Spectroscopia de absorbție de procese rapide - diagnosticare cu laser în biologie și medicină

spectroscopia de absorbție rapidă
procese
Metode de spectroscopie cu laser ultrarapide permite studierea dinamicii mișcării interne a biomolecule. În multe privințe nevoile dinamicii structurale a investigațiilor biomolecule stimulat dezvoltarea spectroscopiei picosecunde și sub-picosecunde, incluzând spectroscopia de absorbție a proceselor rapide [P. 1 - P.Z]. Cu aceste metode procesele electronice ultrarapide și excitație vibrație a biomoleculelor precum și dinamica reacțiilor chimice ce implică acestea.
Metodele de absorbție permit determinarea timpului total de relaxare biomoleculelor la starea de sol, în timp ce relaxarea, rata lor de vibrație de excitație de transfer într-un amestec de biomolecule, rata de transfer de sarcină între biomoleculelor într-un amestec de acceptor și donor, dinamica disociere a biomolecule în soluție, rata modificărilor conformaționale și așa mai departe. Investigarea proceselor primare organisme fotosintetice - violet și verde bacterii dinamicii photosystems i și II în plante verzi și legarea vodoroslyah- de conversie a energiei etapă primară care a rodopsinei în studiul fotochimiei și a bacteriilor halofile bioenergie (bacteriorodopsină) -. fotoobratimye pigmenți fotocromice (phytochrome) funcționează funcțiile bioregulatoare în celulele multor simple și de disociere a dinamicii rasteniy- hemoproteină (hemoglobină și mioglobină) etc. caracteristice Perioadele acestor procese se află într-o destul de larg gama: 0,6-200 ps interval dorit de lungimi de undă ale radiației laser pentru cercetarea lor este 460-880 nm.
Ideea de baza a spectroscopiei de absorbție folosind impulsuri ultrascurte este de a „scăpa“ din măsurătorile directe ale impulsului care trece mediul de absorbție. Prin urmare, se aplică două puls luminos consecutive, dintre care primul se traduce biomolecule din miez la o stare excitată, iar al doilea, întârziat cu un picosecunde sau un interval de timp subpicosecond, așa-numitul puls de măsurare, detectează schimbarea în spectrul de absorbție al obiectului în studiu. In acest caz fotodetector inerțial detectează schimbările în spectrul de absorbție, care au apărut în timpul determinat de întârziere.
Există o varietate de scheme prin care se realizează această idee. A se vedea, de exemplu, [P. 1 - 3 GP, 1,35]. Astfel de excitație și sondă impulsuri pot avea aceleași și diferite lungimi de undă de excitație și sonda fascicule laser sunt reciproc perpendiculare și aproape coliniari, ca element de înregistrare poate fi utilizat: film, tablouri fotodiodă, camere, analizoare multicanal optice și fotoreceptori individuale. Acestea pot fi puse în aplicare cu un singur circuit, iar pulsul sonda de excitație și un multiplu de repetiție, cu o gamă largă de radiații sondă și așa mai departe.
In studiile viteze de orientare și timpul de relaxare de rotație, iar rata de transfer de energie electronică a moleculelor în fluidele folosind o modificare a metodei, care se bazează pe analiza induse de excitație polarizat puls anizotropia în mediu prin măsurarea absorbției pulsului sondă pentru diferite orientări reciproce ale polarizarea excitarea și impulsurile sondă [ AP 1].
Cele mai frecvente în studiul proceselor fotochimice structura biomoleculare primit ajustarea metoda spectroscopiei de absorbție diferențială, care se bazează pe înregistrarea spectrelor de absorbție diferențială reprezentând diferența dintre spectrele de absorbție înainte și spectre de excitație înregistrate la diferite intervale de timp după excitație așa-numitul. Variația optică obiect test de densitate DD (k, t) sunt determinate de [6, 7]
unde E = Ea EDA și Oy ~ E ° p / E1p - raportul testului și energiile de impulsuri de referință, care au trecut prin proba de excitație și nici excitație.

Fig. 5.3. Spectrometru Schema de absorbție picosecundă pe bază de oscilatoare optice parametrice [7]

Fig. 5.2. Spectrometru schematică diagrama de absorbție subpicosecond [61
Ca un exemplu, în Fig. 5.2 și 5.3 sunt scheme ale două picosecundă tipice și spectrometre de absorbție subpicosecond realizând o tehnică diferențială de măsurare a spectrului de absorbție aproape propagare coliniare a excitație și lumina sonda fasciculelor, o linie variabilă întârziere optică de impulsuri.
Într-o primă schemă de gigawat puls luminos de durată t&bdquo- = 100 fs la o lungime de undă de canale X = 615 nm împărțită între excitație și detectare. Excitația impuls al canalului printr-un filtru de densitate linie de întârziere optică / neutru 2 intră pe proba de 3 și mai departe la monocromator 4. detectare canal de conversie are loc într-un proces continuu de subpicosecond (SRS centimetru conversie Cuva cu apă, 5, 6 - filtre roșu). Acest fascicul este împărțită în două: testul și referința. Trial aliniate cu fasciculul interesant și referința după filtrare printr-un filtru de culoare albastru-verde 7 este utilizat pentru a obține informații cu privire la spectrul de absorbție al mediului în absența excitație. Schimbarea impulsurilor de întârziere de timp permite studierea cineticii proceselor și rearanjare monocromator - schimbări în spectrul de absorbție indus la lungimi de undă selectate. Semnalele sunt primite după fotoreceptori monocromator 8, 9, sunt digitizate prin intermediul voltmetre digitale 10 și de intrare prin intermediul interfeței 11 la calculatorul de comandă 12, care realizează achiziția de date pe mai multe flash-uri cu laser, și calcularea erorii lor standard medie, și funcționarea de control al întregului spectrometrului.
Al doilea sistem se bazează pe oscilatoare optice parametrice (OPO), un grad ridicat de automatizare a măsurării și prelucrarea datelor (Fig. 5.3). Acest lucru permite studiul unei clase largi de obiecte biologice, cu o mică eroare de măsurare a densității optice, până la 2-10-4. Sursa Pompa este YAG: Nd cu laser 1 cu separarea sistemului monopulse 2 și un amplificator 3, care determină fiabilitatea și stabilitatea spectrometrului. înlocuirea posibilă a sistemului cu laser master pentru sticla fosfat cu laser, ceea ce permite să crească considerabil rezoluția temporală a spectrometrului. Sursa radiației interesant este pe picosecundă ASG cristalul 5 KDP pompat cu laser a doua armonică a unui YAG: Nd. Când se utilizează dublorul de frecvență și sumatorul 4, un astfel de sistem permite suprapunerea gamă destul de largă 330-1400 nm și au un nivel destul de energie considerabilă ~ 0,1 mJ.
Canalul de detectare două surse de lumină pot fi utilizate: CBC - 6 în LiNb03 cristal cu o sursă continuu dublor de frecvență sau picosecunde (convertor Raman apa grea 7). În măsurătorile de caracteristici de absorbție cinetice în regiuni separate ale spectrului permite utilizarea PGS îmbunătăți fiabilitatea și extinderea gamei de măsurare datorită stabilității ridicate a energiei ,, spectrale și caracteristicile temporale ale unei game largi de lungimi de undă, inclusiv ultraviolete și regiunea spectrului infraroșu și luminozitate spectrală ridicată a monochromaticity radiații. Acesta din urmă vă permite să lucreze fără un monocromator și de a folosi fotodiode pentru a detecta semnalul. La demontarea diferențiala spectrele de absorbție tranzitorie este mai confortabil convertor d20 Raman combinat cu un tunabile monocromator 12. Parametrii nenumite ale circuitului din Fig. 5.3 8 - linie de întârziere optică, .9 - bioobject, 10 - fotodetector, 11 - ventil electromagnetic 13 - un sistem automat de control al spectrometrului.
Important este faptul că impulsurile primite de la CBC, are margini mai abrupte decât impulsurile de modul blocat cu laser. Acest lucru face posibilă creșterea rezoluției temporale prin reducerea timpului regiunea de suprapunere impulsuri interesante și sondă. spectometru Privite permite utilizarea unui circuit de detecție în direcție opusă în raport cu fasciculul de excitație, ceea ce face posibilă reducerea semnificativă a luminii împrăștiate de la intrarea fascicul excitant într-un canal de detectare. Această caracteristică este deosebit de important pentru studiile de împrăștiere puternic obiecte biologice.
Literatura Pentru detalii privind metodele picosecunde și sub-picosecunde absorbție cu laser spectrometre biomolecule spectroscopie cu laser rezolutie timp Ultrahigh, și cu studii specifice ale dinamicii biomolecule pot fi recomandate publicate în ultimii ani [P. 1 - 3 GP,
1,35].