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Cos'è la spettroscopia CARS? Perché è così speciale?
Nel campo scientifico odierno, la spettroscopia CARS (spettroscopia Raman anti-Stokes coerente) si è affermata nella ricerca chimica e fisica con i suoi vantaggi unici. Questa tecnologia viene utilizzata principalmente per rilevare i segnali di vibrazione delle molecole, in modo simile alla spettroscopia Raman tradizionale, ma la sua sensibilità e potenza del segnale superano di gran lunga la prima. La spettroscopia CARS viene eseguita utilizzando la tecnologia multifotone, che consente di fornire immagini molecolari più nitide e di diventare quindi uno strumento importante in molti campi di ricerca.
Contesto storicoLa spettroscopia CARS è un processo ottico non lineare di terzo ordine che prevede l'interazione di tre raggi laser.
La spettroscopia CARS fu proposta per la prima volta nel 1965, quando P. D. Maker e R. W. Terhune della Ford Motor Company pubblicarono uno studio sul fenomeno. Hanno utilizzato laser a rubino pulsati per sondare la risposta di terzo ordine di una varietà di materiali e hanno osservato che veniva generato un segnale CARS spostato verso il blu quando gli impulsi dei due fasci si sovrapponevano nello spazio e nel tempo. Questa tecnica è stata chiamata "spettroscopia CARS" da Begley et al. presso la Stanford University nel 1974.
Principi di base
Il principio di funzionamento della spettroscopia CARS può essere spiegato mediante modelli meccanici classici e quantistici. Classicamente, una molecola può essere vista come un oscillatore (smorzato) con una frequenza caratteristica ωv. Nel CARS, questo oscillatore è azionato dalla differenza di frequenza tra il fascio di pompaggio e il fascio di Stokes. Questo meccanismo di guida è simile al modo in cui l'orecchio è sensibile alla differenza di frequenza tra due note diverse suonate su un pianoforte.
Confronto tra spettroscopia CARS e RamanNel processo CARS, il fascio di pompaggio eccita innanzitutto la molecola in uno stato virtuale che non è uno stato intrinseco della molecola, ma consente transizioni verso altri livelli energetici reali.
La spettroscopia CARS e Raman hanno in comune alcune caratteristiche nell'indagine delle modalità vibrazionali delle molecole, ma presentano anche differenze significative. La spettroscopia CARS richiede due sorgenti laser pulsate, mentre la spettroscopia Raman richiede solo un singolo laser a onda continua (CW). Poiché il segnale CARS viene osservato sul lato blu, non deve competere con il fenomeno della fluorescenza, il che rende il segnale CARS più vantaggioso nelle applicazioni pratiche.
Aree di applicazione
Microscopia CARS
CARS ha un'ampia gamma di applicazioni nella microscopia selettiva delle specie e nella diagnostica della combustione, in particolare nel campo dell'imaging non invasivo nei campioni biologici. Molti ricercatori utilizzano la microscopia CARS per osservare i lipidi nei campioni biologici, offrendo un nuovo metodo per studiare la biologia.
Diagnosi della combustione
La spettroscopia CARS viene utilizzata anche per il monitoraggio della temperatura di gas e fiamme perché il suo segnale ha una dipendenza non lineare dalla temperatura. Il segnale CARS riflette lo stato termico del sistema perché è correlato al numero di particelle nello stato fondamentale e negli stati eccitati dalle vibrazioni.
Altre applicazioni
Oltre alle applicazioni sopra menzionate, la tecnologia CARS è attualmente in fase di sviluppo per l'impiego in aree di monitoraggio della sicurezza, come ad esempio il rilevamento di bombe lungo le strade. Ciò evidenzia il suo potenziale valore per la sicurezza pubblica.
In sintesi, la spettroscopia CARS è diventata una tecnologia di punta nella ricerca attuale grazie alla sua superiore intensità del segnale e all'elevata sensibilità alle modalità di vibrazione molecolare. Con l'ulteriore sviluppo della tecnologia, potremo vederne l'applicazione in più settori in futuro?
