Hyperspectral imaging and time-resolved spectroscopy of photoexcited processes in biomolecules

Abstract

Este trabalho tem como principais focos o estudo de fenômenos ultrarrápidos em biomoléculas e o desenvolvimento de montagens ópticas para imageamento hiperespectral. Parte do projeto foi desenvolvido em colaboração com a Universidade Politecnico di Milano, durante estágio Doutorado Sanduíche. Para o estudo dos fenômenos ultrarrápidos, utilizou-se principalmente de medidas do tipo excitação e prova (do inglês pump-probe) e de simulações computacionais por primeiros princípios para compreender os fenômenos fotoquímicos e fotofísicos de três aminoácidos aromáticos: triptofano, tirosina e fenilalanina. Os resultados obtidos demonstraram tempos ultra-rápidos de transferência de elétrons dos estados singletos para os tripletos e a formação de fotoprodutos. Complementamos os estudos de fotoexcitação dos aminoácidos com medidas de absorção linear e fotoluminescência. Em pa- ralelo, desenvolvemos duas montagens ópticas para a obtenção de imagens hiperespectrais utilizando interferômetro baseado em birrefringência. Ambas são capazes de obter imagens do objeto de interesse que contém além da informação espacial, a informação espectral emitida pelo objeto contida em cada ponto da imagem. Uma montagem foi projetada para aplicações macro e a outra para aplicações microscópicas. A novidade da técnica está no modo de aquisição das imagens, que se baseia num dispositivo interferométrico birrefringente, o TWINS (do inglês: Translating-Wedge-based Identical pulses eNcoding System). O TWINS foi utilizado para gerar duas réplicas da informação espectral emitida pelo objeto (a reĆetância ou fotoluminescência, por exemplo), uma atrasada em relação a outra, bem como o padrão de interferência gerado pela combinação dessas devido a este atraso controlado, que é detectado por uma câmera. Após computarmos a transformada de Fourier do interferograma, obtemos acesso ao espectro ponto a ponto na imagem. Na câmera hiperespectral, projetada para aplicações macroscópicas, exploramos sua aplicação principalmente em arte e conservação. Já com o microscópio hiperespectral, exploramos principalmente sua aplicação em sistemas de tecidos biológicos.