高安定を誇るフェムト秒増幅器により、生体膜と界面活性剤の2D IR分光法研究での高データ出力を実現

2D IR分光法のユニークな力

2D IR分光法は、バイズ教授のグループが研究で使用する強力なツールの1つです。 2D分光法の原理はよく知られていますが、実装するのは大抵非常に複雑になります。 従来の（1次元）赤外線吸収測定では、吸収量は単一のパラメータである赤外線周波数の関数として測定され、通常はFTIR（フーリエ変換）分光計を使用します。 各吸収ピークは、別々の分子振動に対応します。 2D IRでは、ポンプおよびプローブと呼ばれる2つの赤外線源の結果として、吸収が効果的に測定されます。 次に、データは通常、2つの周波数の2D等高線図としてプロットされます。ここでの対角線プロットは単なる線形スペクトルです。 図1に示すように、これらのデータプロットでは、信号強度を表すために疑似カラーが使用されます。 [1]

なぜでしょうか。 この非常に複雑な実験的アプローチによって、他の手段では簡単に得ることができない何かが得られるのでしょうか。 非対角のピークがあるということは、これら2つの振動が結合している、つまり、1つ以上の原子を共有しているか、ある種の化学的相互作用で密接に接続されていることを示しています。 たとえば、ピークの形状から均一および不均一な広がり成分が明らかになり、これにより分子とその周辺の環境との相互作用に関する動的情報が得られます。 また、解析とモデリングにより、データセットからその他のより微細な情報も抽出することができます。 

データは周波数領域でプロットされていますが、図1に模式的に示すように、現在ほとんどの2D分光法はウルトラファーストレーザパルスを使用して時間領域で実行されます。試料は、対象となるすべての周波数を含む2つの広帯域フェムト秒ポンプパルスによって励起されます。 その後、2つのポンプパルスの間の遅延が繰り返しスキャンされ、その結果得られるプローブパルスへの影響が周波数領域にフーリエ変換されます。 （これは、FT-NMRの実行方法と概念的に似ています）。 プローブパルスは、対象となるすべての周波数を含む広帯域フェムト秒パルスでもあります。 試料通過後、プローブパルスはモノクロメーターに分散され、プローブ周波数軸が直接取得されます。 スペクトルはレーザパルスを使用して記録されるため、ポンプとプローブ間の遅延を制御して、これらすべての効果の時間的な挙動（可干渉時間など）を示すこともできます。

複数の機能を備えた堅牢な実験システム

バイズ教授は次のように述べています。「2D IRは、脂質膜の水素結合のダイナミクスを調べるための優れた手法であることが十分に証明されています。 親水性 / 疎水性の違いによって界面が定義され、界面ではバルクと比較して水素結合のダイナミクスが大きく乱されます」。バイズ教授は、2D IRのもう1つの利点はカルボニル（C=O）伸縮振動から得られる比較的強い信号である、と付け加えます。 一般的な脂質の大部分は、水との水素結合に重要な役割を果たすカルボニル基を持っているため、さまざまな不均一な系にある脂質を対象とする教授の研究と非常によくマッチします。 [2-3]

2D IR装置のレーザ光源は、調整可能な光パラメトリック増幅器（NDFGを備えたCoherent TOPAS Prime）と組み合わせたCoherent Astrellaです。 Astrellaは、中心波長が800 nm付近で100 fsのパルスを発生するユニークなワンボックス増幅器です。 OPA/NDFG構成により、中赤外全域でチューニング可能なパルスが生成されます。 バイズ教授の構成では通常、脂質やタンパク質のカルボニル伸縮振動にマッチするように、1750～1580 cm-1の周波数に相当する5.7～6.2ミクロンの中心波長に調整されます。 100 fsのパルス幅は、同じ測定中に脂質のエステルカルボニルとタンパク質のアミドカルボニルをプローブするのに十分なスペクトルの範囲を提供します。

同時空間分解能および時間分解能による温度計測

図2はバイズ教授の研究室で使用されている2D IR装置の主な要素を模式的に示したものです。 ウルトラファースト2D IR実験の初期には、特注の機器を使用して個別のパルスを生成していました。 各パルスは異なるビーム経路で生成されたため、干渉計の品質に適合するようにすべてのビームを試料上に重ねるには、配置の点で大きな問題がありました。 現在、バイズ教授のような研究者たちは、市販のパルス整形器（PhaseTech Spectroscopy Inc.のQuickshape）を使用して間隔の狭い励起パルスを生成しています。さらに、すべてのパルスを単一の同一線上のビーム経路で生成して、実験を大幅に簡素化しています。

Coherent Astrella信号遅延ジェネレーター（SDG Elite）の高度な電子パルス遅延機能は、過渡2D IR分光法などのより高度な実験に役立ちます。 このモードでは、追加のUVレーザを使用して化学反応を光トリガーし、2D IRを介して追跡します。 [4]従来の「ポンププローブ」方式と同様、この実装は「UVポンプ2D IRプローブ」と考えることができます。 図2に示すように、SDG Eliteの複数の出力は光学装置のさまざまなコンポーネントを同期するために使用されます。

バイズ教授、運用の簡素化により研究室へのパンデミックの影響を最小限に低減

2D IR装置は、バイズ教授の研究室で複数の学生や博士研究員が共有するリソースとして使われているため、Astrellaの長期的な信頼性とシンプルな操作性は、出力の安定性と同じほど重要な要素となります。 バイズ教授は、次のように説明しています。「学生は、通常2週間の時間ブロックで独占して機器を使用できるよう割り当てられます。 このスケジューリングが円滑かつ公平に行われるためには、信頼性の高いオンデマンド性能が必要になります。 私たちはAstrellaでそれを実現しています。 実際、24時間365日レーザを稼働させたままにして、実質的に忘れてしまうほどにするのが最適なソリューションであると分かっています。 また、サービス契約も充実していて、レーザに問題が発生するというまれなケースがあっても、ほぼすぐに復旧できます」。バイズ教授は、Astrellaの簡単な操作性により（「本当にただの光源です」と言っています）、学生たちがレーザに注意を払うことなく実験に全力を注げるようになったと述べています。 これは2020年のコロナウイルス感染症によるパンデミック規制の際、研究室の生産性の点で特に重要になりました。 同教授は次のように言っています。「大学側の規制により、私たちの研究室では1度に1人しか作業できませんでした。 そのため、ウルトラファーストレーザ増幅器の使用経験がほとんどない学部学生は、直接の支援や監督なしで作業をしなければなりませんでした。 しかし、この人員規制は、今のところ私たちの研究室の生産性を全く落としていません。2020年だけで10件の論文が提出されました」。