ابتكر باحثون في جامعة طوكيو تقدماً كبيراً لزيادة قياس البصمة الاهتزازية الخاصة بالجزيئات، بزيادة سرعتها بـ 100 مرة ضعف الطرق التقليدية، والتي كانت أحد تحدياتها مدى بطء إجراء هذه القياسات.
وفقاً للدراسة المنشورة في مجلة «العلوم فائقة السرعة»، فإن هذا التقدم كان ممكناً بفضل نظام ليزر جديد طوره الباحثون في السنوات الأخيرة.
ونجح العلماء في زيادة معدل قياس مطيافية رامان، وهي تقنية مستخدمة على نطاق واسع لتحديد الجزيئات.
تُعد تقنية قياس طيف رامان واحدة من أكثر الأساليب المستخدمة شيوعًا لهذا الغرض. عندما يتم تسليط شعاع ليزر على الجزيئات، يتفاعل الضوء مع اهتزازات ودورانات الروابط الجزيئية، مما يؤدي إلى تغير في تردد الضوء المتناثر. ويُعد الطيف المتناثر الذي يتم قياسه بمثابة "بصمة اهتزازية" فريدة للجزيء.
يقول إيديغوتشي، الباحث الرئيسي في هذه الدراسة: "القياس هو أساس العلم، ولهذا فإننا نسعى جاهدين لتحقيق أفضل أداء في أنظمة القياس لدينا. نحن ملتزمون بشكل خاص بدفع حدود القياسات الضوئية".
نظرًا لكون طيف رامان تقنية قياس مستخدمة على نطاق واسع، كانت هناك محاولات عديدة لتحسينها. أحد العوامل الرئيسية التي تحد من أدائها هو معدل القياس، مما يجعلها غير قادرة على مواكبة سرعة التغيرات في بعض التفاعلات الكيميائية والفيزيائية. وقد سعى الفريق إلى تحسين معدل القياس من خلال بناء نظام جديد بالكامل.
يقول إيديغوتشي: "لقد كنت أفكر في هذه الفكرة لأكثر من عشر سنوات دون القدرة على بدء المشروع. كان النظام الليزري الجديد والمثالي الذي طورناه قبل بضع سنوات هو ما جعل التقدم ممكنًا أخيرًا".
من خلال استغلال خبرتهم في البصريات والفوتونيات، جمع الباحثون بين ثلاثة مكونات: طيف رامان المتماسك، وهو نسخة من طيف رامان تنتج إشارات أقوى مقارنةً بالطيف التقليدي العفوي، ونظام ليزر نابض فائق القصر مصمم خصيصًا، وتقنية تمديد الزمن باستخدام الألياف الضوئية. ونتيجة لذلك، حققوا معدل قياس يبلغ 50 مليون طيف في الثانية، وهو ما يمثل زيادة بمقدار 100 ضعف مقارنةً بأسرع قياس سابق بلغ 50 ألف طيف في الثانية.
وأضاف إيديغوتشي : "نهدف إلى تطبيق جهاز التحليل الطيفي الخاص بنا في المجهرية، مما يتيح التقاط صور ثنائية أو ثلاثية الأبعاد باستخدام طيف رامان المتناثر. بالإضافة إلى ذلك، نتطلع إلى استخدامه في التحليل الخلوي عبر التدفق من خلال دمج هذه التكنولوجيا مع الأنظمة الميكروية. ستتيح هذه الأنظمة تصويرًا كيميائيًا وتحليلًا طيفيًا لجزيئات حيوية داخل الخلايا أو الأنسجة بشكل سريع وبدون الحاجة إلى وضع علامات".