短暂的前沿

穿着绿色的防护眼镜,苏珊·奎因和迈克Towrie微调几乎不可思议地短暂一生的激光系统安置在黑柜周围蜿蜒。在公开内阁在奎因面前,迅速晶体光学细胞含有橙色圈,像一个小,所有的椅子摩天轮快进。使用螺丝刀,奎因扭转细胞的位置的激光晶体合理对齐。Towrie同行在屏幕显示行扭动的红外吸收光谱,点击按钮改变激光脉冲来袭时晶体。

奎因,从爱尔兰都柏林大学,想要了解更多关于第一个步骤引起的DNA损伤光。知识是有价值的,因为它有助于更好地了解太阳紫外线(UV)辐射会使人类DNA突变,引起癌症,例如。她参观了卢瑟福阿普尔顿实验室(、)在德,英国,Towrie领导中央研究超快激光设备群化学过程。Towrie帮助奎因和她的同事研究DNA晶体,橙色源于钌配合物的束缚。奎因,屏幕上的线是一个科学‘哇’的时刻——他们代表快照持久的皮秒,仅仅10秒(10 - 12)。

对激光爆炸的关键科学大国看到事件的科学家使用远远超出人类能力感知的。第一次爆炸,称为泵,激发分子或触发反应,第二,称为调查,收集信息后一个小时间流逝。在文化、和数以百计的其他世界各地的实验室,pump-probe光谱使用各种波长深入收集信息最快的化学过程。然而,推动的极限的方法可以知道,进入新的领域的实际挑战。

Pump-probe方法建立在已有的光谱技术,解释道Marc Vrakking在马克斯出生于非线性光学研究所主任和短脉冲光谱在柏林,德国。然而他们解决问题非常不同。过去,大多数研究准备分子化学反应之前,然后后来详细看产品,“Vrakking说。这有点像看到车祸:你所看到的在人行道上不一定告诉你这次事故真的发生。最pump-probe实验更像是完全复制,车祸,拍摄快照在不同阶段的过程。编译这些快照有效地创建一个动画电影。

Vrakking改变车道从传统光谱pump-probe实验在1994年,一个策略通过激光技术的进步使之前不久。激光产生持久的飞秒(fs)——飞秒脉冲在10 - 15 -仍非常昂贵和难以使用,因此相对较少组参与,他说。但是今天,有友好的titanium-doped蓝宝石激光发射近红外(NIR) 680 - 1080 nm飞秒光脉冲和使用光参量放大器(赞助)来提高他们的能力和改变产生的波长。“他们不便宜,但他们已经成为负担得起的对许多人来说,“Vrakking补充道。

TRMPS上来

、一生的系统对飞秒激光和赞助方的时间分辨多个探测器光谱(TRMPS)。300 fs泵发生爆炸后,TRMPS一系列持续的调查开始,直接记录连续光谱,如个别帧的电影。连续性是特别有用,奎因的同事解释说约翰·凯利从都柏林三一学院,因为在过去记录的数据在不同的时间尺度从毫秒到飞秒需要单独的工具。不仅意味着多个实验必须独立运行,他们经常在多个国家进行的,将后勤挑战。的螺栓在一起很强硬,但寿命提供了一个无缝的,”凯利说。

前面的屏幕Towrie显示平均的100000红外光谱。紫外线泵爆炸的能量吸收DNA晶体,把它变成一个临时激发态的一生可以通过红外探测器被监控。Towrie改变泵之间的延迟和第一个探针2 ps 100 ps,和激发态的信号变得越来越小,就消失了。

而详细的分析之后,会发生直视光谱有助于避免问题像这样的样品,Towrie解释道。产生足够强的信号,pump-probe实验必须使用高激光权力风险破坏材料被调查。我工作的一个主要部分是设计一个世界领先的仪器,让尽可能多的信息的这个小价值的样本苏珊不带泪的眼睛,“Towrie说。像摩天轮装置是一个令人惊讶的低技术含量的解决这个问题,旋转暴露不同的激光晶体。“停止样品煎是很重要的,当脉冲来对他们不重复相同的部分,”奎因解释道。在短时间尺度比微秒晶体移动泵和探针之间的距离可以忽略不计,确保兴奋分子的测量,在他们继续前进。

交付femtosecond-level同步激光脉冲之间涉及精密电子产品,但最终控制奎因和Towrie利用水平又相对简单。灰色铝板与镜子安装在连接到一个折叠起来履带。Towrie变化探测延迟的纳秒(ns)——也就是说,1000000000秒。履带的让自己躺平,滑动板和镜子的另一端内阁。因为光在纳秒30厘米,改变激光源和样品之间的距离提供了简单的定时控制。飞秒精度你必须移动零点几微米,“Towrie补充道。'我们可以1 fs步骤很容易。”

看到DNA激发态消失在皮秒Towrie的屏幕上是显著的,强调凯利。这是因为有机分子的激发态通常会持续更长时间,纳秒。感谢克里斯汀·卡丹和詹姆斯•霍尔来自英国雷丁大学的,他们已经能够将这样的见解与x射线晶体学数据。收集在隔壁大楼的钻石同步加速器一生,激发态的晶体结构发现形式。电子转移的钌复杂DNA在特定残鸟嘌呤碱,只是第一步,可以继续一个氧化反应。¹“鸟嘌呤氧化导致base -突变的性质的变化,从本质上讲,”凯利说。在人类细胞中,类似的突变可能是癌症的第一步。

傅里叶公园公共汽车

尽管研究人员正在寻找尽可能多的信息,他们可以得到这样的过程,一种权衡进场看短时间尺度时,凯利说。化学过程的持续时间,其吸收的“带宽”——电磁波谱的片的大小,它包含,由傅里叶变换有关。这意味着进程越快,更广泛的吸收,和难挑出光谱特征。betway必威游戏下载大全当你谈判了几个飞秒你在真正的麻烦,”凯利说。奎因表示,这“公园公共汽车”,为获取化学信息创造的一大障碍。

然而,这种效应的另一个表现是必不可少的文化、红外pump-probe仪器,因为跨度短脉冲激光波长范围。激光本质上是一个稳定的宽带红外光源的光谱,”Towrie解释道。这是他们的一个关键优势。

效应允许科学家一个豪华的观察窗,可以捕获多个部分的功能结构分析,奎因解释道。betway必威游戏下载大全“你可以看到,如果能量从一个到另一个分子的一部分,”她激动地说。”这是非常有用的,如果你试图理解分子如何应对光能量在最基本的水平。它有助于加载不同的应用程序。的激光系统、Ultracr设施——一生被一站利用研究从基本化学反应之间的氢和氰化物激进,半导体和催化剂。

互补的光谱

方法使用探测脉冲的生成不仅从紫外到中地区包括时间分辨荧光、瞬态电子吸收,时间分辨红外光谱和二维红外,拉曼散射。DNA研究集中在红外探测技术,因为他们提供最详细的关于有机分子。也有很多的其他pump-probe技术提供的信息之间的能量是如何将电子和分子内振动状态,Towrie补充道。所有这些技术是互补的。没有人给你所有的答案。”

海伦·菲尔丁来自英国伦敦大学学院探索电子在分子的动力学兴奋紫外激光脉冲泵。她的团队使用第二个紫外脉冲作为探针,进行飞秒时间分辨光电子能谱,从电子收集数据排放引发的探测脉冲。发出的光电子的动能为我们提供了信息电子和核激发态动力学,”菲尔丁解释道。”他们的光电子角分布可以为我们提供额外的信息我们是电离的电子态。

以这种方式UCL小组探讨了苯胺的光化学,许多生物分子结构中,特别是其激发态如何放松。²菲尔丁和她的同事Jan Verlet来自英国杜伦大学,也研究了绿色荧光蛋白(GFP)的发色团,一种广泛使用的生物标签,在令人印象深刻的细节。他们发现后激发的发色团振动迅速约100 fs。接下来的330 fs债券旋转,然后分子需要另一个1.4 ps回到基态。³

菲尔丁回声Towrie断言不同技术是互补的,他们生产和强调数据的相关性。的在一起,他们提供了一个更完整的画卷分子的光敏反应用于研究,”她解释说。的直接受益者是其他科学家在类似领域的工作。然而,理解分子的光敏反应和复杂系统在微观尺度上是很重要的在各种不同的光收获和治疗过程在本质上和技术纳米机器和电子设备。

统治者无穷小的时间和空间

Vrakking,与此同时,正在努力看到过程发生更加迅速。当我泵激光开始反应,原子开始改变他们的立场,但这不是开始的第一件事,”他解释说。”有一个非常快速耦合电子自由度和核的自由度。“探索这个原因,他正在推动他的泵浦脉冲的持续时间短到令人难以置信的阿托秒(as)水平。

阿托秒飞秒的1000,或1000000000000000000秒(10 - 18)。然而其短暂性是最好的观测所唤起的,大约有多少在第二个阿秒秒在宇宙的年龄。对阿托秒科学的令人兴奋的事情是,我们可以超越原子运动,“Vrakking说。“阿托秒时间表给我们访问电子运动——这是与飞秒技术是没有可能的。”

最终的梦想是能够研究系统的阿托秒域,同时很好的结构解析

在这个时间表包括接受和使用限制强加的傅里叶变换的关系。对不同类型的实验中,我们做这个妥协不同,“Vrakking承认。”,我知道我要有sub-femtosecond电动力学,这将是绝对必要的”阿托秒脉冲。

一定从最简单的系统-氢- Vrakking的小组发表了第一个阿托秒pump-probe实验在2010年的一个分子。⁴从那时起,科学家已经能够学习更复杂,生物相关的,分子。例如,在2014年毛罗·Nisoli在意大利的米兰理工大学和他的同事使用sub - 300泵在氨基酸苯丙氨酸。⁵研究人员随后快照使用4 fs时间visible-NIR探测器在500年和更长的延迟。当他们装配产生的“动画”,他们可以看到从分子的一部分电荷转移到另一个发生在第一个4.5 fs。

这样的见解,清楚地表明pump-probe技术提供的权力化学家——但这些方法将成为更显著。阿托秒脉冲必须在极端紫外线甚至软x射线电磁波谱的一部分,带来额外的机会,Vrakking突显。

”,意味着我们可以弹出非常精力充沛的光电子原则上能够识别他们的环境,一个衍射信息可以编码的过程,与x光技术,尽你们所能的、把守的Vrakking说。从这些实验人已经提取债券距离,所以肯定正在试图尝试将我们在阿托秒时间分辨率实验埃长度尺度和结构信息。最终的梦想是能够研究系统的阿托秒域,同时具有很好的结构分辨率”。

由于pump-probe技术,化学家已经经常探索世界的速度和规模完全陌生,他们显然没有完成。梦想像Vrakking将推动进一步深入勘探技术,帮助研究人员发现不为人知的科学宝藏。

安迪Extance在埃克塞特是一个基于科学作家,英国

文章修改纠正2016年5月5日,约翰·凯利的归属