Когда свет проходит сквозь мутную жидкость, например стакан с разболтанной глиной, он ослабевает — часть фотонов поглощается молекулами среды. На этом принципе основаны многие приборы для анализа жидкостей: измеряя долю потерянного света, можно судить о составе. Однако если среда неоднородна, как суп с кусочками овощей, одного суммарного числа недостаточно: необходимо знать, где именно поглощение сильнее, а где слабее.
В описываемой работе учёные использовали тонкое оптическое волокно, погружённое в водную взвесь бактерий Escherichia coli. Волокно направляло инфракрасный свет не сквозь весь сосуд, а на небольшой локальный участок. Перемещая кончик волокна, исследователи меняли расстояние, которое свет проходит в жидкости, — от одного до нескольких миллиметров. Для каждого расстояния регистрировался свой спектр поглощения.
Эксперимент показал, что сигнал, соответствующий белку на частоте 1548 обратных сантиметров (это единица волнового числа, пропорциональная энергии колебаний молекулы), растёт прямо пропорционально длине пути света. Такая линейная зависимость описывается классическим законом Бугера — Ламберта — Бера: чем толще слой поглощающего вещества, тем сильнее ослабление. Но в неоднородной взвеси коэффициент поглощения менялся от точки к точке: у поверхности и в глубине он оказался разным. Оптическое волокно позволило построить карту этих локальных различий.
Такой подход особенно удобен для мутных и густых биологических жидкостей, где стандартная кювета с фиксированной длиной оптического пути не даёт пространственного разрешения. Врач или биолог получает возможность заглянуть вглубь образца, не разделяя его на пробирки и не нарушая естественную структуру среды.
Бактерии кишечной палочки в воде рассеивают свет, но в инфракрасном диапазоне их белки дают характерные полосы поглощения — по ним микробов можно отличить от других частиц.