Os narizes sensíveis dos animais podem farejar vestígios de partículas, como compostos orgânicos voláteis, no ar ambiente. Os humanos, por outro lado, estão desenvolvendo tecnologias inovadoras para esse fim, como a espectroscopia óptica. Isso usa luz laser para detectar a composição molecular dos gases. Abre a possibilidade de superar até mesmo esses sucessos "cheirosos" - também para substâncias que os narizes dos animais não conseguem perceber.
Hoje, o "poder olfativo" da espectroscopia ainda não explora seu potencial. O princípio por trás disso é que se as moléculas são irradiadas com luz laser, elas começam a vibrar caracteristicamente e também emitem luz. Em baixas concentrações, no entanto, essa emissão é muito fraca. Um grupo de cientistas liderados pelo PD Dr. Ioachim Pupeza na equipe attoworld da Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ), em colaboração com cientistas da Universidade de British Columbia e da Leibniz Institute for Photonic Technologies em Jena, está agora demonstrando uma maneira de amplificar a radiação de moléculas que segue a excitação, melhorando significativamente o "senso do olfato" da espectroscopia molecular a laser. Seu estudo foi publicado na Nature Photonics .

Quando um músico dedilha uma corda de violão, ela começa a vibrar e emite um tom com afinação, timbre e modulação característicos do instrumento. A mesma coisa acontece quando uma molécula de gás é "atingida" por um pulso de laser ultracurto:ela absorve parte da energia do pulso de laser. Seus átomos começam a vibrar. Em vez de uma onda sonora, a molécula emite uma forma de onda óptica característica que pode ser detectada espectroscopicamente. Esta forma de onda contém informações sobre a composição molecular do gás. Infelizmente, esta "música das moléculas" é muito suave. Isso ocorre porque apenas uma pequena fração da energia contida no pulso é convertida em ondas de luz de decaimento lento que contêm essas informações valiosas.

Pulsos de laser sobrepostos temporalmente

Pesquisadores da equipe attoworld do MPQ e LMU, em colaboração com cientistas da Universidade da Colúmbia Britânica e do Instituto Leibniz de Tecnologias Fotônicas em Jena, descobriram agora uma maneira de amplificar as respostas moleculares à repetição de pulsos de laser ultracurtos no chamado método molecular. região espectral da impressão digital. Na região espectral da impressão digital, as moléculas orgânicas têm suas ressonâncias características. Para fazer isso, os físicos enviaram os pulsos para um ressonador óptico cheio de gás. No ressonador, o feixe de pulsos de laser é guiado de volta para si mesmo através de vários espelhos, de modo que os pulsos começam a se sobrepor temporalmente aos seus predecessores e sucessores. Isso amplifica os pulsos e as respostas moleculares. Os físicos de laser attoworld agora, pela primeira vez, acoplaram essas formas de onda ópticas de respostas moleculares aprimoradas da cavidade e as amostraram com espectroscopia de resolução de campo.

Antes que isso fosse possível, vários desafios tiveram que ser superados. "Até agora, os ressonadores ópticos passivos só podiam cobrir larguras de banda de menos de 20% da frequência óptica central e eram operados principalmente em comprimentos de onda do infravermelho próximo", explica Philipp Sulzer, um dos principais autores do estudo.

"No entanto, para cobrir uma parte significativa da faixa de impressão digital no infravermelho médio, tivemos que repensar quais elementos ópticos e mecanismos de travamento poderiam ser usados ​​para construir a cavidade. Além disso, os pulsos ultracurtos para espectroscopia resolvida em campo não devem mudar sua forma de onda durante uma órbita através do ressonador", acrescenta Maximilian Högner, o outro autor principal do estudo. Finalmente, os físicos do laser encontraram uma configuração que consiste em quatro espelhos revestidos de ouro, ar com umidade controlada e uma placa de diamante em forma de cunha para acoplar a luz dentro e fora do ressonador. Sua abordagem permite um aumento da energia contida na resposta molecular seguindo a excitação impulsiva por um fator de mais de 500.

Aumenta as chances de detectar doenças de forma confiável

"A nova configuração de medição combina nosso trabalho anterior em cavidades de aprimoramento com nossa experiência em espectroscopia resolvida em campo. Os resultados abrem perspectivas para espectroscopia de gás de banda larga com sensibilidades de um a um trilhão de partículas. Ao mesmo tempo, devido à absorção comparativamente estreita linhas na fase gasosa, a técnica oferece alto potencial para misturas gasosas complexas, como a respiração humana, em que alguns componentes estão presentes em concentrações muito altas, mas alguns em concentrações muito baixas", explica Ioachim Pupeza. “Nossa nova abordagem aumenta as chances de detectar doenças de forma confiável através da respiração humana no futuro e, assim, fornecer, por exemplo, novos métodos não invasivos para monitorar terapias”. + Explorar mais

Controlando a forma de onda de pulsos infravermelhos ultracurtos