《Science Advances》發(fā)現(xiàn)：0.8秒高速紅外影像圖譜實(shí)現(xiàn)精確病理診斷

核心突破者David Knez與Dmitry A. Fishman領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)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(guò)實(shí)驗(yàn)證明該技術(shù)可在32毫秒內(nèi)區(qū)分聚合物化學(xué)成分，顛覆了傳統(tǒng)中紅外檢測(cè)依賴液氮冷卻、機(jī)械掃描的技術(shù)范式。

重要發(fā)現(xiàn)
01啁啾脈沖實(shí)現(xiàn)光譜-時(shí)間編碼 
研究團(tuán)隊(duì)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(dá)探測(cè)器。當(dāng)脈沖穿過(guò)7微米聚苯乙烯薄膜時(shí)，其分子振動(dòng)吸收特征（如2923cm⁻¹的C-H鍵）被編碼為時(shí)間域強(qiáng)度波動(dòng)（圖3D）。通過(guò)116飛秒近紅外門(mén)控脈沖掃描時(shí)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(fù)雜重建流程。

關(guān)鍵驗(yàn)證：對(duì)比啁啾/非啁啾脈沖響應(yīng)（圖3B/D），證明線性啁啾下時(shí)間信號(hào)與吸收光譜誤差<5%（圖3E/F），頻率-時(shí)間轉(zhuǎn)換率達(dá)0.072cm⁻¹/fs。

靈敏度突破：?jiǎn)蜗袼亟邮?飛焦中紅外能量（約1.5×10⁴光子），未來(lái)千赫茲系統(tǒng)可進(jìn)一步降至阿焦（10⁻¹⁸J）級(jí)。

速度碾壓：傳統(tǒng)量子級(jí)聯(lián)激光（QCL）掃描需3秒（128×128像素），CP-NTA在0.8秒內(nèi)完成百萬(wàn)像素級(jí)采集。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01攻克百年技術(shù)瓶頸
速度革命：將寬譜成像從分鐘級(jí)壓縮至亞秒級(jí)，較現(xiàn)有最快技術(shù)提速60倍
像素飛躍：突破紅外探測(cè)器低像素密度（≤16k像素）限制，實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)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

總結(jié)與展望
CP-NTA技術(shù)通過(guò)啁啾脈沖時(shí)頻映射與非簡(jiǎn)并雙光子探測(cè)的創(chuàng)新融合，首次實(shí)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(jí)百萬(wàn)像素采集能力，為化學(xué)與生物過(guò)程的原位動(dòng)態(tài)觀測(cè)提供全新范式。

未來(lái)升級(jí)路徑已明確：
幀率突破：通過(guò)激光-相機(jī)同步將采集速率從62.5Hz提升至100Hz
延遲線革新：采用聲光調(diào)制實(shí)現(xiàn)>20Hz光譜掃描（現(xiàn)為1Hz）
芯片優(yōu)化：開(kāi)發(fā)無(wú)保護(hù)窗InGaAs相機(jī)，提升中紅外透射率300%
多模態(tài)擴(kuò)展：結(jié)合相干拉曼散射實(shí)現(xiàn)振動(dòng)光譜全覆蓋

論文通訊作者Fishman預(yù)言：“這項(xiàng)技術(shù)將中紅外成像推進(jìn)到視頻級(jí)時(shí)代，人類即將看到化學(xué)反應(yīng)在分子尺度的實(shí)時(shí)電影。”當(dāng)化學(xué)成像突破時(shí)間枷鎖，我們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知將邁入全新紀(jì)元。

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.