Eksperymentalny protokół dla femtosekundowego NIR/UV - Eksperymenty z pompą i sondą XUV z laserami na swobodnych elektronach
23 października 2018
Ten protokół opisuje kluczowe kroki do przeprowadzania i analizowania eksperymentów z pompą-sondą, łącząc femtosekundowy laser optyczny z laserem na swobodnych elektronach, w celu zbadania ultraszybkich reakcji fotochemicznych w cząsteczkach fazy gazowej.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w fizyce i chemii, takie jak to, które wiązania są zrywane jako pierwsze lub jak atomy i elektrony przegrupowują się podczas reakcji chemicznej. Główną zaletą tej techniki jest to, że ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe z lasera na swobodnych elektronach lub FEL może działać jak sonda specyficzna dla miejsca, ponieważ jonizuje tylko określone atomy w cząsteczce. Nauczenie się, jak osiągnąć przestrzenne i czasowe nakładanie się wiązek lasera FEL i optycznego, przynosi korzyści z demonstracji wizualnej, ponieważ stosowana jest bardzo specyficzna diagnostyka, a efekty mogą być subtelne.
Procedurę tę zademonstruje Demitrios Rompotis, fizyk z FLASH Free-Electron Laser w DESY. Najpierw sprawdź, czy detektor jonów, detektor elektronów i zasilanie wysokiego napięcia elektrod spektrometru jonowego są wyłączone. Zamknij migawki FEL i optyczne przesłony lasera za pomocą oprogramowania przyrządu.
Skonfiguruj filtry i tłumiki zainstalowane w linii wiązki tak, aby energia impulsu FEL i moc lasera optycznego były zredukowane do mniej niż 1% transmisji. Następnie włóż ekran podglądu wiązki Cerium YAG do obszaru interakcji. Otwórz migawkę FEL i przyjrzyj się ekranowi za pomocą kamery CCD.
Jeśli plamka wiązki nie jest wykrywalna na ekranie, nieznacznie zwiększ intensywność wiązki. Po zlokalizowaniu plamki wiązki oznacz pozycję wiązki FEL jako obszar zainteresowania w oprogramowaniu do akwizycji danych kamery. Następnie otwórz optyczną migawkę laserową i zamknij migawkę FEL.
Wyreguluj lusterka kierownicze, aby wyrównać optyczną wiązkę laserową z zaznaczoną pozycją wiązki FEL. Powtórz ten proces blokowania wiązki, aby uściślić przestrzenne nakładanie się i sprawdzić, czy nakładanie się jest stabilne. Po wyrównaniu belek zdejmij ekran podglądu belki.
Włącz detektory i zasilanie elektrody spektrometru. Upewnij się, że szybka fotodioda podłączona do szybkiego oscyloskopu jest zainstalowana prostopadle do wiązki FEL wraz z ruchomą siatką, aby skierować niewielką ilość rozproszonych fotonów do diody. Zmniejsz energię impulsu FEL i moc lasera optycznego do 1% transmisji.
Następnie zamknij FEL i optyczne migawki laserowe. Wstaw siatkę rozpraszającą do belki. Dostosuj położenie siatki, energię impulsu FEL i moc lasera optycznego tak, aby każda pojedyncza wiązka dawała wyraźny sygnał, a oba sygnały miały tę samą wysokość.
Następnie zamknij optyczną migawkę lasera. Skonfiguruj szybki oscyloskop tak, aby używał najdrobniejszej dostępnej podstawy czasu i zbierał około 100 średnich dla śladu. Zapisz i zapisz ślad referencyjny samej belki FEL.
Następnie zamknij migawkę FEL i otwórz optyczną migawkę laserową. Porównaj ślad z lasera optycznego ze śladem referencyjnym FEL. Następnie przesuń czas nadejścia optycznego impulsu laserowego tak, aby początek optycznego sygnału laserowego dokładnie odpowiadał początkowi sygnału FEL.
Powtórz porównanie blokowania wiązki i początku sygnału, aby potwierdzić, że FEL i optyczne impulsy laserowe są precyzyjnie wyrównane. Zwróć uwagę na czas, w którym impulsy FEL i lasera optycznego nakładają się na siebie, ponieważ początkowe oszacowanie T0.To rozpocząć dostrajanie T0, stłumić FEL i laser optyczny w wystarczającym stopniu, aby uniknąć uszkodzenia detektorów jonów i elektronów, gdy do systemu wprowadzany jest gaz ksenonowy. Upewnij się, że spektrometr jest w trybie lotu.
Następnie wprowadź gaz ksenonowy do komory albo przez strumień gazu, albo wpuszczając gaz ksenonowy do opróżnionej komory przez zawór iglicowy. W przypadku zastosowania tej drugiej metody należy osiągnąć ciśnienie w komorze między 1 razy 10 do minus siedem i 1 razy 10 do minus sześć milibarów. Zapisz czas jonów ksenonowych widma lotu.
Następnie zamknij migawkę FEL i wyreguluj energię impulsu FEL tak, aby ksenonowe dwa plus i ksenonowe trzy plus należały do najsilniejszych stanów naładowanych ksenonem w czasie lotu widma, a wyższe stany naładowane ksenonem były tłumione w jak największym stopniu. Następnie zamknij migawkę FEL i otwórz optyczną migawkę laserową. Dostosuj moc lasera optycznego tak, aby impulsy laserowe wytwarzały głównie ksenon plus z niewielką ilością xenon two plus.
Otwórz migawkę FEL po zakończeniu regulacji. Na podstawie wcześniej wyznaczonej przybliżonej wartości T0 ustaw czas FEL i optycznego impulsu laserowego tak, aby optyczne impulsy laserowe docierały około 200 pikosekund przed impulsami FEL. Uzyskaj czas przelotu widma jonów ksenonowych i określ stosunek ksenonu dwa plus do ksenonu trzy plus z obszarów pików.
Następnie skonfiguruj lasery tak, aby optyczne impulsy laserowe docierały około 200 pikosekund po impulsach FEL. Uzyskaj inny czas lotu widma i określ stosunek ksenonu dwa plus do ksenonu trzy plus. Sprawdź, czy sygnał ksenonowy trzy plus jest znacznie silniejszy w tym widmie niż w poprzednim widmie.
Czasami różnica między laserem wczesnym a późnym laserem w sygnale ksenonowym jest bardzo mała z powodu niewystarczającego nakładania się przestrzennego. W takim przypadku należy powtórzyć procedurę nakładania się przestrzennego, aby uzyskać dużą różnicę w obu sygnałach. Ustaw taktowanie lasera na połowę odległości między poprzednimi dwiema wartościami i uzyskaj inny czas widma lotu.
Porównaj stosunek ksenonu dwa plus do ksenonu trzy plus, aby określić, czy optyczne impulsy laserowe docierają przed, czy po impulsach FEL. Jeśli optyczne impulsy laserowe docierają przed impulsami FEL, ustaw czas na połowę drogi między wartością prądu a wartością, przy której impulsy lasera optycznego dotarły 200 pikosekund po impulsach FEL. Uzyskaj inny czas lotu widma i zbadaj stosunek ksenonu dwa plus do ksenonu trzy plus.
Kontynuuj regulację czasu impulsu laserowego, aż T0 zostanie przybliżone z dokładnością lepszą niż 500 femtosekund. Następnie ustaw skanowanie z opóźnieniem w obszarze plus lub minus jednej pikosekundy wokół przybliżonej pozycji T0 w krokach nie większych niż 50 femtosekund. Uzyskaj widmo czasu lotu i określ stosunek ksenonu dwa plus do ksenonu trzy plus dla każdego kroku.
Wykreśl te współczynniki w odniesieniu do czasów opóźnienia, wyprowadź funkcję krokową i oblicz środek funkcji krokowej, aby uzyskać dokładne położenie czasowe T0. Spektroskopia czasu przelotu jonów ksenonowych może być wykorzystana do określenia, czy impuls bliskiej podczerwieni o długości 800 nanometrów dotarł do celu z gazem ksenonowym przed lub po impulsie FEL o energii fotonów co najmniej 67,5 elektronowoltów. Postjonizacja wzbudzonego metastabilnego ksenonu dwa plus nastąpiła, gdy impuls bliskiej podczerwieni pojawił się po impulsie FEL, zwiększając wydajność ksenonu trzy plus. Wykreślenie stosunku ksenonu dwa plus do ksenonu trzy plus w funkcji czasu opóźnienia dostarczyło funkcji krokowej, na podstawie której można było wyznaczyć T0.
Obrazy pędu jonów jodu wykorzystano również do wyznaczenia T0 o energii fotonu wynoszącej co najmniej 57 elektronowoltów. Niski wkład energii był widoczny jako skok tylko wtedy, gdy impuls UV pojawił się przed impulsem FEL. T0 wyekstrahowano z wykresu wydajności jonów kolczastych w funkcji czasu opóźnienia.
Dane ujęcie po ujęciu zarejestrowane przez monitor czasu przybycia Bunch zostały wykorzystane do skorygowania fluktuacji we względnym czasie nadejścia impulsów FEL w odniesieniu do optycznych impulsów laserowych. Spowodowało to zauważalną poprawę jakości danych, szczególnie w rozdzielczości czasowej. Po opanowaniu, ustalenie czasowego i przestrzennego nakładania się optycznych impulsów laserowych i FEL można wykonać w ciągu około dwóch do trzech godzin, podczas gdy pomiar za pomocą sondy pompy, który następuje później, trwa zwykle kilka dni.
Chociaż procedura ta została opracowana dla atomów i cząsteczek w fazie gazowej, można ją również zastosować do innych próbek, takich jak nanocząstki lub ciecze i ciała stałe. Nie zapominaj, że praca z laserami femtosekundowymi o dużej mocy może być niezwykle niebezpieczna. Obowiązkowe jest specjalne szkolenie w zakresie bezpieczeństwa.
A podczas pracy z laserami o dużej mocy zawsze noś ochronne okulary ochronne do lasera.
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje kluczowe etapy przeprowadzania i analizy eksperymentów typu pompa-sonda, łączących femtosekundowy laser optyczny z wolneelektronowym laserem, w celu badania ultraszybkich reakcji fotochemicznych w cząsteczkach w fazie gazowej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Fizyka
- Chemia
- Dynamika ultraszybka
Wprowadzenie
- Eksperymenty typu pompa-sonda są niezbędne do zrozumienia reakcji chemicznych.
- Wolne laseery elektronowe zapewniają możliwości sondowania specyficznego dla danej lokalizacji.
- Osiągnięcie nakładki przestrzennej i czasowej między wiązkami laserowymi jest kluczowe.
- Demonstracje wizualne ułatwiają zrozumienie subtelnych metod diagnostycznych.
Cel badania
- Określenie kolejności zrywania wiązań w reakcjach chemicznych.
- Analiza reorganizacji atomowej i elektronowej podczas reakcji.
- Udoskonalenie technik pomiaru procesów ultraszybkich.
Zastosowane metody
- Konfiguracja detektorów jonów i elektronów.
- Dostrojenie parametrów wiązki lasera i FEL.
- Spektroskopia czasu przelotu dla detekcji jonów.
- Systematyczne strojenie synchronizacji lasera w celu uzyskania optymalnego nakładania się wiązek.
Główne wyniki
- Skuteczne dopasowanie wiązki lasera optycznego i wiązki FEL.
- Precyzyjny pomiar stosunków jonów ksenonu w zmiennych warunkach.
- Ustalenie czasu T0 z wysoką precyzją.
- Wykazanie skuteczności tej techniki w chemii ultraszybkiej.
Wnioski
- Metoda ta dostarcza wglądu w ultraszybką dynamikę chemiczną.
- Nakładanie się przestrzenne i czasowe ma kluczowe znaczenie dla dokładności pomiarów.
- Przyszłe zastosowania mogą objąć inne złożone układy molekularne.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Femtosekundowe eksperymenty typu pompa-sonda w zakresach NIR/UV-XUV z wykorzystaniem wolnoelektronowych laserów umożliwiają bezpośrednią obserwację ultraszybkich dynamik molekularnych, co wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego na wczesnym etapie odkrywania leków. Osiągnięcie precyzyjnego nakładania się impulsów laserowych w przestrzeni i czasie jest kluczowe dla generowania wiarygodnych, specyficznych dla danej lokalizacji danych na temat przemieszczeń atomowych i elektronowych. Możliwości te stanowią podstawę do pewności predykcyjnej w walidacji celów terapeutycznych i dostarczają informacji niezbędnych do podejmowania decyzji portfelowych skorygowanych o ryzyko w badaniach i rozwoju (R&D) branży biofarmaceutycznej.
Strategiczne zastosowania w badaniach biofarmaceutycznych&D
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie ultraszybkich mechanizmów fotochemicznych z rozdzielczością atomową.
- Wspiera walidację funkcjonalną celów poprzez ujawnianie sekwencji zrywania wiązań oraz dynamiki elektronów.
- Zapewnia przejrzystość mechanistyczną, co pozwala zredukować niejednoznaczność w analizie szlaków.
- Ułatwia budowanie pewności prognostycznej przy selekcji celów molekularnych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Ustanawia zwalidowane nakładanie się czasowe i przestrzenne dla powtarzalnych pomiarów metodą pompa-sonda.
- Zapewnia ilościowe pomiary wydajności jonów dla wiarygodnych wyników analizy.
- Wspiera standaryzację procesów spektroskopii ultraszybkiej w celu przygotowania do badań przesiewowych.
- Umożliwia niezawodną analizę porównawczą fotochemicznych zmian indukowanych przez związki.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia ciągłość od wyjaśnienia mechanizmów molekularnych do wyboru modelu przedklinicznego w przypadkach, gdy dynamika ultraszybka ma znaczenie dla przebiegu choroby.
- Uspójnia wyniki eksperymentalne z opracowywaniem biomarkerów translacyjnych w wybranych kontekstach.
- Wspiera decyzje o dalszym rozwoju w oparciu o ocenę ryzyka poprzez wyjaśnienie ram czasowych odpowiedzi molekularnych.
- Usprawnia predykcyjne ograniczanie ryzyka w przypadku złożonych celów fotochemicznych lub fotobiologicznych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół wpisuje się w proces badawczy – od testowania hipotez mechanistycznych, poprzez opracowywanie testów analitycznych, aż po walidację przedkliniczną – w obszarach, w których kluczowe są ultraszybkie zdarzenia molekularne.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez poprzez obrazowanie w czasie rzeczywistym reorganizacji atomowych i elektronowych.
- Screening: Dostarcza powtarzalne, ilościowe dane dotyczące wydajności jonów do analiz porównawczych.
- Analityka: Umożliwia precyzyjny pomiar nakładania się czasowego (T0) oraz korektę drgań czasu przybycia.
- Badania translacyjne: Łączy ustalenia mechanistyczne z systemami istotnymi dla chorób w przypadkach, gdy zaangażowane są zdarzenia ultrakrótkie.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje zestandaryzowany schemat pracy, możliwy do adaptacji dla różnych typów próbek i celów molekularnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celów.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zestandaryzowane, powtarzalne i skalowalne przepływy pracy w spektroskopii ultraszybkiej.
- Wartość strategiczna: Poprawia decyzje typu go/no-go oraz efektywność kapitałową poprzez wczesne wyjaśnienie mechanizmów molekularnych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację dostosowaną do ryzyka oraz rozwój celów aktywnych fotochemicznie.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obsłudze ultraszybkich laserów oraz diagnostyce wolnoelektronowych laserów.
- Wymaga specjalistycznej aparatury do wyrównania przestrzennego i czasowego oraz do detekcji jonów.
- Konieczna jest rygorystyczna standaryzacja międzyzespołowa w celu zapewnienia powtarzalności i jakości danych.
- Metoda jest możliwa do zastosowania w przypadku próbek w fazie gazowej, nanocząstek, cieczy lub ciał stałych, przy zachowaniu odpowiednich protokołów bezpieczeństwa.
- Rozdzielczość czasowa i jakość danych zależą od precyzyjnej korekty drżenia czasu przybycia (jittera).
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Title
0:51
Establishing Spatial Overlap Between the Free-Electron Laser (FEL) Beam and the Optical Laser Beam
2:21
Initial Estimate of Temporal Overlap Between the FEL Pulses and the Optical Laser Pulses (T0)
3:59
T0 Determination for XUV and NIR Pulses Using Xenon Gas
7:37
Results: T0 Determination for FEL and NIR Pulses Using Xe or CH 3 I Time-of-Flight Traces
9:02
Conclusion
