Nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów

Ta metoda może pomóc w rozwiązaniu powszechnego problemu w badaniach ciekłych kryształów. Oznacza to, że szczytowy ruch molekularny podczas fotoodpowiedzi nie może być określony konwencjonalnymi metodami. Główną zaletą tych technik jest to, że struktura i ultraszybka dynamika fotowzbudzonego ciekłego kryształu są uzyskiwane zarówno z różnicowego widma IR, jak i różnicowych wzorów dyfrakcji elektronów.

Będę demonstrował czasowo-rozdzielczą spektroskopię wibracyjną w podczerwieni. Aby przygotować próbkę fazy roztworu do czasowo-rozdzielczej spektroskopii oscylacyjnej IR, rozpuść 0,025 milimola pi-COT w 25 mililitrach dichlorometanu, aby uzyskać roztwór o stężeniu 1 milimol na litr. Aby przygotować próbkę fazy ciekłokrystalicznej, przykryj podłoże z fluorku wapnia o grubości 3 milimetrów proszkiem pi-COT.

Umieść podłoże na gorącej płycie i rozpuść proszek w temperaturze 100 stopni Celsjusza. Wyłącz płytę grzejną i pozwól próbce ostygnąć do temperatury pokojowej. Po przygotowaniu próbki włącz laser tytanowo-szafirowy i ćwierkający wzmacniacz impulsów i pozwól im ustabilizować się termicznie.

Ustaw czas trwania impulsu na 120 femtosekund, częstotliwość powtarzania na 500 Hz, a fluencję padania na 1 milidżul na centymetr kwadratowy. Sprawdź moc i stabilność pompy UV oraz impulsy sondy średniej podczerwieni i w razie potrzeby wyrównaj ścieżki optyczne. Schłodzić detektor podczerwieni rtęciowo-kadmowo-tellurowy ciekłym azotem.

Ustaw spektrometr w jednej linii ze ścieżką optyczną i skalibruj spektrometr. Następnie zamontuj wafel silikonowy o grubości 1 milimetra na uchwycie próbki jako próbkę testową. Ustaw opóźnienie pompy-sondy na wartość dodatnią.

Zoptymalizuj nakładanie się pompy-sondy, regulując lustro kierujące wiązkę pompy do próbki, aby uzyskać maksymalne natężenie sygnału przejściowego. Skonfiguruj skanowanie, zaczynając od minus 100 pikosekund, a kończąc na 1000 pikosencji, z czasem kroku wynoszącym 5 pikosekund. Zeskanuj próbkę testową i zidentyfikuj pozycję czasową, w której zaczyna pojawiać się sygnał przejściowy lub czas zerowy.

Następnie, jeśli używasz próbki w fazie roztworu, zamontuj w przyrządzie celę przepływową z okienkami z fluorku baru i rozpocznij pompowanie próbki przez celę przepływową. W przypadku korzystania z próbki w fazie ciekłokrystalicznej, zamontuj próbkę na zmotoryzowanym stoliku, aby umożliwić ciągły ruch położenia plamki lasera na próbce, aby zminimalizować uszkodzenia wywołane laserem. Potwierdź czasową pozycję czasową czasu zerowego za pomocą próbki i ustaw czas rozpoczęcia, zakończenia i kroku.

Wybierz katalog dla pliku danych i uruchom proces pobierania danych. Najpierw wytraw i wyczyść płytkę pokrytą azotkiem silikonu, aby uzyskać podłoże z okienkami z azotku silikonu. Umieść podłoże na uchwycie wirowym tak, aby okienka z azotku silikonu były skierowane do góry.

Odwiruj podłoże roztworem pi-COT w chloroformie o stężeniu 10 miligramów na mililitr. Umieść wirowanie powlekane podłoże na płycie grzejnej i podgrzej płytę grzejną do 100 stopni Celsjusza, aby stopić pi-COT. Wyłącz płytę grzejną, gdy osiągnie 100 stopni Celsjusza i pozwól próbce ostygnąć na miejscu, aby uzyskać film ciekłokrystaliczny pi-COT.

Aby rozpocząć pomiar, zamontuj sample na uchwycie próbki przyrządu. Umieścić uchwyt próbki w komorze próżniowej i zamknąć komorę. Użyj pompy rotacyjnej, aby opróżnić komorę do mniej niż 1000 paskali lub 10 milibarów.

Następnie użyj pompy turbomolekularnej, aby opróżnić komorę pistoletu elektronowego do około 10 do minus 6 paskalów. Następnie włącz laser tytanowo-szafirowy i ćwierkający wzmacniacz impulsów i pozwól im ustabilizować się termicznie przez godzinę. Ustaw częstotliwość powtarzania na 500 herców.

Włącz agregat chłodniczy kamery CCD i schłodzić urządzenie do 10 stopni Celsjusza. Następnie włącz zasilanie elektryczne i ustaw napięcie na 75 kilowoltów. Otwórz specjalne oprogramowanie do nakładania się i ustaw czas ekspozycji na 50 milisekund.

Aby znaleźć pozycję wiązki elektronów sondy, najpierw ustaw typ początku na z-overlap, a następnie kliknij start. Po zakończeniu tego procesu wybierz opcję Y-overlap i ponownie kliknij przycisk Start. Następnie ustaw wiązkę elektronów w pozycji otworkowej uchwytu próbki i wyrównaj laser pompy ze światłem odbitym przez pompę przez otwór.

Następnie przełącz się na program dyfrakcji elektronów z rozdzielczością czasową. Ustaw typ rozruchu na czasowo-rozdzielczy, a wpływ pompy na 2 milidżule na centymetr kwadratowy. Kliknij przycisk start, aby zmierzyć pozycję zerową czasu w oparciu o nieorganiczny materiał wzorcowy zamocowany na uchwycie próbki.

Następnie włóż kubek Faradaya do ścieżki wiązki elektronów i zmierz fluencję za pomocą pikoamperomierza. Obróć filtr o neutralnej gęstości, aby dostosować fluencję wiązki elektronów do 3 pikoamperów. Dostosuj fluencję impulsów pompy do 1.67 miliwatów, obracając płytkę falową na linii belki pompy.

Następnie, w oprogramowaniu do dyfrakcji elektronów z rozdzielczą prędkością, przejdź do pozycji próbki. Ustaw czas ekspozycji kamery CCD na 1 sekundę. Ustaw typ początkowy na pojedynczy i kliknij przycisk start, aby uzyskać statyczny obraz dyfrakcji elektronów.

Następnie włącz element Peltiera w kamerze CCD i schłodzić urządzenie do minus 20 stopni Celsjusza. Gdy kamera CCD ostygnie, ustaw liczbę wzorów do zebrania na każdym kroku oraz liczbę kroków dla pomiarów z rozdzielczością czasową. Ustaw typ startu na czasowo-rozdzielczy i kliknij przycisk start, aby zebrać obrazy dyfrakcji elektronów rozdzielczej.

Po zakończeniu eksperymentu wyłącz zasilanie przyspieszające elektrony. Zbierz obraz z rozdzielczością czasową w ten sam sposób, aby uzyskać tło. Różnicowe widmo drgań IR ciekłokrystalicznej cienkiej warstwy na bazie pi-COT miało piki odpowiadające trybom rozciągania pierścieni COT i tiazolowych oraz mojadów bifenylowych, które są silnie aktywne w podczerwieni w płaskiej formie T1 pi-COT.

Zależna od czasu ewolucja szczytowej intensywności miała falę o liczbie 1338 odwrotnych centymetrów. Jest to zgodne z siodłem, aby potwierdzić płaską zmianę w ciągu 2 pikosekund. Następnie następuje relaksacja do początkowej formy siodła w ciągu 10 do 20 pikosekund dla pojedynczych cząsteczek lub 150 pikosekund dla cząsteczek ułożonych w stos

Piki dyfrakcji elektronów z fotoczułych moyad wyekstrahowano z długiego wzoru zdominowanego przez długie łańcuchy węglowe, poprzez odjęcie początkowego wzoru dyfrakcyjnego od wzoru uzyskanego 500 pikosekund po promieniowaniu impulsem UV. Piki dodatnie i ujemne wskazywały odpowiednio na powstawanie i utratę cech strukturalnych w ciągu 500 pikosekund po napromieniowaniu. Tworzenie się nowej uporządkowanej struktury rozpoczęło się około 200 pikosekund po fotowzbudzeniu, co jest zgodne z relaksacją do początkowej formy siodła w ułożonych w stos cząsteczkach.

Utrata kolejności układania pi-pi w skali czasowej 300 pikosekund została przypisana niewielkiej liczbie płaskich konformerów, o żywotności od 300 do 1000 pikosekund, skręconych w celu zminimalizowania przeszkód sterycznych. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy omówiliśmy ciekłe kryształy, które zwykle nie są badane przez czasy dyfrakcji, ponieważ nie zapewniają dobrych wzorów dyfrakcji elektronów. Nasza metodologia pozwala na identyfikację zmian we wzorcach dyfrakcji ciekłokrystalicznej, umożliwiając dostęp do ważnych informacji o strukturze i ultraszybkiej dynamice cząsteczek.

Po opanowaniu tych technik można je wykonać w pół dnia, jeśli są wykonywane prawidłowo. Techniki te mogą potencjalnie zostać wykorzystane do uzyskania odpowiedzi na dalsze pytania dotyczące struktury i ultraszybkiej dynamiki bardziej złożonych biomateriałów.