagens importantes são a velocidade, resolução e faixa dinâmica na aquisição de dados. "

A luz infravermelha média é uma sonda de pesquisa especialmente útil porque as moléculas geralmente giram e vibram nessas frequências. Mas até agora tem sido difícil sondar esta região devido à falta de banda larga ou fontes de luz sintonizáveis ​​e detectores eficientes, como aqueles disponíveis para luz visível e infravermelha próxima, a parte do espectro infravermelho mais próxima da luz visível.

O novo aparelho NIST supera esses problemas. Lasers de fibra simples geram luz abrangendo toda a gama usada para identificar moléculas, ou seja, comprimentos de onda de infravermelho médio a infravermelho distante de 3-27 micrômetros (frequências de aproximadamente 10-100 terahertz). As quantidades de luz absorvidas em frequências específicas fornecem uma assinatura única de uma molécula. O novo sistema é inovador na detecção dos campos elétricos da luz absorvida por meio de fotodiodos (detectores de luz) operando na faixa do infravermelho próximo.

"Um recurso exclusivo é que detectamos sinais em tempo real, amostrando rapidamente o campo elétrico infravermelho com um laser infravermelho próximo, "Diddams explicou." Isso tem duas vantagens:muda a detecção do infravermelho para o infravermelho próximo, onde podemos usar fotodiodos de telecomunicações baratos, e não sofremos mais com as limitações dos detectores infravermelhos, que requerem resfriamento criogênico (nitrogênio líquido). "

Os pesquisadores detectaram vibrações de assinatura de três bandas de amidas (grupos químicos contendo carbono, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio) no material de referência do anticorpo monoclonal. Bandas de amida em proteínas são usadas para determinar o dobramento, mecanismos de desdobramento e agregação. As características específicas das bandas detectadas indicaram que a proteína tem uma estrutura de folha, concordando com estudos anteriores. As folhas conectam grupos químicos em um arranjo plano.

Além de aplicações biológicas, o novo aparato pode ser usado para detectar interações entre luz infravermelha e matéria condensada para abordagens de computação quântica que armazenam dados em vibrações ou rotações moleculares. Além disso, quando combinado com novas técnicas de imagem, o sistema de mesa poderia obter imagens em escala nanométrica de amostras que atualmente requerem o uso de uma instalação de síncrotron muito maior.