تبدیل فوریه طیف سنجی مادون قرمز

تبدیل فوریه طیف سنجی مادون قرمز

استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز برای تشخیص بیماری COVID-19 نسبتاً جدید است. تلاش‌هایی برای جفت کردن ابزارهای طیف‌سنجی با مدل‌های هوش مصنوعی به منظور شناسایی ویروس SARS-CoV-2 انجام شده است. کیتان و همکاران روشی را برای شناسایی SARS-CoV-2 با استفاده از نمونه‌های RNA استخراج‌شده با ترکیب تکنیک‌های FTIR و یادگیری ماشین (ML) توسعه داد. نمونه های نازوفارنکس جمع آوری شده از 280 بیمار برای استخراج RNA پردازش شدند. دامنه های طیفی FTIR که در 600-1350 cm-1 قرار دارند. 1500-1700 cm-1؛ و 2300-3900 cm-1 به اثر انگشت RNA نسبت داده شد [20]. مشتقات طیف خام به‌دست‌آمده برای عادی‌سازی داده‌های طیف تبدیل‌شده استفاده شد. الگوریتم های یادگیری ماشین برای ساخت مدل های طبقه بندی استفاده شد. تعداد زیادی نمونه و تکنیک‌های طبقه‌بندی پراکنده برای بهبود ویژگی، حساسیت و دقت تجزیه و تحلیل داده‌ها و همچنین برای افزایش قابلیت تفسیر مدل‌ها استفاده شد. این رویکرد پس از استخراج RNA تنها چند دقیقه زمان آزمایش می‌برد و در عین حال ویروس SARS-CoV-2 را با حساسیت 97 درصد، دقت 97.8 درصد و ویژگی 98.3 درصد تشخیص می‌دهد. در مطالعه دیگری، ژانگ و همکاران از تکنیک تشخیص ATR-FTIR برای تشخیص بیماری COVID-19 در نمونه های سرم 3 میکرولیتری استفاده کردند. تجزیه و تحلیل ترکیبی طیف‌سنجی و آماری برای نمونه‌های مثبت COVID-19 و نمونه‌های کنترل انجام شد. تجزیه و تحلیل جزئی حداقل مربعات متمایز (PLS-DA) به تمایز سویه ویروسی SARS CoV-2 از التهاب یا سایر عفونت‌های ویروسی تنفسی کمک کرد. این رویکرد یک ناحیه زیر منحنی مشخصه عملکرد گیرنده (AUROC) مقدار 0.956 [21] را ارائه کرد. به طور مشابه، Banerjee و همکاران روش اکتساب ATR-FTIR را به ترتیب با مدل های تجزیه و تحلیل تفکیک حداقل مربعات جزئی (PLS-DA) به کار بردند. در نظر گرفتن طیف ATR-FTIR و پارامترهای بالینی (به عنوان مثال، جنس، سن، وضعیت فشار خون بالا و وضعیت دیابت) باعث افزایش سطح زیر منحنی ROC (AUC) شد، که نشان می‌دهد این پارامتر چقدر خوب می‌تواند بین بیمار و نرمال تشخیص دهد. هم برای داده های آموزشی و هم برای داده های آزمون. مجموعه آزمون مستقل 94.1٪ حساسیت و 69.2٪ ویژگی به دست آورد. نمونه هایی از بیماران دیابتی، منطقه FTIR 1020-1090 cm-1 و FTIR منطقه 1588-1592 cm-1 قوی ترین پیش بینی کننده ها بودند [22]. گولکن و همکاران تشخیص بیماری کووید-19 را در سرم خون زنان علامت دار و بدون علامت و باردار مورد مطالعه قرار دادند. نمونه های زنان باردار مبتلا به بیماری کووید-19 و زنان باردار سالم مورد مقایسه قرار گرفتند [23]. نمونه ها با استفاده از FTIR آنالیز شدند. تغییرات اوج با رویکردهای یادگیری ماشین چند متغیره (به عنوان مثال، یک الگوریتم جنگل تصادفی، یک الگوریتم درخت تصمیم تک C5.0، و یک شبکه عصبی عمیق) تجزیه و تحلیل شد. سطوح بیوشیمیایی، سطح سلول‌های خون محیطی و پارامترهای انعقادی برای زنان باردار در شکل 2 نشان داده شده است. دقتی بیش از 90 درصد با استفاده از این رویکرد نشان داده شد [23].

طیف سنجی جذب مادون قرمز با سطح افزایش یافته است

طیف سنجی جذب مادون قرمز با سطح افزایش یافته است

طیف‌سنجی جذبی مادون قرمز تقویت‌شده سطحی (SEIRAS) یک تکنیک حساس به سطح است که در آن مولکول‌های بیولوژیکی با بهره‌برداری از ویژگی‌های الکترومغناطیسی لایه‌های فلزی نانوساختار شناسایی می‌شوند که اثر انگشت ارتعاشی مولکول‌ها را افزایش می‌دهد [16]. در ابتدا، مولکول ها روی سطح رسانا (فلزی) لایه نازک جذب می شوند. هنگامی که پرتوهای مادون قرمز بر روی مولکول های جذب شده تابش می شود، حالت های ارتعاشی مولکول ها حالت های دوقطبی را در ذرات فلزی نانوساختار القا می کنند. این ارتعاشات مولکولی را می توان با نانوذرات مجاور در میدان نزدیک جفت کرد و جذب مادون قرمز را افزایش داد [17]. به این ترتیب، مقادیر کمی از مولکول های آنالیت را می توان با حساسیت بالا از طریق افزایش جذب مادون قرمز شناسایی کرد. به دلیل سرعت و دقت، SEIRAS به طور گسترده ای برای مطالعه فتوشیمی سطح و واکنش های کاتالیزوری و همچنین برای شناسایی مولکول های مختلف بیولوژیکی استفاده می شود [18، 19]. به عنوان مثال، یائو و همکاران. استفاده از اثر SEIRAS را برای شناسایی SARS-CoV-2 با تجزیه و تحلیل برهمکنش نمونه‌های حاوی SARS-CoV-2 با پروب‌های DNA تک رشته‌ای که بر روی سطح فیلم‌های نانوجزیره طلای تبخیر شده عامل‌دار شده بودند، نشان داد. پروب های DNA تک رشته ای حاوی توالی های ژنومی مرتبط با SARS-CoV-2 بودند. طیف SEIRAS از نمونه‌های حاوی RNA ویروسی با نمونه‌های کنترل بدون RNA ویروسی مقایسه شد. این روش تشخیص 1 میکرومولار اسید نوکلئیک SARS-CoV-2 را بدون تقویت در کمتر از 5 دقیقه امکان پذیر کرد [16]. علاوه بر این، SEIRAS همراه با تیمار تقویت پلیمراز ریکامبیناز، تشخیص نوکلئیک اسید SARS-CoV-2 را در ساعت 5 صبح در 30 دقیقه امکان پذیر کرد.

تکنیک های طیف سنجی مولکولی

تکنیک های طیف سنجی مولکولی

تکنیک های طیف سنجی مولکولی شامل برهمکنش بین تابش الکترومغناطیسی و موجودات بیولوژیکی است. مایعات بدن مانند بزاق، خون و ادرار را می توان با دقت زیادی با استفاده از تکنیک های طیف سنجی ارتعاشی و الکترونیکی مانند طیف سنجی مادون قرمز و بیوسنینگ نوری مطالعه کرد. به عنوان مثال، ساختارهای پروتئین را می توان با تجزیه و تحلیل نوارهای ارتعاشی مرتبط با ساختار پروتئین مورد مطالعه قرار داد. طیف سنجی ارتعاشی و تصویربرداری اطلاعات ارزشمندی را در مورد برهمکنش های سطح مولکولی بدون نیاز به لکه یا رنگ ارائه می دهد. علاوه بر این، این تکنیک‌ها به اندازه‌های نمونه کوچکی نیاز دارند و می‌توانند با دقت و بدون نیروی انسانی ماهر انجام شوند [9، 14، 15]. این بخش برخی از تکنیک‌های طیف‌سنجی ترکیبی را که برای شناسایی ویروس SARS-CoV-2 در حال بررسی هستند، مرور می‌کند.

روش‌های جدید فوتونیک برای تشخیص عفونت SARS-CoV-2

توسعه یک رویکرد قابل اعتماد، سریع و کم هزینه با افزایش حساسیت برای تشخیص ویروس SARS-CoV-2 و بیماری COVID-19 یک اولویت مهم جامعه علمی است. این بررسی مروری بر رویکردهای فوتونیکی ارائه می دهد که برای تشخیص عفونت SARS-CoV-2 و بیماری COVID-19 در حال بررسی هستند.

توسعه لیزر فیبر

طراحی فیبر

فیبرها بخش کلیدی سیستم های لیزر فیبر پیشرفته هستند. خصوصیات آنها مستقیماً در پارامترهای خروجی هر راه اندازی تجربی یا تجاری منعکس می شود. بنابراین، درک و بهبود طراحی فیبر یک بخش ضروری و فرخنده در توسعه لیزر فیبر است.

گروه تحقیقاتی ما عمدتاً بر روی طرح‌های فیبر برای لیزرهای فیبر پرقدرت پالسی متمرکز است و در نتیجه، کاهش اثرات غیرخطی انگلی هدف اصلی است. برای دستیابی به این امر، فیبرهای فعال با مناطق حالت بسیار بزرگ مورد نیاز است. علاوه بر این، اطمینان از عملکرد موثر تک حالته و در نتیجه کیفیت پرتو عالی بسیار مهم است. الیاف ریز ساختار دسته انتخابی برای رسیدن به این هدف هستند. اخیراً، یک رویکرد جدید برای مقیاس‌بندی حالت - میدان - ناحیه در گروه ما ایجاد شده است: جابجایی حالت‌های مرتبه بالاتر. جابجایی منجر به یک مزیت دوگانه می شود: تحریک حالت های مرتبه بالاتر توسط پرتو ورودی را کاهش می دهد و علاوه بر این، همپوشانی آنها را با ناحیه هسته فعال به حداقل می رساند. به این ترتیب، حالت بنیادی یک تحریک بهبود یافته و یک تقویت ترجیحی را تجربه می کند.

تصاویر میکروسکوپی (همه در مقیاس یکسان) از الف) فیبر شاخص پله استاندارد با هسته 6 میکرومتر و قطر خارجی 125 میکرومتر، ب) فیبر کریستال فوتونیک نوع میله هسته ای 85 میکرومتر با قطر هواکش 200 میکرومتر، و ج) هسته 108 میکرومتر فیبر گام بزرگ با قطر هواکش 340 میکرومتر.

به اصطلاح الیاف گام بزرگ اولین طرح های الیافی هستند که از مفهوم محلی سازی استفاده می کنند. آنها از یک ساختار فوتونیک متشکل از چند سوراخ هوا با ترتیب شش ضلعی با فواصل سوراخ به سوراخ بزرگ (شکل 1) برای دستیابی به مکان‌یابی حالت‌های درجه بالاتر استفاده می‌کنند. سادگی این طراحی فیبر، تکرارپذیری عالی را تضمین می کند. از آنجایی که طراحی فیبر بر اساس اثرات رزونانسی نیست، با افزایش فاصله سوراخ به سوراخ به راحتی مقیاس پذیر است. مقادیر بین 30 میکرومتر و 75 میکرومتر مشخص شده است که مربوط به قطر هسته تا 130 میکرومتر است. این فیبرهای تک حالته به طور مؤثر، نوار بالاترین میانگین توان خروجی به دست آمده با مناطق میدان بسیار بزرگ را به طور قابل توجهی افزایش دادند. از این رو، فیبرهای با گام بزرگ به عنوان ستون فقرات نسل بعدی سیستم های لیزر فیبر با انرژی پالس بسیار بالا و توان متوسط ​​شناخته می شوند.

لیزرهای فیبر و موجبر

لیزرهای فیبر و موج

قرن بیستم شاهد تولد فناوری لیزر بود. فناوری که نه تنها تخیل عمومی را مجذوب خود کرده است، بلکه به جرات می توان گفت که جهان را تغییر داده است. از زمانی که اولین نور از لیزر یاقوت  در سال 1960 ساطع شد، تکامل این فناوری بی امان و بسیار سریع بوده است. تنها در 50 سال، لیزر تقریباً در همه جا حاضر شده و برای زندگی روزمره ما ضروری است. بنابراین، ما می‌توانیم لیزر را در تاسیسات علمی پیچیده، بلکه در سوپرمارکت‌ها، در تجهیزات پزشکی گران قیمت، در پخش‌کننده‌های موسیقی، در کاربردهای نظامی، در حفاظت از هنر و غیره پیدا کنیم. بدون شک، فناوری لیزر یکی از موفق‌ترین و از نظر اقتصادی مهم است. و اختراع همه کاره قرن گذشته. علاوه بر این، به طور گسترده پذیرفته شده است که لیزرها مرزهای جدیدی را در بسیاری از رشته های علمی (مانند زیست شناسی، پزشکی یا فیزیک) باز کرده اند، آنها به سرعت بخشیدن به توسعه آن مناطق کمک کرده اند و مهمتر از همه، آنها هنوز هم به این کار در زمینه های علمی ادامه می دهند. امروز.

تدریس فیزیک لیزر با شکوفه ساتری

لیزر موجبر

اساساً همه دیودهای لیزر، لیزرهای موجبر هستند، با هدایت نوری حداقل در یک جهت. برخی از دیودهای لیزر کم مصرف حتی از هدایت تک حالته استفاده می کنند. بزرگترها (مانند دیودهای لیزری با مساحت وسیع و میله های دیود) حداقل در یک جهت رفتار چند حالته از خود نشان می دهند.

لیزرهای موجبر

لیزر موجبر لیزری است که حاوی یک موجبر به عنوان واسطه بهره است.

انواع لیزرهای موجبر

انواع مختلفی از لیزرهای موجبر وجود دارد:

لیزرهای موجبر حالت جامد معمولا بر اساس برخی از موجبرهای مسطح یا کانالی در برخی قطعات کریستالی یا شیشه ای ساخته می شوند.

لیزرهای فیبر نیز لیزرهای موجبر هستند.

اساساً همه دیودهای لیزر، لیزرهای موجبر هستند، با هدایت نوری حداقل در یک جهت. برخی از دیودهای لیزر کم مصرف حتی از هدایت تک حالته استفاده می کنند. بزرگترها (مانند دیودهای لیزری با مساحت وسیع و میله‌های دیود) حداقل در یک جهت رفتار چند حالته از خود نشان می‌دهند.

در برخی از لیزرهای CO2 از ساختارهای موجبر نیز استفاده می شود. مزایا این است که ابعاد عرضی لوله گاز را می توان کاهش داد تا خنک کننده موثر گاز لیزر به دست آید و کیفیت پرتو به دست آمده می تواند بسیار بالا باشد.

ویژگی های بارز لیزرهای موجبر

مهمترین مزیت استفاده از موجبر این است که به طور موثر واگرایی پرتو حذف می شود، به طوری که می توان شدت نوری بالا را در طول طولانی حفظ کرد. این به نوبه خود امکان دستیابی به بهره نوری بالا و راندمان بهره بالا را حتی برای انتقال های لیزری دشوار و با قدرت پمپ محدود می کند. با این حال، این مزیت ممکن است تا حدی با تلفات انتشار در موجبر جبران شود، که ممکن است به طور قابل توجهی بیشتر از مواد حجیم باشد.

ترکیب طول انتشار طولانی و ناحیه حالت کوچک می تواند تأثیر شدیدی از غیرخطی بودن مواد ایجاد کند. این می تواند عملکرد دستگاه های خاصی را محدود کند، در حالی که در موارد دیگر از اثرات غیرخطی به نوعی استفاده می شود. برای مثال، لیزرهای فیبر رامان از پراکندگی رامان تحریک‌شده قوی بهره‌برداری می‌کنند.

اثرات حرارتی مانند عدسی حرارتی در رسانه افزایش تا حد زیادی توسط هدایت موج سرکوب می شود، به ویژه در مورد هدایت تک حالته. از آنجایی که اثرات حرارتی روی ضریب شکست معمولاً ضعیف‌تر از کنتراست ضریب هدایت است، آنها فقط به تغییر شکل جزئی حالت هدایت منجر می‌شوند که هیچ پیامد قابل‌توجهی ندارد.

لیزرهای موجبر را می توان با سایر عناصر نوری در همان دستگاه ادغام کرد، به عنوان مثال. با مدولاتورهای نوری برای سوئیچینگ Q، قفل کردن حالت فعال یا تنظیم طول موج. این مورد به ویژه هنگامی که محیط بهره یک ماده کریستالی غیرخطی مانند لیتیوم نیوبات (LiNbO3) یا یک نیمه هادی است، صادق است. یک لیزر موجبر حتی ممکن است بخشی از یک مدار مجتمع فوتونیک پیچیده باشد.

یکی از جذابیت‌های برخی از لیزرهای موجبر مسطح این است که نور پمپ از یک دیود لیزری را می‌توان بدون هیچ گونه نوری بین موجبر متصل کرد.

لیزرهای موجبر معمولاً دارای یک تشدید کننده لیزری یکپارچه هستند که در نتیجه مزایای مختلفی مانند تنظیم پایدار و فشرده دارند.

فرامواد تراهرتز قابل برنامه ریزی با حافظه غیر فرار

خلاصه

تعدیل کننده های نور فضایی (SLMs) توانایی قدرتمندی در کنترل امواج الکترومغناطیسی از خود نشان می دهند. مشخص شده است که آنها کاربردهای متعددی در فرکانس های تراهرتز (THz) دارند، از جمله ارتباطات بی سیم، هولوگرافی دیجیتال و تصویربرداری فشرده. با این حال، توسعه به سمت SLM THz در مقیاس بزرگ، چند سطحی و چند عملکردی با چالش‌های فنی مواجه است. در اینجا، یک متاماده THz قابل برنامه ریزی الکتریکی متشکل از آرایه ای 8×8 پیکسل ارائه شده است که در آن ماده تغییر فاز دی اکسید وانادیم (VO2) تعبیه شده است. پس از سرکوب موفقیت آمیز تداخل از پیکسل های مجاور، موج THz را می توان به روشی قابل برنامه ریزی مدوله کرد. سرعت سوئیچینگ هر پیکسل به ترتیب 1 کیلوهرتز است. به طور خاص، با استفاده از اثر هیسترزیس VO2، اثر حافظه نشان داده می‌شود. دامنه THz هر پیکسل را می توان با تک تک پالس های جریان نوشت و پاک کرد. علاوه بر این، تصاویر چند حالته THz را می توان تولید و ذخیره کرد. این متاماده قابل برنامه ریزی با عملکرد حافظه می تواند به سایر باندهای فرکانسی گسترش یابد و مسیری را برای پردازش اطلاعات الکترومغناطیسی باز می کند.