Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y colaboradores han demostrado un aparato de peine de frecuencia compacto que mide rápidamente toda la banda de luz infrarroja para detectar biológicos, propiedades químicas y físicas de la materia. La luz infrarroja viaja en ondas más largas que la luz visible y es más familiar como la radiación asociada con el calor.

La configuración de NIST, que ocupa solo unos pocos pies cuadrados de espacio en la mesa, tiene aplicaciones potenciales como el diagnóstico de enfermedades, identificación de productos químicos utilizados en la fabricación, y recolección de energía de biomasa. El trabajo se describe en la edición del 7 de junio de Avances de la ciencia .

Los peines de frecuencia óptica miden frecuencias exactas, o colores, de luz. Varios diseños de peine han permitido el desarrollo de relojes atómicos de próxima generación y son prometedores para aplicaciones ambientales como la detección de fugas de metano. Las aplicaciones biológicas han tardado en desarrollarse, en parte porque ha sido difícil generar y medir directamente la luz infrarroja relevante.

Para mostrar aplicaciones biológicas, el equipo del NIST utilizó el nuevo aparato para detectar "huellas dactilares" del material de referencia de anticuerpos monoclonales del NIST, una proteína compuesta por más de 20, 000 átomos que utiliza la industria biofarmacéutica para garantizar la calidad de los tratamientos.

"Por primera vez, nuestros peines de frecuencia tienen una cobertura simultánea en toda la región de huellas dactilares moleculares infrarrojas, ", dijo el líder del proyecto, Scott Diddams." Otras ventajas clave son la velocidad, resolución y rango dinámico en la adquisición de datos ".

La luz del infrarrojo medio es una sonda de investigación especialmente útil porque las moléculas generalmente giran y vibran a estas frecuencias. Pero hasta ahora ha sido difícil explorar esta región debido a la falta de banda ancha o fuentes de luz sintonizables y detectores eficientes como los disponibles para luz visible e infrarroja cercana. la parte del espectro infrarrojo más cercana a la luz visible.

El nuevo aparato del NIST supera estos problemas. Los láseres de fibra simple generan luz que abarca todo el rango utilizado para identificar moléculas, es decir, longitudes de onda de infrarrojo medio a infrarrojo lejano de 3 a 27 micrómetros (frecuencias de aproximadamente 10 a 100 terahercios). Las cantidades de luz absorbidas a frecuencias específicas proporcionan una firma única de una molécula. El nuevo sistema es innovador en la detección de los campos eléctricos de la luz absorbida mediante fotodiodos (detectores de luz) que operan en el rango del infrarrojo cercano.

"Una característica única es que detectamos señales en tiempo real mediante un muestreo rápido del campo eléctrico infrarrojo con un láser de infrarrojo cercano, "Diddams explicó." Esto tiene dos ventajas:cambia la detección del infrarrojo al infrarrojo cercano donde podemos utilizar fotodiodos de telecomunicaciones de bajo costo, y ya no sufrimos las limitaciones de los detectores de infrarrojos, que requieren enfriamiento criogénico (nitrógeno líquido) ".

Los investigadores detectaron vibraciones características de tres bandas de amidas (grupos químicos que contienen carbono, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno) en el material de referencia del anticuerpo monoclonal. Las bandas de amida en las proteínas se utilizan para determinar el plegamiento, mecanismos de despliegue y agregación. Las características específicas de las bandas detectadas indicaron que la proteína tiene una estructura de hoja, coincidiendo con estudios previos. Las hojas conectan grupos químicos en una disposición plana.

Además de las aplicaciones biológicas, El nuevo aparato podría usarse para detectar interacciones entre la luz infrarroja y la materia condensada para enfoques de computación cuántica que almacenan datos en vibraciones o rotaciones moleculares. Además, cuando se combina con técnicas de imagen novedosas, el sistema de sobremesa podría obtener imágenes a escala nanométrica de muestras que actualmente requieren el uso de una instalación de sincrotrón mucho más grande.