Quatro ondas infravermelho degenerada mistura com detecção de Upconversion para detecção de gás quantitativa
22 de março de 2019
Aqui, apresentamos um protocolo para realizar espectroscopia sensível, espacialmente resolvidos de gás na região do infravermelha médio, usando a mistura de quatro ondas degenerado combinado com upconversion deteção.
O significado do nosso protocolo é que ele reduz o limite de detecção tornando possível estudar as concentrações de espécies menores que outros métodos não podem alcançar. A principal vantagem dessa técnica é a adição do módulo de upconversion que contorna grande parte do ruído de fundo. Trabalhe com a configuração para a reversão utilizada no processo de detecção.
Comece expondo os elementos internos na configuração. Um diodo laser e um cristal produzem um feixe de 1064 nanômetros. Uma série de espelhos direcionam este feixe através de um cristal PPLN, e para trás.
Um feixe infravermelho médio de fora também atravessa o cristal. As duas vigas produzem um sinal invertido que sai do cristal PPLN e vai para um detector. Este esquema fornece uma visão geral da configuração.
O cristal usado com o diodo laser é o ortovanada de ytterbium neodiamond. Os símbolos U1 a U7 são espelhos que são altamente refletidos em 1064 nanômetros. Espelhos U1 a U5 são altamente transmissivos no comprimento de onda do diodo laser.
Espelho U6 é transmissivo na faixa do sinal invertido. Espelho U7 é transmissivo para o sinal infravermelho médio. O espelho U3 tem um raio de 200 mm de curvatura.
Os outros espelhos são planos. Use um espelho plano em uma montagem cômica para estabelecer uma cavidade de alinhamento. Coloque o espelho na frente do meio laser para servir como espelho final.
Gire o ângulo da montagem para posições extremas nas direções horizontal e vertical. Em seguida, coloque uma placa de feixe sensível infravermelho em frente ao espelho U2. Remova também o cristal PPLN do seu suporte. O arranjo é retratado neste esquema.
O espelho final é denotado pela UH. Inicie o diodo laser em aproximadamente um terço de sua potência máxima. Alinhe a cavidade, repita os seguintes passos. Mude o ângulo do espelho final, positivo 2 graus na direção horizontal.
Em seguida, varrer o ângulo vertical do espelho de um extremo para o outro. Ao fazer isso, observe a placa infravermelha para um feixe da cavidade de alinhamento. Em algum ângulo horizontal do espelho final, durante uma varredura do ângulo vertical, a cavidade começará a lazing, que pode ser vista na placa infravermelha.
Quando a cavidade está descansando, alterna entre ajustar o ângulo do espelho para alcançar uma potência maior e reduzir a corrente de acionamento. No final, tenha a potência para que o feixe que sai do espelho seja facilmente visível com o cartão IR. Agora, remova a placa infravermelha e comece a ajustar o espelho que estava atrás dele, U2. Ajuste o espelho para que o feixe de alinhamento seja refletido do centro ao centro do espelho U3. Ajuste o ângulo do espelho U3 para que o feixe continue centrado ao longo do caminho desejado para espelhar u7. Certifique-se de que o feixe passe pelo suporte PPLN na altura apropriada, e que ele será perpendicular à superfície do cristal.
Em seguida, remova a janela de germânio e coloque um cartão infravermelho atrás do U7. Nesta posição, o cartão IR irá fluoresce devido a um feixe de RI deixando a cavidade. Agora ajuste o ângulo do U7 para refletir ao longo do caminho do feixe de alinhamento. Monitore a placa infravermelha para o feixe transmitido e defina o ângulo do espelho para maximizar a saída.
Continue montando o cristal PPLN na montagem para que o feixe passe por um de seus canais. Verifique se o feixe ainda está visível no cartão IR. Se assim for, ajuste u7 para maximizar a saída antes de prosseguir.
Neste ponto, desligue o diodo laser e remova o espelho final. Conecte um filtro de passagem longa de 750 nanômetros na entrada à configuração de reversão. Coloque um medidor de energia atrás do filtro.
Com o diodo laser em potência máxima, ajuste o ângulo de U2 e U7 para maximizar a potência. Em seguida, substitua o medidor de potência por uma placa infravermelha de alta potência. Com o cartão, verifique se a cavidade está funcionando no modo galego fundamental.
Ajuste o espelho U7 conforme necessário. Quando terminar, remova o filtro e recoloque a janela de germânio. Passe para alinhar a configuração de mistura de quatro ondas degenerada infravermelha.
A configuração inclui um laser de pulso, um laser de hélio neon, bem como espelhos e lentes, para direcionar os feixes para a entrada do detector de reversão montado. A configuração inicial está representada neste esquema. O laser de hélio neon fornece um feixe guia.
Use espelhos M3 e M4 para alinhar o feixe-guia com a lente L1. Ajuste os espelhos para que o feixe atinja a lente L1 no centro. Insira uma placa de vagões entre o espelho M4 e a lente L1. Coloque-o em um ângulo vertical de 45 graus a partir do feixe horizontal. Certifique-se de que o arranjo produz dois feixes de saída.
Insira uma segunda placa de vagões após a primeira. Tenha-o em um ângulo horizontal de 45 graus a partir dos feixes de saída. Certifique-se de que sua saída tenha quatro feixes.
Em seguida, ajuste os ângulos das placas dos vagões para os quatro feixes de saída que formam os cantos de um quadrado. Ajuste a lente L1 até que os feixes estejam igualmente espaçados ao redor do centro. Agora, coloque uma íris no caminho das vigas.
Disponha a íris para bloquear três feixes de bomba e permitir que o feixe de sinal passe. Este esquema representa o estado do sistema neste momento. Os próximos passos envolverão a lente L2, e os espelhos M5 e M6. Para agrupar o feixe, alinhe a lente L2 usando a distância focal do comprimento de onda do laser de pulso.
Em seguida, posicione os espelhos M5 e M6 para que o feixe-guia seja direcionado para a janela de entrada do detector de reversão onde o feixe deve ser centrado. Coloque a lente L3 a uma distância óptica de uma distância focal do centro do cristal PPLN. Remova a janela de germânio do detector para continuar.
Isso permite que o feixe de 1064 nanômetros saia do módulo de expansão. Em seguida, comece a usar o espelho M6 para mover o feixe do detector, e trazê-lo para o feixe de sinal para que eles se sobreponham na lente L2. Alterná-lo com o uso do espelho M5 para mover o feixe guia para o feixe de 1064 nanômetros em L3. Pare quando o feixe de nanômetros de 1064 e o feixe-guia seguir o mesmo caminho. Recoloque a janela de germânio no módulo de expansão.
Em seguida, coloque vários filtros de densidade neutra na frente do detector para protegê-lo do laser de pulso. Ligue o laser de pulso e certifique-se de que ele se sobrepõe com o feixe de guia. Agora, coloque o fluxo de gás ou a chama a ser medido no ponto focal da lente L1. Esta medição envolverá o fluxo de metano diluído em nitrogênio.
Verifique se o sinal está visível no detector. Ajuste os filtros de densidade neutra conforme necessário. Se houver um sinal, maximize sua intensidade média ajustando espelhos M5 e M6. Continue bloqueando o feixe de sinal com um bloqueio de feixe em um estágio de tradução.
Em seguida, remova os filtros de densidade neutra que estão antes do detector. Inicialmente, pode haver um sinal devido à luz espalhada no detector. Com o estágio de tradução ajuste a posição do bloco de feixe para reduzir essa dispersão.
Prossiga quando o sinal devido à dispersão de luz tiver sido reduzido o máximo possível. O próximo passo é ligar o fluxo de gás para que as medições possam começar. Em seguida, colete dados acionando corretamente o detector de reversão com o laser de pulso e escaneando a faixa de interesse do comprimento de onda.
Estes dados são para cinco concentrações diferentes de cianeto de hidrogênio em gás nitrogênio. Cada ponto representa a média de três scans em cada concentração. O pico central é a linha P20 da banda vibracional NU1 de cianeto de hidrogênio.
Aqui os pontos são os valores de pico medidos em função da concentração. A linha de traço é um ajuste para o polinômial de segundo grau. É este caso, os dados mostram cinco varreduras consecutivas de uma chama pré-misturada.
Cada varredura abrange cerca de 65 segundos, e cobre a mesma faixa de número de onda. A mudança de intensidade da varredura para a varredura é porque o modo de pulso de laser e a energia não são estáveis. Nenhum passo único é o mais importante, mas se as medidas precisam ser comparáveis, o alinhamento deve ter a mesma posição de altura cada vez.
Aprender a alinhar essa configuração por tentativa e erro perderia muito tempo e é por isso que eu queria demonstrar o processo para que as pessoas pudessem evitar armadilhas. A introdução do módulo de upconversion possibilitou detectar a liberação da espécie menor de cianeto de hidrogênio a partir da gaseificação de pequenas pelotas. Este protocolo inclui o uso de lasers classe quatro, e potencialmente o uso de gases inflamáveis, e as medidas de segurança apropriadas devem ser sempre seguidas.
Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo para espectroscopia de gás com alta sensibilidade e resolução espacial na região do infravermelho médio. A técnica utiliza a mistura degenerada de quatro ondas combinada com detecção por conversão ascendente para alcançar limites de detecção mais baixos para espécies minoritárias.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Espectroscopia de gases
- Métodos de detecção óptica
- Análise no infravermelho médio
Contexto
- Os métodos atuais têm dificuldade em detectar concentrações baixas de espécies minoritárias.
- A detecção por conversão ascendente reduz significativamente o ruído de fundo.
- Utiliza um diodo laser e um cristal PPLN para a geração de sinal.
- Envolve o alinhamento preciso de componentes ópticos para detecção eficaz.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um protocolo que melhore os limites de detecção na espectroscopia de gases.
- Fornecer uma metodologia detalhada para a implementação da detecção por upconversion.
- Facilitar o estudo de espécies minoritárias em diversas amostras.
Métodos Utilizados
- A montagem inclui um diodo laser, espelhos e um cristal PPLN.
- Os procedimentos de alinhamento para componentes ópticos são detalhados.
- Uso de cartões sensíveis ao infravermelho para monitorar o alinhamento do feixe.
- Envolve ajustes para maximizar a potência de saída e a clareza do sinal.
Resultados Principais
- Detecção bem-sucedida de espécies de baixa concentração utilizando o novo protocolo.
- Demonstrada redução eficaz de ruído por meio da conversão ascendente.
- Fornecido um esquema abrangente da montagem experimental.
- Validada a alinhagem e o desempenho dos componentes ópticos.
Conclusões
- O protocolo melhora significativamente os limites de detecção na espectroscopia de gases.
- A detecção por upconversion é um método viável para o estudo de espécies minoritárias.
- Aplicações futuras podem se expandir para diversas áreas que exigem detecção sensível.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este protocolo permite a detecção quantitativa de espécies gasosas em baixa concentração na faixa de ppm a porcentagem única, preenchendo uma lacuna crítica nas capacidades analíticas para pesquisas de combustão e gaseificação. Ao combinar a mistura degenerada de quatro ondas no infravermelho com detecção por conversão ascendente, o método alcança razões sinal-ruído superiores e resolução espacial aprimorada, apoiando estudos mecanicistas da formação de espécies menores e vias de degradação. A técnica é particularmente valiosa para a validação de alvos em modelos pré-clínicos onde o monitoramento preciso de intermediários reativos é necessário para garantir confiança preditiva na identificação de compostos líderes.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas mediante a quantificação de espécies minoritárias que atuam como biomarcadores ou indicadores mecanicistas em sistemas relevantes para doenças.
- Valor Operacional: Oferece detecção com resolução espacial sem perturbar o sistema, preservando as condições biológicas ou químicas nativas para uma avaliação precisa do engajamento do alvo.
- Confiabilidade Preditiva: Apoia a validação de modelos pré-clínicos por meio de medições reprodutíveis com limites de detecção baixos, reduzindo falsos negativos na análise de vias.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaio
- Valor Científico: Gera leituras quantitativas e específicas por comprimento de onda que permitem triagem precisa de compostos frente a analitos na fase gasosa em ambientes controlados.
- Valor Operacional: Padroniza a detecção por meio da estabilidade aprimorada do sinal com upconversion, melhorando a reprodutibilidade dos ensaios entre repetições e laboratórios.
- Escalabilidade: Compatível com sistemas baseados em fluxo, permitindo integração em plataformas de triagem de alto rendimento para vias responsivas a gases.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Facilita o alinhamento translacional de biomarcadores ao detectar espécies sem transições no visível/NIR, ampliando o espaço de analitos detectáveis em modelos pré-clínicos.
- Valor Operacional: Garante continuidade do descobrimento à validação pré-clínica por meio da aquisição de sinal consistente e resistente a ruídos.
- Decisões Ajustadas ao Risco: Permite o avanço baseado em dados ao fornecer quantificação confiável de intermediários tóxicos ou reativos que informam as margens de segurança.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se insere no continuum de descoberta, desde a verificação de hipóteses na fase inicial de descoberta até a validação mecanicista em estudos pré-clínicos, especialmente para alvos que envolvem sinalização mediada por gases ou fluxo metabólico.
- Biologia de Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a elucidação de vias ao permitir a detecção de espécies transitórias e de baixa abundância que indicam interação com o alvo ou efeitos fora do alvo.
- Triagem: Oferece prontidão para ensaios por meio de um sinal estável e convertido para cima, permitindo avaliação confiável de compostos em sistemas expostos a gases.
- Análise: Fornece medidas quantitativas da intensidade de picos em função da concentração, possibilitando comparações entre diferentes condições e pontos temporais.
- Pesquisa Translacional: Conecta-se à continuidade pré-clínica ao detectar espécies relevantes para mecanismos de doenças, como o cianeto de hidrogênio em modelos de estresse metabólico.
- Reutilização Corporativa: Representa uma plataforma óptica reutilizável, adaptável a múltiplos analitos gasosos, reduzindo a necessidade de revalidação entre projetos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva ao reduzir os limites de detecção e diminuir a ambiguidade mecanicista em estudos de biomarcadores em fase gasosa.
- Valor Operacional: Aprimora a reprodutibilidade e a padronização por meio da detecção resistente a ruídos com conversão ascendente e protocolos detalhados de alinhamento.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguimento ou interrupção ao permitir a detecção precoce de intermediários tóxicos, reduzindo a eliminação em estágios avançados devido a riscos não identificados.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco mediante a quantificação precisa de espécies que influenciam a validade do alvo e os perfis de segurança.
Considerações sobre a Implementação
- Exige expertise em óptica não linear e segurança com laser, particularmente para sistemas a laser da Classe IV e manuseio de gases inflamáveis.
- Depende de instrumentação óptica de precisão, incluindo cristais de PPLN, suportes de espelhos alinhados e sistemas de detecção sensíveis à luz infravermelha.
- Necessita padronização entre equipes dos procedimentos de alinhamento para garantir altura do sinal e comprimento de trajeto consistentes entre usuários e locais.
- Envolve considerações de adaptação para diferentes matrizes gasosas e faixas de comprimento de onda, exigindo recarregamento ao trocar analitos ou condições ambientais.
- Inclui limitações práticas, como sensibilidade à estabilidade do pulso do laser e desvios de alinhamento, que devem ser controlados para obter saída quantitativa reprodutível.
