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有着超快光谱采集速率的THz-指纹振动谱
发布时间:2022-04-01 21:31:21 阅读:140

来源:SPIE;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 王冉 编译

采用Sagnac干涉法和光学滤波提供了灵敏度达到24000 spectra/s的双区域(THz-指纹) 拉曼光谱. 来源: 东京大学Walker Peterson

    拉曼光谱提供了一种强有力的化学测量手段,能够直接探测分子振动,从而得到化学特异性,而无需化学标签。鉴于以上优点,它已成为各领域不可或缺的工具,包括但不限于材料科学、生物学、制药和食品科学。

    宽带拉曼振动光谱通常分段为三个不同的光谱区域:太赫兹段、低频段(<200 cm-1; <6THz)、指纹段(200到1800 cm-1)以及高频段(2,400 to 4,000 cm-1)。虽然“指纹”段的名字来源于目标特定的分子内键振动,但THz段能够通过分子间振动来提供化学结构相关信息。其互补性质使得这两段振动光谱共同成为化学分析的有力工具。

    尽管宽带THz-指纹拉曼光谱提供了丰富的信息,但现有的获取它们的方法通常具有较低的实时光谱获取率(通常小于10 spectra/s),这表现为粗略的实验时间分辨率。虽然已有几个课题组提高了宽带拉曼光谱的采集率(达到了10,000 - 100,000 spectra/sec),但被限制在单独检测THz段或指纹段,这些局限造成了在分子键和结构水平处研究的短暂不可逆的障碍。

DIVS使得THz–指纹拉曼光谱 (灰线)能够以24,000 spectra/s的超快速率进行实时频谱采集,该方法的关键创新在于能够同时检测两个互补拉曼信号:SE-ISRS (THz段敏感,蓝线) 和FT-CARS (指纹段敏感,绿线). 来源: Advanced Photonics (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.1.016003

    正如Advanced Photonics报道的那样,东京大学的研究人员最近开发出一种有着24,000 spectra/s的超快频谱采集速率的宽带THz-指纹拉曼光谱法,克服了上文提到的局限性。这种新技术被命名为“双检测脉冲振动谱”(DIV),能够同步测量两种不同类型的振动信号,在协同测量时提供了双频段灵敏度。

    技术方面,DIVS将光学的长通道和短通道滤波,与公共路径下Sagnac干涉测量进行了混合,能够同时检测频移激光脉冲(“FT-CARS”指纹段敏感)和相位延迟移位脉冲(“SE-ISR”THz段敏感)。此外,DIVS设置很简单,只需要单个激光器。

    研究人员在66 cm-1 (2.0THz)到1,211 cm-1 的拉曼光谱范围内对几种透明液体进行了DIVS理论验证检测。单个拉曼功率谱中的最强的指纹振动峰(在小于42μs内获取)有着大于1000的高信噪比。在当前阶段,DIVS适用于研究高浓度的透明样品,尽管通过改进设计可能会突破这些限制。

    这项工作证明了实时宽带THz-指纹拉曼测量能够达到亚毫秒时间分辨率的可能性。一个富有前景的DIVS应用方向是聚合物科学,除了指纹段中的分子键振动之外,聚合物在THz段也表现出丰富的结构信息,而超快的DIVS可以很好地帮助理解分子水平的快速聚合系统。

 
 

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