Анизотропная терагерцовая микроспектроскопия

Анизотропная терагерцевая микроспектроскопия измеряет пространственную ориентационную зависимость молекулярных колебаний в анизотропных материалах с использованием вращающегося поляризованного ТГц электрического поля.

Анизотропная терагерцовая микроспектроскопия ( АТМ ) — это спектроскопический метод, при котором молекулярные колебания в анизотропном материале исследуются с помощью коротких импульсов терагерцового излучения, электрическое поле которого линейно поляризовано параллельно поверхности материала. Этот метод был продемонстрирован в исследованиях с использованием монокристаллов сахарозы, фруктозы, щавелевой кислоты и молекулярных кристаллов белка , в которых интерес представляет пространственная ориентация молекулярных колебаний.

Объяснение

Когда электрическое поле распространяющегося луча света колеблется в направлении, перпендикулярном направлению его распространения, говорят, что это поляризованная поперечная волна . Свет с электрическим полем, ограниченным определенным углом в поперечной плоскости, называется линейно поляризованным. Когда линейно поляризованный свет передается через изотропный материал — материал, который демонстрирует одинаковые физические свойства во всех пространственных направлениях, — количество света, поглощаемого материалом, одинаково при измерении для всех углов поляризованного света. Полученный спектр поглощения не имеет особенностей в зависимости от угла поляризации.

Материал, который считается анизотропным, проявляет разные физические свойства, такие как поглощение, показатель преломления, проводимость и т. д., в разных пространственных направлениях. Таким образом, когда линейно поляризованный луч света проходит через анизотропный материал и измеряется для разных углов поляризации, поглощение света различно для разных углов поляризации. Результирующий спектр поглощения демонстрирует различные степени поглощения, которые соответствуют степени анизотропии материала.

Когда поляризованный пучок ТГц света проходит через анизотропный материал, результирующий спектр поглощения демонстрирует различные степени поглощения, которые соответствуют анизотропии материала. Если измерения проводятся на разных частотах ТГц спектра (примерно от 0,3 до 3 ТГц) при определенном угле поляризации ТГц, результирующий спектр поглощения также может меняться в зависимости от частоты. Это происходит потому, что колебательные моды молекул в материале поглощают свет на разных частотах. Например, в белковых молекулах многие из этих колебательных мод колеблются в диапазоне терагерцовых частот. Когда молекулы в материале расположены в одной и той же ориентации, внутренние колебательные свойства молекул можно идентифицировать с помощью анизотропной терагерцовой микроспектроскопии (АТМ). Такое молекулярное выравнивание обнаружено в монокристаллах сахарозы , фруктозы, щавелевой кислоты и других молекулярных кристаллах, таких как кристаллы белка .

Техники

На сегодняшний день в методах АТМ используется ТГц-спектроскопия во временной области (THz-TDS) из-за исторической нехватки мощных ТГц источников и высокочувствительных ТГц детекторов, работающих при комнатной температуре. Многие представляющие интерес образцы содержат большое количество воды, которая сильно поглощает ТГц излучение, поэтому требуется очень мощный ТГц источник. Это требование усугубляется при попытке использовать высокочувствительные ТГц детекторы, которые обычно требуют переохлаждения до температур жидкого гелия. Хуже того, необходимость переохлаждения этих детекторов сделала терагерцевое обнаружение недоступным для многих исследователей во всем мире из-за недавнего резкого роста цен на жидкий гелий из-за его дефицита.

Чтобы обойти препятствия обнаружения ТГц, используется TГц-TDS, поскольку для него требуются общедоступные инфракрасные детекторы, чувствительные в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра — чаще всего около длины волны 800 нм. В этом случае электрооптический (ЭО) кристалл, такой как нитрид галлия (GaN), теллурид цинка (ZnTe), обычно используется для обнаружения изменений в ТГц свете после его прохождения через образец. Изменяются поляризационные свойства синхронизированного инфракрасного луча света, проходящего через кристалл ЭО. Это изменение поляризации обнаруживается инфракрасным детектором, называемым сбалансированным детектором , который сравнивает величину двух перпендикулярных компонент поляризации инфракрасного луча.

До тех пор, пока не будут созданы более мощные ТГц источники, обеспечивающие широкий диапазон частот, и более чувствительные ТГц детекторы при комнатной температуре, ТГц-TDS останется надежным методом для ATM.

Методы ТГц-TDS, используемые в ATM, можно разделить на две категории: вращающаяся выборка и стационарная выборка. Исторически сложилось так, что первый метод включал вращение образца в фокусе ТГц луча, в то время как детектор располагался далеко от образца в дальней зоне . Однако по многим механическим причинам предпочтительным является метод стационарного образца. В АТМ со стационарным образцом поляризованный ТГц луч вращается на 360° в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча, и обычно используется схема обнаружения в ближнем поле, в которой образец устанавливается в прямом контакте с кристаллом ЭО, который впоследствии анализируется инфракрасным лучом в конфигурации ТГц-TDS.

Повернутый банкомат для проб

Оригинальные методы ATM включают вращение образца в фокусе линейно поляризованного ТГц луча с использованием механически вращаемого держателя образца. По этой причине конфигурация обычно представляет собой прибор дальнего поля, в котором сбалансированный детектор (чувствительный к инфракрасному свету) расположен на значительном расстоянии от образца. В конфигурации терагерцовой спектроскопии во временной области как инфракрасные, так и ТГц лучи передаются через электрооптический (ЭО) кристалл, такой как ZnTe или GaP. Здесь инфракрасный луч обнаруживает изменение двойного лучепреломления кристалла ЭО под действием ТГц луча. Когда образец помещается в ТГц луч, поляризованный ТГц луч возмущается, и результирующая степень двойного лучепреломления в кристалле ЭО изменяется. Возникающее в результате возмущение инфракрасного луча регистрируется балансным детектором.

Система анизотропной терагерцовой микроспектроскопии (АТМ) в дальнем поле, использующая конфигурацию терагерцовой спектроскопии во временной области (THz-TDS). Диаграмма создана с использованием библиотеки оптики.

Банкомат для вращающихся образцов очень удобен для больших образцов (от 0,1 до 1 см). Однако при измерении таких образцов, как кристаллы белка, которые необходимо изолировать, например, внутри гидратационной камеры, образец нелегко вращать. Кроме того, сложно поддерживать одно и то же положение повернутого образца в точной фокальной точке ТГц луча.

Дизайн инструмента

Банкомат, спроектированный с вращающимся образцом, обычно представляет собой конфигурацию измерения в дальней зоне, использующую стратегию спектроскопии во временной области.

Обычно используется мощный инфракрасный лазер. Его луч разделяется светоделителем на два оптических пути: зондирующий луч и луч ТГц генерации.

Луч генерации ТГц обычно получает большую долю мощности ближнего ИК-диапазона, чтобы максимизировать мощность ТГц света, обычно генерируемого фотопроводящей антенной с импульсным напряжением. Генерируемый ТГц свет собирается через гиперполусферическую кремниевую линзу и передается на внеосевое параболическое зеркало, которое коллимирует ТГц луч для поляризации с помощью ТГц поляризатора, который часто состоит из простой проволочной сетки . Затем линейно поляризованный ТГц луч фокусируется на образец вторым внеосевым параболическим зеркалом. ТГц луч, прошедший через образец, снова собирается третьим внеосевым параболическим зеркалом, коллимируется на четвертое параболическое зеркало, которое затем фокусирует луч на электрооптический (ЭО) кристалл, двойное лучепреломление которого нарушается силой ТГц луча. .

Пробный луч БИК-диапазона проходит через кристалл ЭО для определения степени индуцированного двулучепреломления, вызванного ТГц лучом, и передается в модуль обнаружения, который часто состоит из четвертьволновой пластины БИК-диапазона, призмы Волластона, которая пространственно разделяет ортогональные состояния поляризации зонда. луч на два оптических пути, которые индивидуально обнаруживаются балансным детектором. Результирующий сигнал, сообщаемый сбалансированным детектором, является мерой разницы в величине этих двух ортогональных компонентов зондирующего луча БИК-диапазона и, следовательно, прямой корреляции степени двойного лучепреломления, индуцированного в кристалле ЭО ТГц лучом, прошедшим через образец.

Стационарный банкомат для проб

Ранее называвшийся «идеальным банкоматом» и «банкоматом с изменяющейся поляризацией». ATM стационарного образца (SSATM) включает вращение линейно поляризованного состояния ТГц луча в конфигурации спектроскопии во временной области (TDS) параллельно опрашиваемому образцу материала. В конфигурации SSATM поляризация ТГц луча поворачивается на 360° в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча. Измерения анизотропии образца производятся при нескольких углах поляризации ТГц.

Было продемонстрировано по крайней мере два метода достижения вращения ТГц поляризации для SSATM: 1) с использованием четвертьволновой ТГц пластинки (THz-QWP) вместе с инфракрасным поляризатором. и 2) путем вращения фотопроводящей антенны.

В случае использования ТГц-КВП и инфракрасного поляризатора величина измеряемого сигнала ${\rm {Sig}}(\tau ,\alpha _{\rm {THz}},\phi _{\rm {NIR}})$, где $\tau$ - это временная задержка между генерацией ТГц и обнаруженными импульсами в системе ТГц-TDS, зависящая от относительного угла поляризации ТГц света, $\alpha _{\rm {THz}}$ и угол поляризации сверхбыстрого зондирующего луча ближнего инфракрасного диапазона (NIR), $\phi _{\rm {NIR}}$, на выборке по соотношению $${\rm {Sig}}(\tau ,\alpha _{\rm {THz}},\phi _{\rm {NIR}})\propto \left|\left[\cos(\alpha _{\rm {THz}})\sin(2\phi _{\rm {NIR}})+2\sin(\alpha _{\rm {THz}})\cos(2\phi _{\rm {NIR}})\right]\right|.$$Цель состоит в том, чтобы поддерживать одинаковую величину ТГц электрического поля на образце для всех углов измерения. $\alpha _{\rm {THz}}$. Это требует корректировки $\phi _{\rm {NIR}}$ для каждого $\alpha _{\rm {THz}}$.

Система анизотропной терагерцовой микроспектроскопии (АТМ) в дальнем поле, использующая конфигурацию терагерцовой спектроскопии во временной области (THz-TDS). Диаграмма создана с использованием библиотеки оптики.

Дизайн инструмента

Прибор SSATM обычно разрабатывается в конфигурации спектроскопии во временной области, в которой луч мощного инфракрасного лазера разделяется на два оптических пути с помощью светоделителя.

Первый оптический путь часто получает большую часть оптической мощности лазера, чтобы максимизировать выходную мощность генерируемого ТГц света. ТГц свет часто генерируется с помощью фотопроводящей антенны с импульсным напряжением, собираемой гиперполусферической кремниевой линзой, коллимируемой с помощью внеосевого параболического зеркала, которое затем проходит через ТГц поляризатор, сделанный круговым с помощью четвертьволновой ТГц пластинки, состоящей из двух плоских зеркала и прямоугольная кремниевая призма с высоким удельным сопротивлением для формирования циркулярно поляризованного света. Второй ТГц поляризатор выбирает из ТГц света с круговой поляризацией угол, под которым проводится каждое измерение, когда свет достигает образца, расположенного в фокусе луча и установленного в непосредственном контакте с электрооптическим кристаллом, часто изготовленным либо из ZnTe, либо из ZnTe или ZnTe. Зазор.

Второй оптический путь включает в себя ретрорефлекторное зеркало, установленное на ступени задержки, которое регулирует время прохождения ближнего ИК-луча в соответствии со временем задержки. $\tau$, ТГц света на образце. БИК-луч линейно поляризован и прерывается на частоте, подходящей для обнаружения, и направляется на кристалл ЭО для измерения изменения его двулучепреломления в зависимости от степени ТГц поглощения образцом. Луч БИК отражается от границы раздела образец/кристалл ЭО и направляется на модуль обнаружения, который часто состоит из четвертьволновой пластины БИК, призмы Волластона, которая пространственно выбирает состояния перпендикулярной поляризации света в направлении двух детекторов в балансном детекторе. Обнаруженный сигнал является мерой разницы величин двух состояний перпендикулярной поляризации и соответствует степени двойного лучепреломления, индуцированного в кристалле ЭО ТГц светом, возмущенным образцом.

Четвертьволновая пластинка ТГц

Одна из стратегий обеспечения полного вращения ТГц поляризации с одинаковой величиной электрического поля на образце на 360° состоит в том, чтобы создать круговое состояние поляризации, а затем выбрать определенные состояния линейной поляризации из циркулярно поляризованного луча с помощью ТГц поляризатора.

Состояние круговой поляризации может быть создано четвертьволновой пластинкой, однако обычные оптические волновые пластинки обычно предназначены для видимой, ближней и средней инфракрасной областей электромагнитного спектра. Четвертьволновая пластина, предназначенная для использования в ТГц диапазоне частот, состоит из прямоугольной кремниевой призмы вместе с плоскими зеркалами с металлическим покрытием в качестве входа/выхода. В частности, кремниевая призма действует аналогично ромбу Френеля с единственным полным внутренним отражением на длинной грани призмы и представляет собой пассивный широкополосный компонент, который обеспечивает широкую развертку частоты во время измерений.

Система анизотропной терагерцовой микроспектроскопии (АТМ) в дальнем поле, использующая конфигурацию терагерцовой спектроскопии во временной области (THz-TDS). Диаграмма создана с использованием библиотеки оптики.

Преимущества

Несколько преимуществ АТМ перед другими родственными методами микроспектроскопии включают ориентацию ТГц электрического поля на образце и возможность легко измерять материалы, чувствительные к условиям окружающей среды, таким как гидратация, криоохлаждение и вакуумирование.

Ориентация ТГц поляризации на образце

Ключевой характеристикой АТМ является ориентация поляризованного электрического поля ТГц света на образце. В частности, в отличие от других методов микроспектроскопии, таких как рассеивающая сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (s-SNOM), электрическое поле опрашивающего ТГц поля параллельно поверхности образца. В s-SNOM форма колеблющегося металлического наконечника зонда направляет ТГц поляризацию в направлении, преимущественно перпендикулярном поверхности образца.

Экологически чувствительные материалы проб

Живые организмы обычно состоят из большого количества воды. Многие представляющие интерес анизотропные материалы имеют биологическую природу и поэтому требуют гидратации во время спектроскопических измерений. Хотя недавно сообщалось о некоторых ограниченных новых методах измерения свойств материалов внутри камеры с гидратированными образцами, основным требованием к конструкции банкомата является то, чтобы материал был доступен через окно, прозрачное для ТГц света, такое как кварц. Аналогично, образцы, требующие криоохлаждения или вакуума низкого давления, легко исследуются в банкомате с использованием прозрачных для ТГц материалов оконных материалов.

Приложения

Анизотропная терагерцовая микроспектроскопия (АТМ) нашла применение в структурной биологии и молекулярном дактилоскопировании ДНК и белков. Этот метод также подходит для открытия лекарств и изучения ТГц частотных свойств тонкопленочных твердотельных материалов.

Особое внимание уделено молекулярным движениям в белках , где многие структурные изменения происходят на частотах терагерцового диапазона спектра (от 0,3 до 3 ТГц). Эти структурные изменения включают в себя шарнирные движения , при которых две области молекул соединяются вместе гибкой молекулярной структурой, которая изгибается, как механический шарнир или колено . АТМ обладает уникальной способностью измерять пространственное направление, в котором происходят шарнирные движения, благодаря использованию линейно поляризованных электрических полей.

Динамика белка

АТМ уникально подходит для измерения резонансных молекулярных колебаний в белках. Молекулярные движения в белках происходят на частотах терагерцового диапазона спектра (от 0,3 до 3 ТГц). Эти структурные изменения включают в себя шарнирные движения, при которых две области молекул соединяются вместе гибким образом, изгибающимся, как механический шарнир или сустав , а также другие конформационные изменения, которые происходят внутри систем белковых молекул.

Молекулы белка обычно окружены молекулами воды и расположены в случайной ориентации. По этой причине белковые молекулы обычно располагают в кристаллической форме так, чтобы их ориентация была одинаковой. В частности, в кристалле белка диполь всех молекул белка естественным образом выровнен. Это позволяет нам проводить микроспектроскопию с поляризованным ТГц светом и устанавливать пространственную ориентацию колебаний внутри молекул.