A raggi infrarossi degenerato quattro-onda miscelazione con rilevamento di Upconversion per sensoristica quantitativa
22 marzo 2019
Qui, presentiamo un protocollo per eseguire spettroscopia gas sensibili, risolte spazialmente nella regione metà di-infrarossa, usando degenerato quattro-onda miscelazione combinata con upconversion rilevamento.
L'importanza del nostro protocollo è che abbassa il limite di individuazione che consente di studiare le concentrazioni di specie minori che altri metodi non possono raggiungere. Il vantaggio principale di questa tecnica è l'aggiunta del modulo di upconversion che aggira gran parte del rumore di fondo. Utilizzare la configurazione per l'upconversion utilizzata nel processo di rilevamento.
Iniziare esponendo gli elementi interni nella configurazione. Un diodo laser e un cristallo producono un fascio di 1064 nanometri. Una serie di specchi dirige questo fascio attraverso un cristallo PPLN e ritorno.
Un fascio medio-infrarosso dall'esterno passa anche attraverso il cristallo. I due fasci producono un segnale rovesciato che esce dal cristallo PPLN e va a un rilevatore. Questo schema fornisce una panoramica dell'impostazione.
Il cristallo utilizzato con il diodo laser è neodiamond ytterbium orthovanadate. I simboli da U1 a U7 sono specchi che si riflettono molto a 1064 nanometri. Gli specchi da U1 a U5 sono altamente trasmissivi alla lunghezza d'onda del diodo laser.
Lo specchio U6 è trasmissivo nell'intervallo del segnale rovesciato. Mirror U7 è trasmissivo per il segnale del medio infrarosso. Lo specchio U3 ha un raggio di curvatura di 200 mm.
Gli altri specchi sono piatti. Utilizzare uno specchio piatto su un supporto comico per stabilire una cavità di allineamento. Posizionare lo specchio davanti al mezzo laser per fungere da specchio finale.
Ruotare l'angolo del supporto in posizioni estreme sia in direzione orizzontale che verticale. Quindi, posizionare una scheda del fascio sensibile all'infrarosso davanti allo specchio U2. Rimuovere anche il cristallo PPLN dal suo supporto. La disposizione è raffigurata in questo schema.
Lo specchio finale è indicato da UH. Avviare il diodo laser a circa un terzo della sua potenza massima. Allineare la cavità, ripetere i seguenti passaggi. Modificare l'angolo dello specchio finale, positivo di 2 gradi nella direzione orizzontale.
Quindi spazzare l'angolo verticale dello specchio da un estremo all'altro. Mentre lo fai, guarda la scheda a infrarossi per un fascio dalla cavità di allineamento. Ad un certo angolo orizzontale dello specchio finale, durante una scansione dell'angolo verticale, la cavità inizierà a oziare, che può essere vista sulla scheda a infrarossi.
Quando la cavità è oziante, alternare la regolazione dell'angolo dello specchio per ottenere una potenza più elevata e la riduzione della corrente di azionamento. Alla fine, avere la potenza in modo che il fascio che esce lo specchio sia facilmente visibile con la scheda IR. Ora, rimuovi la scheda a infrarossi e inizia a regolare lo specchio che c'era dietro, U2. Regolare lo specchio in modo che il fascio di allineamento si rifletta dal centro al centro dello specchio U3. Regolate l'angolo dello specchio U3 in modo che la trave continui centrata lungo il percorso desiderato per specchiare U7. Assicurarsi che il fascio passi attraverso il supporto PPLN all'altezza appropriata e che sia perpendicolare alla superficie del cristallo.
Quindi, rimuovere la finestra del germanio e posizionare una scheda a infrarossi dietro U7. In questa posizione, la scheda IR si fluorescenza a causa di un fascio IR che lascia la cavità. Ora regolate l'angolo di U7 per riflettere lungo il percorso del fascio di allineamento. Monitorare la scheda a infrarossi per il fascio trasmesso e impostare l'angolo dello specchio per massimizzare l'uscita.
Continuare montando il cristallo PPLN nel supporto in modo che il fascio attraversa uno dei suoi canali. Verificare che il fascio sia ancora visibile sulla scheda IR. In tal caso, regolare U7 per massimizzare l'output prima di procedere.
A questo punto, spegnere il diodo laser e rimuovere lo specchio finale. Collegare un filtro passa lungo 750 nanometri all'ingresso alla configurazione di upconversion. Posizionare un misuratore di potenza dietro il filtro.
Con il diodo laser a piena potenza, regola l'angolo di U2 e U7 per massimizzare la potenza. Quindi sostituire il misuratore di potenza con una scheda a infrarossi ad alta potenza. Con la scheda, verificare che la cavità sia in esecuzione in modalità galiziana fondamentale.
Regolare lo specchio U7 in base alle esigenze. Al termine, rimuovere il filtro e ricollegare la finestra del germanio. Passare per allineare la configurazione di miscelazione a quattro onde degenerata a infrarossi.
L'insieme comprende un laser a impulsi, un laser al neon ad elio, specchi e lenti, per dirigere i fasci verso l'ingresso del rivelatore di conversione assemblato. L'impostazione iniziale è rappresentata in questo schema. Il laser al neon all'elio fornisce un fascio di guida.
Utilizzare specchi M3 e M4 per allineare il fascio guida con l'obiettivo L1. Regolare gli specchi in modo che il fascio colpisca l'obiettivo L1 al centro. Inserire una piastra boxcar tra lo specchio M4 e l'obiettivo L1. Posizionarlo con un angolo verticale di 45 gradi dalla trave orizzontale. Assicurarsi che la disposizione produca due travi di uscita.
Inserire una seconda piastra boxcar dopo la prima. Avere ad un angolo orizzontale di 45 gradi dalle travi di uscita. Assicurarsi che la sua uscita abbia quattro travi.
Quindi, regolare gli angoli delle piastre dei boxcar alle quattro travi di uscita che formano gli angoli di un quadrato. Regolare l'obiettivo L1 fino a quando le travi non sono equamente distanziate attorno al suo centro. Ora, metti un'iride nel percorso delle travi.
Disporre il diaframma per bloccare tre fasci della pompa e consentire il passaggio del fascio di segnale. Questo schema rappresenta lo stato del sistema a questo punto. I prossimi passi coinvolgeranno l'obiettivo L2, e gli specchi M5 e M6. Per collimare il fascio, allineare la lente L2 usando la lunghezza focale della lunghezza d'onda del laser a impulsi.
Quindi posizionare gli specchi M5 e M6 in modo che il fascio di guida sia diretto alla finestra di ingresso del rilevatore di conversione in cui il fascio deve essere centrato. Posizionare l'obiettivo L3 a una distanza ottica di una lunghezza focale dal centro del cristallo PPLN. Rimuovere la finestra del germanio del rilevatore per continuare.
In questo modo il fascio di 1064 nanometri può uscire dal modulo di conversione verso l'alto. Quindi, inizia a utilizzare lo specchio M6 per spostare il fascio dal rilevatore e portarlo sul fascio di segnale in modo che si sovrappongano all'obiettivo L2. Alternare questo con l'uso dello specchio M5 per spostare il fascio di guida sul fascio di 1064 nanometri a L3. Fermati quando il fascio di 1064 nanometri e il fascio di guida seguono lo stesso percorso. Ricollegare la finestra del germanio al modulo di upconversion.
Quindi posizionare diversi filtri a densità neutra davanti al rivelatore per proteggerlo dal laser a impulsi. Accendere il laser a impulsi e assicurarsi che si sovrapponga al fascio di guida. Ora, posizionare il flusso di gas o la fiamma da misurare nel punto focale dell'obiettivo L1. Questa misurazione comporterà il flusso di metano diluito in azoto.
Verificare che il segnale sia visibile sul rilevatore. Regolare i filtri di densità neutri in base alle esigenze. Se c'è un segnale, massimizzarne l'intensità media regolando gli specchi M5 e M6. Continuare bloccando il fascio di segnale con un blocco di fascio su una fase di traslazione.
Quindi rimuovere i filtri di densità neutra che si trovano prima del rilevatore. Inizialmente, potrebbe esserci un segnale a causa della luce diffusa nel rilevatore. Con lo stadio di traslazione regolare la posizione del blocco del fascio per ridurre questa dispersione.
Procedere quando il segnale dovuto allo scattering della luce è stato ridotto il più possibile. Il passo successivo consiste nell'attivare il flusso di gas in modo che le misurazioni possano iniziare. Quindi, raccogliere dati attivando correttamente il rilevatore di upconversion con il laser a impulsi e scansionando la gamma di interesse della lunghezza d'onda.
Questi dati si tratta di cinque diverse concentrazioni di acido cianidrico nel gas azoto. Ogni punto rappresenta la media di tre scansioni ad ogni concentrazione. Il picco centrale è la linea P20 della banda vibrazionale NU1 di acido cianidrico.
Qui i punti sono i valori di picco misurati in funzione della concentrazione. La linea del trattino si adatta al polinomio di secondo grado. In questo caso, i dati mostrano cinque scansioni consecutive da una fiamma pre-miscelata.
Ogni scansione dura circa 65 secondi e copre lo stesso intervallo di numero d'onda. Il cambiamento di intensità dalla scansione alla scansione è dovuto al fatto che la modalità di impulso laser e l'energia non sono stabili. Nessun singolo passaggio è il più importante, ma se le misurazioni devono essere comparabili, l'allineamento deve avere la stessa posizione di altezza ogni volta.
Imparare ad allineare questo set up per tentativi ed errori avrebbe fatto perdere molto tempo, motivo per cui volevo dimostrare il processo in modo che le persone potessero evitare insidie. L'introduzione del modulo di upconversion ci ha permesso di rilevare il rilascio della specie minore di acido cianidrico dalla gassificazione di piccoli pellet. Questo protocollo include l'uso di laser di classe quattro e potenzialmente l'uso di gas infiammabili, e devono sempre essere seguite le misure di sicurezza appropriate.
Panoramica
In questo articolo viene presentato un protocollo per la spettroscopia gassosa sensibile e risolta spazialmente nella regione dell'infrarosso medio. La tecnica sfrutta il mescolamento degenere a quattro onde combinato con una rivelazione mediante conversione ascendente per raggiungere limiti di rilevamento più bassi per le specie minoritarie.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Spettroscopia gassosa
- Metodi di rilevamento ottico
- Analisi nel medio infrarosso
Sfondo
- I metodi attuali hanno difficoltà a rilevare basse concentrazioni di specie minoritarie.
- Il rilevamento mediante upconversion riduce significativamente il rumore di fondo.
- Utilizza un diodo laser e un cristallo PPLN per la generazione del segnale.
- Richiede un allineamento preciso dei componenti ottici per un rilevamento efficace.
Scopo dello studio
- Sviluppare un protocollo che migliori i limiti di rilevamento nella spettroscopia gassosa.
- Fornire una metodologia dettagliata per l'implementazione del rilevamento mediante upconversion.
- Facilitare lo studio di specie minoritarie in diversi campioni.
Metodi Utilizzati
- L'allestimento include un diodo laser, specchi e un cristallo PPLN.
- Sono descritte le procedure di allineamento per i componenti ottici.
- Utilizzo di carte sensibili all'infrarosso per monitorare l'allineamento del fascio.
- Comprende regolazioni per massimizzare la potenza in uscita e la chiarezza del segnale.
Risultati principali
- Rilevamento con successo di specie a bassa concentrazione utilizzando il nuovo protocollo.
- Dimostrata una riduzione efficace del rumore mediante conversione ascendente.
- Fornita una schematizzazione completa dell'allestimento sperimentale.
- Convalidato l'allineamento e le prestazioni dei componenti ottici.
Conclusioni
- Il protocollo migliora in modo significativo i limiti di rilevamento nella spettroscopia di gas.
- Il rilevamento con upconversion è un metodo valido per lo studio di specie minoritarie.
- Applicazioni future potrebbero estendersi a diversi settori che richiedono un rilevamento sensibile.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale Direttiva
Questo protocollo consente la rilevazione quantitativa di specie gassose a bassa concentrazione nell'intervallo da ppm fino all'1%, affrontando un'importante lacuna nelle capacità analitiche per la ricerca sulla combustione e sulla gassificazione. Combinando il mescolamento infrarosso a quattro onde degeneri con la rilevazione mediante conversione ascendente, il metodo raggiunge rapporti segnale-rumore e risoluzioni spaziali superiori, supportando studi meccanicistici sulla formazione e sui percorsi di degradazione di specie minori. La tecnica è particolarmente utile per la validazione degli obiettivi in modelli preclinici in cui è richiesto un monitoraggio preciso degli intermedi reattivi al fine di ottenere un'affidabilità predittiva nell'identificazione dei composti promettenti.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi terapeutiche quantificando specie minori che fungono da biomarcatori o indicatori meccanicistici in sistemi rilevanti per la malattia.
- Valore operativo: Fornisce un rilevamento con risoluzione spaziale senza perturbare il sistema, mantenendo le condizioni biologiche o chimiche native per una valutazione accurata dell'interazione con il bersaglio.
- Convalida predittiva: Supporta la validazione di modelli preclinici attraverso misurazioni riproducibili con limiti di rilevamento bassi, riducendo i falsi negativi nell'analisi dei percorsi.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera letture quantitative e specifiche per lunghezza d'onda che consentono lo screening preciso di composti contro analiti in fase gassosa in ambienti controllati.
- Valore operativo: Standardizza il rilevamento mediante la stabilità del segnale potenziata dall'upconversion, migliorando la riproducibilità del saggio tra diverse prove e laboratori.
- Scalabilità: Compatibile con sistemi basati su flusso, consentendo l'integrazione in piattaforme di screening ad alto rendimento per percorsi sensibili ai gas.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Facilita l'allineamento traslazionale dei biomarcatori rilevando specie senza transizioni nel visibile/NIR, espandendo lo spazio degli analiti rilevabili nei modelli preclinici.
- Valore operativo: Garantisce continuità dalla scoperta alla validazione preclinica grazie a un'acquisizione del segnale costante e resistente al rumore.
- Decisioni basate sulla valutazione del rischio: Permette un avanzamento basato sui dati fornendo una quantificazione affidabile di intermedi tossici o reattivi che informano sui margini di sicurezza.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla verifica delle ipotesi nella fase iniziale della scoperta alla validazione meccanicistica negli studi preclinici, in particolare per bersagli coinvolti nella segnalazione mediata da gas o nel flusso metabolico.
- Biologia della Scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi biologici consentendo il rilevamento di specie transitorie e a bassa abbondanza che indicano l'interazione con il bersaglio o effetti fuori bersaglio.
- Screening: Garantisce la prontezza del saggio grazie a un segnale stabilizzato e convertito in segnale ottico, che permette una valutazione affidabile dei composti in sistemi esposti a gas.
- Analitica: Fornisce misurazioni quantitative dell'intensità dei picchi in funzione della concentrazione, consentendo il confronto tra diverse condizioni e punti temporali.
- Ricerca Translazionale: Si collega alla continuità preclinica rilevando specie rilevanti per i meccanismi della malattia, come l'acido cianidrico nei modelli di stress metabolico.
- Riutilizzo Aziendale: Rappresenta una piattaforma ottica riutilizzabile, adattabile a diversi analiti gassosi, riducendo la necessità di riconvalida tra progetti.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva riducendo i limiti di rilevamento e diminuendo l'ambiguità meccanicistica negli studi sui biomarcatori in fase gassosa.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la standardizzazione grazie a un rilevamento resistente al rumore mediante conversione ascendente e a protocolli dettagliati di allineamento.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di proseguimento/cessazione consentendo il rilevamento precoce di intermedi tossici, riducendo l'abbandono in fasi avanzate a causa di criticità non identificate.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione basata sul rischio attraverso una quantificazione accurata delle specie che influenzano la validità del bersaglio e i profili di sicurezza.
Considerazioni sull'Implementazione
- Richiede competenze specifiche in ottica non lineare e sicurezza laser, in particolare per sistemi laser di Classe IV e manipolazione di gas infiammabili.
- Si basa su strumentazione ottica di precisione, inclusi cristalli PPLN, supporti per specchi allineati e sistemi di rilevamento sensibili all'infrarosso.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i team delle procedure di allineamento per garantire un'altezza del segnale e una lunghezza del percorso costanti tra utenti e sedi diverse.
- Comporta considerazioni di adattamento per diverse matrici gassose e intervalli di lunghezza d'onda, richiedendo una ricalibrazione al variare degli analiti o delle condizioni ambientali.
- Comprende limitazioni pratiche, come la sensibilità alla stabilità degli impulsi laser e alle deriva di allineamento, che devono essere controllate per ottenere risultati quantitativi riproducibili.
