时间扩展的红外光谱:分子测量技术的巨大飞跃

　　一种新的分析化学分子工具比之前快100倍。光谱学是许多科学领域和工业界的重要观测工具。红外光谱学在化学领域尤其重要，它被用来分析和识别不同的分子。目前最先进的方法可以进行大约每秒 100 万次的测量。东京大学的研究人员用了一种新方法已经大大超过了这个数字，比之前快了大约100倍。

　　

　　从气候科学到安全系统，从制造到食品质量控制，红外光谱学被广泛应用于许多学术和工业领域。虽然大家看不见红外光，但它是在日常生活中无处不在。从本质上讲，红外光谱学是一种具有高精度识别物质中分子的方法。它的基本理念已经存在了几十年，并且一直在改进中。

　　

　　一般来说，红外光谱通过测量红外光从样品中的分子透射或被分子反射来工作。样品的固有振动以特定的方式改变光的特性，本质上是提供一种化学指纹图谱或光谱，由探测器、分析电路或计算机读取。五十年前，最好的工具可以每秒测量一个光谱，这对于许多应用来说已经足够了。

　　

　　最近，一种称为双梳光谱的技术达到了100万/秒的测量速率。然而，在许多情况下，需要更快速的观测才能生成精细谱的数据。例如，一些研究人员希望研究一种化学反应的某一特定阶段，而通常的化学反应会在很短的时间尺度上发生。这种需求促使东京大学（University of Tokyo）光子科学技术研究所（Institute for Photon Science and Technology）的副教授Takuro Ideguchi及其团队研究并创造了迄今为止最快的红外光谱系统。

　　

　　Ideguchi说：“我们开发了世界上最快的红外光谱仪，其运行速度为8000万光谱/秒。这种时间拓展红外光谱，比双梳光谱快约100倍。由于灵敏度问题，双梳光谱已经达到速度的上限。”考虑到一年大约有3000万秒，这种新方法只需要一秒钟便可完成50年前需要两年多才能完成的测量。

　　

　　时间扩展红外光谱通过拉伸从样品透射的超短激光脉冲来工作。随着透射激光脉冲的拉伸，探测器以及相应的电子线路更容易进行精确分析。其中一个关键的高速部件就是被称为量子级联探测器的器件，它是由论文的作者之一，来自哈马松光子（Hamamatsu Photonics）的TatsuoDougakiuchi开发的。Ideguchi 说：“自然科学是基于实验观测。因此，新的测量技术可以开辟新的科学领域。许多领域的研究人员可以基于我们在实验室的工作，然后利用我们的工作来增强他们自己对实验观测的的理解能力和观察能力。”

　　

　　参考: “Time-stretch infrared spectroscopy” by Akira Kawai, Kazuki Hashimoto， Tatsuo Dougakiuchi, Venkata Ramaiah Badarla, Takayuki Imamura, Tadataka Edamura and Takuro Ideguchi, 1 September 2020， Communications Physics. DOI: 10.1038/s42005-020-00420-3