매우 안정적인 펨토초 증폭기로 생체 막 및 계면활성제에 대한 2D IR 분광 연구에서 높은 데이터 출력 가능

2D IR 분광학의 고유한 능력

2D IR 분광학은 Baiz 교수 연구진이 연구에 사용하는 몇 가지 강력한 도구 중 하나입니다. 2D 분광학의 원리는 잘 알려져 있지만 구현은 매우 복잡한 경우가 많습니다. 기존(1차원) 적외선 흡수 측정에서 흡수량은 일반적으로 FTIR(푸리에 변환) 분광계를 사용하여 단일 매개변수인 적외선 주파수의 함수로 측정됩니다. 각 흡수 피크는 서로 다른 분자 진동에 해당합니다. 2D IR에서 흡수는 펌프와 프로브라고 하는 두 가지 적외선 소스의 결과로 효과적으로 측정됩니다. 그런 다음 데이터는 일반적으로 두 주파수에서 2D 등고선 지도로 표시되며, 여기서 대각선 플롯은 선형 스펙트럼일 뿐입니다. 그림 1과 같이 이러한 데이터 플롯에서 신호 강도를 나타내는 데 가색이 사용됩니다. [1]

이유가 무엇일까요? 다소 복잡한 실험적 접근 방식으로 제공되며 다른 방법으로는 쉽게 얻을 수 없는 것은 무엇일까요? 비대각선 피크의 존재는 이 두 진동이 결합되어 하나 이상의 원자를 공유하거나 일부 유형의 화학적 상호 작용으로 밀접하게 연결되어 있음을 나타냅니다. 예를 들어 피크의 모양은 균일 및 불균일 확장 구성 요소를 나타내며, 이는 차례로 분자와 주변 환경의 상호 작용에 대한 동적 정보를 제공합니다. 다른 미묘한 정보도 분석 및 모델링을 통해 데이터 세트에서 추출할 수 있습니다. 

데이터는 주파수 영역에 표시되지만 오늘날 대부분의 2D 분광학은 그림 1에 개략적으로 표시된 바와 같이 초고속 레이저 펄스를 사용하여 시간 영역에서 수행됩니다. 샘플은 모든 관심 주파수를 포함하는 두 개의 광대역 펨토초 펌프 펄스에 의해 여기됩니다. 그런 다음 두 펌프 펄스 사이의 지연이 반복적으로 스캔되고 프로브 펄스에 미치는 결과적인 영향은 주파수 영역으로 푸리에 변환됩니다. (FT-NMR이 수행되는 방식과 개념적으로 유사합니다). 프로브 펄스는 모든 관심 주파수를 포함하는 광대역 펨토초 펄스이기도 합니다. 이는 샘플을 통과한 후 모노크로메이터에 분산되어 프로브 주파수 축을 직접 얻습니다. 스펙트럼은 레이저 펄스를 사용하여 기록되므로 펌프와 프로브 사이의 지연을 제어하여 이러한 모든 효과의 시간적 동작(예: 가간섭성 시간)을 표시할 수도 있습니다.

다양한 기능을 갖춘 강력한 실험 시스템

Baiz는 다음과 같이 말합니다. "2D IR은 지질막 내 수소 결합의 역학을 조사하는 훌륭한 방법임이 제대로 입증되었습니다. 친수성/소수성의 차이는 계면을 정의하는 것이며, 수소 결합 역학은 벌크에 비해 계면에서 크게 파괴됩니다." Baiz는 그의 연구에서 나타나는 2D IR의 또 다른 이점은 카르보닐(C=O) 스트레칭 진동으로부터 얻을 수 있는 상대적으로 강한 신호라고 덧붙입니다. 대부분의 일반적인 지질에는 물과 수소 결합에 주요 참여자인 이러한 카르보닐기가 있기 때문에 다양한 이질적인 조합체에서 지질을 대상으로 하는 그의 연구에 매우 적합합니다. [2-3]

2D IR 설정의 레이저 소스는 조정 가능한 광 매개변수 증폭기(NDFG를 사용하는 Coherent TOPAS Prime)와 함께 사용되는 Coherent Astrella입니다. Astrella는 약 800nm의 중심 파장에서 100fs 펄스를 생성하는 고유한 원박스 증폭기입니다. OPA/NDFG 설정은 전체 중적외선에 걸쳐 조정 가능한 펄스를 생성합니다. 일반적으로 지질과 단백질의 카르보닐 스트레칭 진동과 일치시키기 위해 Baiz 설정에서 1,750~1,580cm-1의 주파수에 해당하는 5.7~6.2미크론 사이의 중심 파장으로 조정됩니다. 100fs 펄스 폭은 동일한 측정에서 지질 에스테르 카르보닐 및 단백질 아미드 카르보닐을 조사하기에 충분한 스펙트럼 범위를 제공합니다.

동시 공간 및 시간 분해능을 통한 온도 측정

그림 2는 Baiz 연구실에서 사용되는 2D IR 설정의 주요 요소를 개략적으로 보여 줍니다. 초고속 2D IR 실험 초기에는 맞춤형 장비를 사용하여 별도의 펄스를 생성했습니다. 이 펄스는 다른 빔 경로에서 생성되어 간섭 측정 품질로 샘플의 모든 빔을 겹치게 하는 중대한 정렬 문제가 발생합니다. 오늘날 Baiz와 같은 연구원들은 상용 펄스 성형기(PhaseTech Spectroscopy Inc.의 Quickshape)를 사용하여 밀접하게 간격을 둔 여기 펄스를 생성하고 모든 펄스가 단일 공선 빔 경로에서 생성되어 실험이 매우 단순화됩니다.

Coherent Astrella 신호 지연 발생기(SDG Elite)의 고급 전자 펄스 지연 기능은 과도 2D IR 분광학과 같은 일부 고급 실험에 유용합니다. 이 모드에서는 추가 UV 레이저를 사용하여 화학 반응을 광트리거한 다음 2D IR을 통해 추적합니다. [4] 이 구현은 기존의 "펌프-프로브" 방법과 유사하게 "UV-펌프-2D IR 프로브"로 생각할 수 있습니다. SDG Elite의 다중 출력은 그림 2와 같이 광학 설정의 다양한 구성 요소를 동기화하는 데 사용됩니다.

Baiz 연구실에서 운영 단순성으로 팬데믹 영향 최소화

2D IR 설정은 Baiz 연구실의 여러 학생 및 박사 후 연구원이 공유 리소스로 사용하므로 Astrella의 장기적인 안정성과 간단한 작동은 출력 안정성만큼 중요합니다. Baiz는 다음과 같이 설명합니다. "학생들은 일반적으로 2주의 기간 동안 독점 사용 시간이 할당됩니다. 이 일정이 원활하고 공정하게 작동하려면 신뢰할 수 있는 주문형 성능이 필요합니다. 이를 Astrella에서 얻습니다. 사실 가장 좋은 해결책은 레이저를 24시간 연중무휴로 계속 작동시키고 본질적으로 잊어버리는 것입니다. 또한 레이저 문제가 있는 드문 경우에 거의 즉시 백업을 받을 수 있는 훌륭한 서비스 계약이 있음을 덧붙이고 싶습니다." Baiz는 Astrella의 작동 용이성("정말 단순한 광원") 덕분에 항상 학생들이 모든 에너지를 레이저가 아닌 실험에 집중할 수 있었다고 말합니다. 그러나 이는 코로나로 인한 2020년 팬데믹 제한 기간 동안 실험실 생산성에 특히 중요했습니다. 그는 다음과 같이 말합니다. "대학교의 제한 조치로 한 번에 한 사람만 우리 연구실에서 일할 수 있었습니다. 따라서 초고속 레이저 증폭기를 사용한 경험이 거의 없는 3학년 학생들은 직접적인 도움이나 감독 없이 작업해야 했습니다. 그러나 이러한 인력 제한으로 인해 2020년에만 10개의 논문이 제출되어 실험실 생산성이 전혀 저하되지 않았습니다."