レーザー駆動の超高速分子回転のダイレクトイメージング
February 4th, 2017
高解像度のクーロン爆発イメージングセットアップを使用して、分子回転波パケットのリアルタイムムービーを作成するためのプロトコルを提示します。
全体として、この実験の目標は、超高速分子回転の高解像度でリアルタイムのスナップショットを撮ることです。この方法は、量子分子運動と古典力学の世界との関係など、量子力学と物理化学の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、これまで実現されていなかったカメラアングルからの分子の高解像度、高スループットのリアルタイムイメージングを実行できることです。
この手法は、分子の回転ダイナミクスに関する洞察を提供します。また、配向性分子やフォトリソースの作用など、他のシステムにも適用できます。実験に必要な機器は、大きく分けて2つの要素で構成されています。
1つ目は、真空チャンバー内に構築された2次元スライスイメージング装置です。この概略図は、チャンバー内に何があるかを示しています。レーザーの後、イオン化された二原子分子。
イオン化生成物を導くイオン光学素子があります。レーザーの偏光面にはイオンを選択するためのスリットと、パルスリペラーとして機能する電極があります。これは、蛍光体スクリーンによって裏打ちされたマイクロチャネルプレートからなる並列検出器にイオンを導きます。
2番目のコンポーネントは、ポンププローブの光学セットアップです。回路図に示されているように、このセットアップでは、チタンサファイアレーザー増幅器を使用して、3つの同一線上のフェプト秒パルスを生成します。最初のパルスは、中心波長が820ナノメートルの直線偏光で、分子の整列用です。
方向制御用の2番目のパルス。これは、線形偏光が最初のパルスに対して45度傾いている点を除いて、最初のパルスの遅延レプリカです。3番目のパルスはクーロン爆発イメージングプローブです。
それは407ナノメートルで、円偏光し、100フェムト秒持続します。これらの3つのパルスは、同じ経路に沿って真空チャンバーに入ります。重要なステップは、偏光チェッカーを使用してパルスの偏光状態を調整することです。
このチェッカーは、偏光角度依存の透過強度によって偏光状態を可視化することができます。偏光チェッカーは、チャンバーに入る直前のビーム経路に取り付けます。イメージングプローブの偏光状態に注目します。
目標は円偏光です。偏光を変更するには、パルスの経路にある波長板を使用します。回転光学マウントの波長板を調整します。
チェッカーが偏光が円であることを示しているときに停止します。パルスワンでも同様の手順に従って、波形板を調整します。最終的には、その偏光角度は垂直である必要があります。
2 番目のパルスの波長板を操作して、パルス 1 の角度に対して 45 度の角度で直線偏波を生成します。偏光チェッカーとダンプをビームパスから取り外し、他のセットアップ準備を完了します。パルスの時間オーバーラップは、大まかに最適化する必要があります。
これを行うには、システム内のフォーカシングレンズの直前に4つの要素を取り付ける必要があります。パスの最初のものは、フォーカシングレンズとチャンバーウィンドウを組み合わせたのと同じ厚さの光学ウィンドウです。次は、ポンプとプローブが同時に相互作用する場合にのみ非線形応答を持つ非線形結晶です。
パスに沿って3番目に分散プリズムがあります。最後に、非線形信号を登録するための白い紙があります。ポンプ1ビームとプローブパルスを使用して、ポンプ2ビームにビームダンプを配置します。
電動ステージを使用して3次高調波信号を探索します。ステージコントローラーの移動ボタンを押して、3番目の信号をスキャンして検索します。ビームパス上の用紙は、高調波信号を白色、青色の蛍光で示します。
次に、ポンプ2のブロックを解除し、ビームダンパーでポンプ1をブロックします。ポンプの2ラインの手動ステージを使用して、ビーム経路を調整します。マイクロメータベースのステージを、3番目の高調波放射が発生するまでスキャンします。
時間ゼロまたは時間的重なりの決定は、紙に蛍光が見えるときに完了します。続行する前に、ビームラインに追加されたすべての要素を削除して、時間的なオーバーラップを見つけます。測定セットアップのユニークな側面は、カメラの配置です。
この図で示唆されているように、検出器の表面はレーザー偏光面に対して垂直です。カメラ軸は検出器の表面に対して垂直であるため、レーザー伝搬の線に平行です。バキュームの前にある光学ポストにデジタルカメラを取り付けます view ポートの向きが正しいことを確認します。
さらに、カメラの後ろに冷却ファンを取り付けます。不要な光を減らすには、ビューポートとレンズの間の領域にカーテンを掛けます。カメラをコンピューターに接続した状態で、制御ソフトウェアを起動し、カメラのゲインを最大化します。
分子のイオン化から生じる画像のキャプチャを開始します。カメラが適切に配置されている場合、カメラの画像は検出器の表面全体を覆う必要があります。キャプチャした画像を監視し続けて、カメラのフォーカスを調整します。
イオンによるスポットのサイズは、できるだけ鋭く、できるだけ小さくする必要があります。測定では、まずシグナルを見つけ、イオンイメージング設定を最適化します。これを行うには、ポンプパルスビームをブロックしてプローブパルスのみを使用します。
パルスは平凸レンズを通って移動し、分子ビームに焦点を合わせます。パルス発生器は、イオン光学系の高電圧スイッチの時間を設定します。窒素分子イオンの推定到着時間に設定します。
レンズの位置とガスパルス時間を調整しながらイオン像をモニターし、最大かつ最も明るい画像を実現します。次に、パルス発生器を使用して、高電圧スイッチの時間を変更します。クーロン爆発二重イオン化窒素チャネルの時間を使用してください。
コンピューターで、カメラのフレームレートを下げ、露出時間を増やします。さらに、観測されたイオン分布が歪みのない楕円になるように、イオン光学バイアスを調整します。ポンププローブの空間的なオーバーラップを見つけます。
ポンプ1のブロックを解除しますが、ポンプ2はブロックしたままにします。望遠鏡を使用して、ポンプパルスビーム廃棄物を高解像度ミラーマウントに配置し、ビーム位置を変更します。望遠鏡を調整するときは、ポンプパルスによるスポットを監視します。
最小のスポットサイズが見られる場合、ビームの無駄は分子ビームにあります。プローブパルスがポンプパルスによって照射された分子を画像化するようにして、続けます。これには、遅延ステージをゼロ位置から移動させる必要があります。
窒素の場合は、電動ステージを約600マイクロメートル前方に移動します。この例のように、以前に等方性だったイメージは、ポンプ 1 の偏光方向に沿って強く異方性になるはずです。この時点で、ポンプ 1 をブロックし、ポンプ 2 のブロックを解除します。
高解像度ミラーマウント2を使用して、ポンププローブのオーバーラップを見つけます。ポンプ1の光路は変わらずにミラーを調整してください。位置合わせは、ポンプ 1 の偏光に対するポンプ 2 の偏光方向の斜め角度に沿っている必要があります。
一方向の回転ダイナミクスを観察するには、両方のポンプビームのブロックを解除します。手動遅延ステージを使用して、ポンプビーム間の遅延を設定します。分子状窒素の場合は、ステージを4ピコ秒に調整します。
プローブビームに電動ステージを設置して、プローブの遅延をスキャンします。プローブ遅延がスキャンされるときに、カメラ画像で一方向の回転が認識されるかどうかを確認します。一方向の分子回転の動画の場合は、カメラのフレームレートと露光時間を変更します。
コンピュータ制御を使用してデータを収集し、プローブ時間の値をステップスルーします。これは、プローブを1ショット照射した後に放出された二重イオン化された窒素のプローブのみの生画像です。各輝点はイオンに対応します。
この画像は、10, 000のそのような二値化された画像を合計すると生成されます。実際の空間サイズは 80 mm x 50 mm です。信号強度を示すために偽色が使用されることに注意してください。
最終的に、データを使用して、半径値が角度依存の確率に比例する正規化された極座標プロットを生成できます。一方向の分子回転の明確な証拠は、2つのポンプパルスを照射した後に撮影されたこの一連の選択されたスナップショットに示されています。3つのシリーズがあります。
1つは、楕円形状を円に変換したイオン像です。2 番目のグラフには、対応する極座標プロットがあります。最後に、さまざまな向きの角度でダンベルの重なり合った画像を使用して構築されたモデルで作成されたシリーズがあり、観測された角度確率で重み付けされています。
デビュー後、この技術は、分子科学の分野の研究者が分子回転の量子的性質を探求する道を開きました。このビデオを見れば、フェイザーガンのレーザーパルスを使用して超高速の分子回転を制御し、可視化する方法を十分に理解できるはずです。
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概要
この記事では、クーロン爆発イメージングセットアップを使用して、分子回転動力学のリアルタイム高解像度画像を撮影するためのプロトコルについて説明します。この技術は、量子分子運動と古典力学の間のギャップを埋めることを目的としています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 量子力学
- 物理化学
- 分子イメージング
背景
- 超高速分子回転は分子動力学を理解する上で重要です。
- リアルタイムイメージング技術は進歩していますが、解像度とスループットに制限があります。
- この方法は分子挙動をイメージングするための新しいカメラアングルを提供します。
- 得られた洞察は様々な分子系や反応に適用できます。
研究目的
- 分子回転のための高解像度イメージングプロトコルを開発すること。
- 量子力学と古典力学の関係を探ること。
- 分子内の回転動力学の理解を深めること。
使用された方法
- 分子動力学を捉えるためのクーロン爆発イメージングセットアップ。
- リアルタイムのスナップショットを得るための高い解像度イメージング技術。
- 方向づけられた分子と光化学反応への方法の適用。
- 前例のないイメージングアングルのための先進的なカメラ技術の活用。
主要な結果
- リアルタイム分子回転波束の成功的な撮影。
- 高解像度イメージング能力の実証。
- 分子回転のダイナミクスへの洞察。
- 様々な化学および物理系への潜在的応用。
結論
- 開発されたプロトコルは分子イメージング技術を大きく前進させます。
- 分子動力学のより深い理解を提供します。
- この方法は量子力学と物理化学の研究に新たな道を開きます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This method enables high-resolution, real-time visualization of ultrafast molecular rotation, providing a novel camera angle for observing quantum dynamics. It supports mechanistic de-risking in early discovery by clarifying the connection between quantum molecular motion and classical mechanics. The technique enhances predictive confidence in target validation through direct observation of rotational wave packet evolution.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by visualizing quantum rotational dynamics of diatomic molecules.
- Operational Value: Provides high-throughput imaging from a previously unrealized camera angle, improving data quality for molecular characterization.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by delivering real-time snapshots that clarify the quantum-to-classical transition in molecular motion.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative angular distribution data directly corresponding to squared rotational wave functions, enabling precise measurement of rotational states.
- Operational Value: Utilizes a 2D detector with high image throughput, allowing optimization of pump-probe conditions via real-time monitoring.
- Assay Readiness: Compatible with existing standard ion imaging setups, facilitating platform reuse without extensive modification.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-stage quantum dynamics observations to preclinical modeling through detailed wave nature visualization.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in rotational dynamics by presenting clear evidence of unidirectional molecular rotation via normalized polar plots.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables data-driven decisions by providing high-fidelity movies of molecular rotation for validating mechanistic models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from hypothesis testing through lead identification by delivering quantitative, real-time rotational dynamics data.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by imaging laser-induced rotational wave packet evolution in diatomic systems.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible quantitative outputs through high-throughput detection of Coulomb-exploded ions.
- Analytics: Enables comparison of conditions via normalized polar plots and model-based dumbbell overlays weighted by observed angular probabilities.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by visualizing the detailed wave nature of motion, informing mechanistic models used in downstream validation.
- Enterprise Reuse: Implemented in standard ion imaging setups, offering a reusable capability for diverse molecular systems without major reengineering.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in ultrafast rotation dynamics.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through high-throughput 2D detection and real-time snapshot optimization.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering high-fidelity visual data that de-risks biological assumptions in early discovery.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization through clear visualization of quantum-to-classical transitions in molecular motion.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrafast laser polarization control and ion optics alignment.
- Needs a vacuum chamber with slice imaging apparatus, microchannel plate detector, and femtosecond laser amplifier.
- Demands cross-team standardization for polarization checker use and temporal overlap optimization via nonlinear crystal detection.
- Involves adaptation considerations for different molecular systems, as demonstrated with Nitrogen but applicable to other diatomics.
- Limited by the requirement for circularly polarized probe pulses and precise alignment of pump pulses at 45-degree oblique angles.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:57
The 2-D Slice Imaging Apparatus and Pump-probe Optical Setup
3:26
Finding the Temporal Overlap of Each Pulse
4:54
Measurement System Setup
6:03
Measurements
9:06
Results: Snapshots of Laser-indused Rotational Wave Packet Dynamics in N2
10:17
Conclusion
