Портативный микролазер проанализирует состав до молекулы

6 минут

Гиперспектральная визуализация на базе терагерцовых микролазеров поможет поставить медицинский диагноз, определить точный состав таблетки или найти повреждения на молекулярном уровне.

Терагерцы на ладони

Группе ученых кафедры электротехники при Принстонском университете удалось создать полупроводниковый лазер, который способен излучать в терагерцевом диапазоне. Исследователи применили новую технологию, чтобы разработать прототип миниатюрного портативного сканера. С его помощью можно анализировать состав неорганических и органических материалов, в том числе живых тканей, на молекулярном уровне.

В публикации под названием «Терагерцовая гиперспектральная визуализация с помощью сдвоенной гребенки размером с чип» (Terahertz hyperspectral imaging with dual chip-scale combs) в научном журнале Optica исследователи описали опытную установку гиперспектральной визуализации на основе миниатюрного терагерцевого лазера. Система позволяет формировать изображения, которые совмещают информацию нескольких спектральных диапазонов на уровне отдельных пикселей.

Компактность системы позволит конструировать портативные устройства для быстрой идентификации молекулярного состава, анализа расположения молекул и оценки структурных повреждений на молекулярном уровне.

Джерард Высоцкий, доцент кафедры электротехники в Принстоне и один из лидеров проекта, так прокомментировал открытие: «Мы получили революционную технологию без движущихся частей, для работы которой необходимо лишь излучение полупроводникового чипа в терагерцовом диапазоне».

По мнению разработчиков, сканеры на терагерцовых полупроводниковых лазерах найдут применение, например, в фармацевтике – для исследования молекулярного состава препаратов, или в медицине – для диагностики и классификации кожных тканей пациентов. И все это – в крохотном микрочипе, который сканирует состав в реальном времени.

Как это работает

На шкале спектра электромагнитных излучений диапазон терагерцовых частот 3-30 ГГц занимает место между сверхвысокочастотными радиоволнами и длинноволновым инфракрасным излучением.  Свойства терагерцового излучения, которое также называют «субмиллиметровыми волнами» (длина волн 0,1-1 мм), изучены значительно меньше, чем соседних участков электромагнитного излучения. Причина в том, что до конца XX века генераторы таких частот оставались громоздкими и дорогостоящими. Поэтому инженеры иногда называют этот диапазон «терагерцовым разрывом» (terahertz gap).

Терагерцовое излучение имеет уникальные свойства. Оно не вызывает эффекта ионизации, и, в отличие от рентгеновских лучей, безопасно для применения в медицине или в системах для сканирования путешественников и их багажа. Волны терагерцового диапазона в значительной мере поглощаются металлами и некоторыми диэлектриками, например водой, но при этом проходят почти без потерь сквозь ткань, пластмассу, дерево, керамику и большинство других диэлектриков. Спектроскопия в терагерцовом диапазоне позволяет определить наличие некоторых неорганических веществ – воды, кислорода, углекислого газа, а также полимеров, биополимеров, сегнетоэлектриков и даже сверхпроводников.

Отображение информации с помощью терагерцового излучения – предмет давнего интереса ученых и инженеров. До сих пор анализаторы для работы в этом диапазоне частот были громоздкими и дорогими, что ограничивало их практическое применение.

Практические результаты

В своей лабораторной установке ученые из Принстонского университета использовали пакет излучателей, настроенных на точные частоты. Название «двойная частотная гребенка» было дано опытной установке по причине размещения нескольких излучающих «зубцов» в два ряда. При этом каждый из них излучает на различных, точно настроенных частотах.

В процессе излучения происходит взаимодействие с молекулами исследуемого образца. Точный замер отраженного излучения от каждого излучателя двойной «гребенки» позволяет выявить уникальные закономерности и спектральные сигнатуры для каждой частоты. По итогам такого «зондирования» исследователи получают визуализацию в широком спектре терагерцовых частот. Это позволяет определять молекулярный состав образца.

Схема опытной установки для гиперспектральной визуализации

Источник: Princeton University

В отличие от современных аналогов для терагерцовой визуализации – громоздких, дорогостоящих и медленных — «двойная гребенка» из Принстонского университета выполнена на недорогих полупроводниках и генерирует несколько изображений спектра в секунду. При этом мощность излучения составляет всего 10 мкВт (микроватт). По мнению ученых, такой скорости более чем достаточно, например, для контроля качества фармацевтических таблеток в реальном времени непосредственно на производственной линии.

«Представьте, что по конвейеру каждые 100 микросекунд проходит таблетка, и вы можете проконтролировать согласованность ее структуры и баланс каждого утвержденного ингредиента», – сказал Джерард Высоцкий.

Для экспериментального подтверждения своей концепции исследователи из Принстонского университета создали пробную «пилюлю», которая содержит три зоны с широко распространенными в фармацевтике инертными ингредиентами – глюкозой, лактозой и гистидином (гистидиндекарбоксилазой).

Результаты гиперспектральной визуализации опытной «пилюли»

Источник: Princeton University

Система терагерцовой визуализации идентифицировала каждый ингредиент. По итогам гиперспектрального сканирования на изображении размером 81 х 53 пикселей были определены пограничные регионы между компонентами и даже несколько локаций проникновения одного химического вещества в другую зону. Такая «проблема горячей точки» – когда активный ингредиент неправильно смешивается в таблетке — периодически возникает в фармацевтическом производстве.

Анализ разрешения гиперспектральной установки, 25-центовая монета США

Источник: Princeton University

Разрешение и детализацию опытной установки команда ученых проверила на «квортере» (четвертаке) – 25-центовой монете США диаметром 24,26 мм. На изображении удалось разглядеть даже такие мелкие детали, как перья на крыле орла, которые имеют размер не более одной пятой миллиметра.

Ложка дегтя

Несмотря на все преимущества новой технологии, которая открывает новые перспективы терагерцовой визуализации для промышленности и медицины, остается одно серьезное препятствие для ее практического применения. Лазерам необходимо охлаждение до существенно низких температур.

Сегодня сразу несколько исследовательских команд по всему миру ведут разработку лазеров терагерцового диапазона, потенциально способных работать при комнатной температуре. Ученые из Принстона заявили, что их технология гиперспектральной визуализации с «двойной гребенкой» готова к адаптации под эти лазерные источники для работы при комнатной температуре.

Перспективы

По словам ученых из Принстонского университета, дальнейшее развитие технологии «двойной гребенки» позволит им увеличить оптическое разрешение для получения более детального изображения, а также сделать установку с более частыми «зубцами» для устранения провалов в охвате спектра терагерцовых частот.

Ученые также исследуют импульсный режим работы лазеров. По их мнению, можно добиться повышения рабочей температуры, однако при этом возможно снижение чувствительности установки. В перспективе одним из вариантов достижения работы при комнатной температуре исследователи считают импульсный режим в сочетании с многогетеродинным преобразованием (с многократным наложением волн) и последующим понижением температуры через смесительные диоды с барьером Шоттки.

Среди других перспективных направлений использования технологии гиперспектральной визуализации терагерцового диапазона ученые называют диагностику рака кожи. Поскольку терагерцовое излучение не вызывает ионизации, оно совершенно безопасно для пациентов и позволяет производить глубинное сканирование кожи на глубину до нескольких миллиметров.

Способность волн терагерцового спектра отражаться от металлов также может быть использована в авиации, например для проверки крыльев самолета на отсутствие микротрещин после удара в полете, или техосмотра обшивки всего самолета на предмет «усталости металла».

Group 40Group 44Group 43Group 46Group 41Group 27Group 42Group 39