《Science Advances》發(fā)現(xiàn)：0.8秒高速紅外影像圖譜實現(xiàn)精確病理診斷
核心突破者David Knez與Dmitry A. Fishman領銜的研究團隊在頂級期刊《Science Advances》發(fā)表題為《Spectral imaging at high definition and high speed in the mid-infrared》的突破性論文，通過實驗證明該技術可在32毫秒內區(qū)分聚合物化學成分，顛覆了傳統(tǒng)中紅外檢測依賴液氮冷卻、機械掃描的技術范式。
重要發(fā)現(xiàn)
01啁啾脈沖實現(xiàn)光譜-時間編碼
研究團隊利用15厘米硅棒將40飛秒中紅外脈沖拉伸至4.5皮秒（圖1C-D），使不同頻率光按線性序列抵達探測器。當脈沖穿過7微米聚苯乙烯薄膜時，其分子振動吸收特征（如2923cm⁻¹的C-H鍵）被編碼為時間域強度波動（圖3D）。通過116飛秒近紅外門控脈沖掃描時間延遲，直接讀取光譜信息，規(guī)避了傳統(tǒng)傅里葉變換的復雜重建流程。
關鍵驗證：對比啁啾/非啁啾脈沖響應（圖3B/D），證明線性啁啾下時間信號與吸收光譜誤差<5%（圖3E/F），頻率-時間轉換率達0.072cm⁻¹/fs。
02百萬像素相機并行探測實驗采用1.3百萬像素InGaAs相機（1280×1024），以16毫秒/幀速率捕獲寬場圖像（圖2）。中紅外光（3.33μm）與門控脈沖（1900nm）在相機芯片發(fā)生非簡并雙光子吸收，將中紅外光子轉化為可見信號。該設計突破汞鎘碲（MCT）探測器像素限制，單幀覆蓋面積較傳統(tǒng)128×128陣列提升80倍。
靈敏度突破：單像素接收5飛焦中紅外能量（約1.5×10⁴光子），未來千赫茲系統(tǒng)可進一步降至阿焦（10⁻¹⁸J）級。
03秒級構建化學空間分布對PMMA/聚苯乙烯雙層膜成像時（圖4），通過掃描時間延遲獲取2823–3025cm⁻¹范圍光譜數(shù)據(jù)立方體。選取2923cm⁻¹（聚苯乙烯吸收峰）與2950cm⁻¹（PMMA吸收峰）生成雙通道圖像（圖5B/D），僅用32毫秒即實現(xiàn)兩種聚合物的空間區(qū)分。類似策略應用于乙醇、硅油等樣本（圖6），清晰呈現(xiàn)化學分布異質性。
速度碾壓：傳統(tǒng)量子級聯(lián)激光（QCL）掃描需3秒（128×128像素），CP-NTA在0.8秒內完成百萬像素級采集。
創(chuàng)新與亮點
01攻克百年技術瓶頸
速度革命：將寬譜成像從分鐘級壓縮至亞秒級，較現(xiàn)有最快技術提速60倍
像素飛躍：突破紅外探測器低像素密度（≤16k像素）限制，實現(xiàn)百萬像素高清成像
零重建成本：規(guī)避傅里葉變換算法需求，原始數(shù)據(jù)直接可視化
實時病理診斷：術中0.8秒獲取組織化學圖譜，替代30分鐘冷凍切片
工業(yè)在線質檢：生產線秒級監(jiān)測聚合物分層、藥品結晶過程
環(huán)境動態(tài)追蹤：無人機載系統(tǒng)實時繪制污染物擴散熱力圖
極弱光探測：未來系統(tǒng)可檢測單細胞代謝產物的痕量信號
成本顛覆：無需液氮冷卻裝置，相機芯片兼容常溫操作，系統(tǒng)成本降低70%
總結與展望
CP-NTA技術通過啁啾脈沖時頻映射與非簡并雙光子探測的創(chuàng)新融合，首次實現(xiàn)中紅外光譜成像在速度、精度、易用性三維突破。其亞秒級百萬像素采集能力，為化學與生物過程的原位動態(tài)觀測提供全新范式。
未來升級路徑已明確：
幀率突破：通過激光-相機同步將采集速率從62.5Hz提升至100Hz
延遲線革新：采用聲光調制實現(xiàn)>20Hz光譜掃描（現(xiàn)為1Hz）
芯片優(yōu)化：開發(fā)無保護窗InGaAs相機，提升中紅外透射率300%
多模態(tài)擴展：結合相干拉曼散射實現(xiàn)振動光譜全覆蓋
論文通訊作者Fishman預言：“這項技術將中紅外成像推進到視頻級時代，人類即將看到化學反應在分子尺度的實時電影。”當化學成像突破時間枷鎖，我們對物質世界的認知將邁入全新紀元。
聲明：本文僅用作學術目的。
Knez D, Toulson BW, Chen A, Ettenberg MH, Nguyen H, Potma EO, Fishman DA. Spectral imaging at high definition and high speed in the mid-infrared. Sci Adv. 2022 Nov 18;8(46):eade4247.
DOI:10.1126/sciadv.ade4247.
