Terahertzes spektroszkópia a biológiában

„Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra”

Buzády Andrea

Terahertzes spektroszkópia a biológiában

TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

Tartalomjegyzék Bevezetés 1. A THz-es tudomány alapjai 1.1. Alapfogalmak 1.2. Folytonos és impulzus jellegű THz-es sugárzás előállítása „Down conversion” módszerek THz-es impulzus előállítása optikai egyenirányítással Folytonos THz-es sugárzás előállítása különbségi frekvenciakeltéssel „Up conversion” módszer Folytonos THz-es sugárzás előállítása mikrohullámú frekvencia többszörözésével THz-es sugárzás előállítása gyorsuló töltésekkel THz-es impulzus előállítása fotovezető kapcsolóval Folytonos THz-es sugárzás előállítása optikai keveréssel THz-es impulzus előállítása csomósodó elektronnyalábbal Folytonos THz-e sugárzás előállítása BWO-val illetve szabadelektron-lézerrel Folytonos illetve modulálható THz-e sugárzást kibocsátó lézerek 1.3. THz-es sugárzás detektálása Inkoherens detektálás Koherens detektálás THz-es impulzusok detektálására alkalmas módszerek Elektro-optikai mintavételezés Fotovezető antenna Folytonos THz-es sugárzás detektálására alkalmas módszerek Fotovezető antenna Heterodin detektálás 1.4. Terahertzes optika 1.5. Optikai elemek a THz-es tartományon Szűrőkhöz, ablakokhoz, lencsékhez, tükrökhöz használt anyagok Polarizátor A polarizációs állapot befolyásolására alkalmas eszközök, retardáló lemezek Nyalábosztó 2. Spektroszkópiai módszerek a THz-es tartományon 2.1. Bevezetés 2.2. Diszperzív és interferometrikus módszerek 2.3. Fourier-transzformációs spektroszkópia 2.4. Időbontott pumpa-próba módszer 2.5. Koherens transzmissziós spektroszkópia 2.6. Frekvenciatartományban működő koherens forrású spektrométer TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

3 5 5 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 10 12 12 13 13 13 13 14 14 14 15 16 16 18 18 19 20 20 21 23 24 24 25 1

2.7. Időtartománybeli THz-es spektroszkópia THz-es impulzus előállítása fotovezető (PC) kapcsolóval THz-es impulzus előállítása optikai egyenirányítással THz-es impulzusok detektálása fotovezető antennával Terahertzes impulzusok detektálása elektro-optikai mintavételezéssel TDTS fotovezető kapcsolóval TDTS elektro-optikai mintavételezéssel 2.8. Időbontott terahertzes spektroszkópia (TRTS) 2.9. Terahertzes emissziós spektroszkópia (TES) 3. Terahertzes képalkotás 3.1. Bevezetés 3.2. Képalkotás távolabbi megfigyeléssel történő kameraszerű leképezéssel 3.3. Képalkotás közelebbi megfigyeléssel Képalkotás folytonos illetve hosszú idejű impulzusforrásokkal Képalkotás impulzusforrásokkal 3.4. Képalkotás közeli-tér megfigyeléssel 4. Biomolekulák terahertzes spektroszkópiája 4.1. Bevezetés 4.2. Spektrumok értelmezése molekuladinamikai modellezési módszerekkel 4.3. Aminosavak 4.4. Oligo- és polipeptidek, fehérjék 4.5. Cukrok 4.6. Nukleinsavak 4.7. A víz és a biomolekulák 4.8. Az ion hidratáció Irodalomjegyzék


26 26 27 29 30 33 34 35 36 39 39 41 41 42 44 46 48 48 49 50 52 54 57 60 69 72

2

Bevezetés Az utóbbi évtizedek jelentős tudományos eredményei közé tartozik a THz-es tudomány kialakulása. A THz-es sugárzás az elektromágneses spektrumnak az infravörös és a mikrohullámú sugárzás közé eső tartománya. A szemünkkel nem látjuk, de melegítő hatását érezzük, természetes módon jelen van a környezetünkben. A kutatásokban a kezdeti hangsúly a megfelelő források és detektorok fejlesztésén volt, hiszen éppen ezek hiánya miatt nem volt elérhető korábban a spektroszkópia vagy akár a képalkotás számára az elektromágneses spektrum eme tartománya. A THz-es frekvenciák a tradicionális elektronika számára érzékelhető frekvenciák felett, de az optikai és az infravörös érzékelők tartománya alatt vannak. Tehát sem az elektronika, sem a fotonika eszköztárával nem érhető el. A félvezető technológia rohamos fejlődése és a lézerekkel kapcsolatos elméleti és gyakorlati fejlesztések nyomán azonban mostanára akár asztali méretekben is előállíthatók a megfelelő források és detektorok. A lehetséges alkalmazók lavinaszerű megjelenésével a hangsúlyok eltolódásának lehetünk tanúi. A gyakorlati alkalmazások skálája széles, csak néhány példát említve, a THz-eknek szerepe van a nagysebességű kommunikációban, a molekuláris spektroszkópiában, a biztonságtechnikai képalkotásban, az orvosi diagnosztikában. A látható fénnyel fényképet készíthetünk, a rádióhullámokkal hangot és képet tudunk közvetíteni, a röntgenhullámokkal megfigyelhetjük az emberi test belsejét. A THz-es hullámokkal is tudunk képet alkotni, és információt közvetíteni, más EM hullámokkal szemben azonban számos előnye van. Például, hogy nem káros az élőszervezetre. Egy röntgenfoton energiája tipikusan néhány keV, ami milliószor nagyobb, mint egy THz-es foton energiája. A THz-es elektromágneses tér változásának periódus ideje ~1 ps. Ez az időtartam sokféle jelenség időtartamával esik egybe, így a T-sugarak alkalmazása egyedülálló lehetőséget biztosít a megfigyelésre, kontrollálásra. Kismolekulák rotációs frekvenciája THz körüli. Gáz fázisú molekulák közötti ütközés szobahőmérsékleten ~1 ps. Poláros folyadékok – például a víz – a korlátozott forgási és kollektív módusok miatt jelentősen abszorbeálnak a THz-es 1. ábra Energiaátmenetek és a frekvenciákon [1]. frekvencia illetve hullámhossz A molekuláris rendszerek energiaszintjei a háromféle állapothoz illetve mozgásformához kapcsolódó energiaszintekből tevődnek össze. A különböző mozgásformák energiatartalmai között egymástól független, diszkrét átmenetek lehetségesek. Mivel ezekhez az átmenetekhez tartozó energiakülönbségek nagyságrendileg különböznek, ezekhez nagyságrendileg különböző frekvenciájú, illetve hullámhosszú sugárzás tartozik. Az energiaátmenetek és a frekvencia-, illetve hullámhossztartományok kapcsolatát mutatja az 1. ábra. A biológiai anyagok speciális ujjlenyomattal bírnak ebben a spektroszkópiai régióban. A proteinek és más biomolekulák biológiailag fontos kollektív módusainak rezgési frekvenciája TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

3

terahertz körüli. Ezeknek a molekuláknak az összetett rezgéseiben a molekulát alkotó atomok közötti kötések meghatározóak. A molekula konformációjának stabilitásában a hidrogénkötéseknek nagy szerepe van, bármilyen molekuláris szintű folyamatban ezeknek a kötéserőssége a konformáció változásnak megfelelően változik. Az adott rezgési sávok megfigyelésével hatékony spektroszkópiai módszert kaphatunk a folyamatok vizsgálatához, hiszen a molekula konformációs állapotához egyedi ujjlenyomat tartozik éppen ebben a THzes sávban. Fentiek alapján érthető, hogy a technológiai fejlődést, fejlesztést nagyban motiválják a biológiai, biomedikális alkalmazások. A biológiai alkalmazásoknál azonban egy fontos kihívással is szembe kell nézni. Amint azt már említettük, a víz ebben a frekvenciatartományban jelentős mértékben abszorbeál. Márpedig víz jelenléte nélkül a biológiai struktúrák nem létezhetnek. Ezekben a rendszerekben például éppen a kötött víz jelenléte biztosítja a konformációt stabilizáló hidrogénkötéseket. Tehát a THz-es vizsgálatok közben sem nélkülözhető a víz jelenléte, más módon kell megoldani ezt a technikai problémát. Minden technikai, módszertani nehézség ellenére a THz-es tudományok fejlődése, terjedése soha nem látott ütemben zajlik. Az elektromágneses hullámok a körülöttünk lévő világról közvetítenek számunkra ismereteket. Elmondhatjuk, hogy mára a THz-es terület felderítésével képesek vagyunk a teljes elektromágneses spektrumból információt érzékelni.


4

1. A THz-es tudomány alapjai

1.1. Alapfogalmak

1. A THz-es tudomány alapjai 1.1. Alapfogalmak Még nincs általánosan elfogadott, pontos definíció, hogy milyen frekvenciatartományt nevezünk az elektromágneses spektrumon belül THz-es sávnak. Sok esetben a 0,1-30 THz közötti tartományt értik ezen. Indokolt azonban csak a szűkebb 0,1-10 THz-es sávot ide sorolni, hiszen a 10-30 THz közötti frekvenciák már egybeesnek a távoli- és közép infravörös tartománnyal, ami jól kezelhető a már korábban is létező optikai technológiákkal.

2. ábra Az elektromágneses spektrum

Ahogy a 2. ábrán láthatjuk a THz-es sáv helye az elektromágneses spektrumban a legnagyobb frekvenciájú (Extremly High Frequency/EHF) rádióhullámok és a távoli infravörös hullámok között van. Nézzük meg, hogy milyen nagyságrendeket jelent más fizikai paraméterekre nézve a 1012 Hz körüli frekvenciával rendelkező elektromágneses sugárzás. Hullámhosszban ez a 3-0,03 mm közöttinek felel meg, az elektromos térerősség változásának periódusideje pedig 10-0,1 ps közötti. Figyelembe véve, hogy ∙ ∙ , és a kapcsolódó hőmérséklettartomány a 4,8-480 K között van, egy THz-es foton energiája 0,41-41 meV között lehet. A hagyományos képalkotásnál, például a fénymikroszkópban, a felbontási határ a hullámhosszal kapcsolatos, bár ez a korlát a közeli-tér mikroszkópiával kiküszöbölhető. A felbontás a már ma is elterjedten használt THz-es képalkotásnál a hullámhosszból fakadóan ~1 mm körüli, amit szintén lehet közeli-térben való leképezéssel kombinálni. A látható fénynél nagyobb hullámhossz azonban előny is lehet. A képalkotásnál a kontrasztot nagyon zavaró módon rontja a szórt sugárzás jelenléte, mint egyfajta háttérzaj van jelen. A szórt sugárzás intenzitása viszont a hullámhossz negyedik hatványával fordítottan arányos, tehát a mm-es nagyságrendű terahertzes hullámok alkalmazásánál ezzel a problémával lényegében nem kell számolni. A hőmérsékleti tartományokat figyelembe véve világossá válik, hogy a T-sugarak itt vannak körülöttünk mindig, hiszen éppen ezek a hőmérsékletek jellemzik a világunkat. Például az emberi test 310 K-es hőmérsékletének egy 6 THz-es elektromágneses sugárzás felel meg. Tehát valóban van „auránk”, mert sugárzást bocsátunk ki magunkból. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

5

1. A THz-es tudomány alapjai

1.1. Alapfogalmak

Az energiatartományt megnézve elmondhatjuk, hogy az ~1 meV nagyon kicsi energiaadag. Amikor egy bármilyen anyagi közeg és egy bármilyen sugárzás kölcsönhatnak, a bekövetkező jelenségek jellegét leginkább a közeg által elnyelt energiaadag nagysága befolyásolja. Nagyenergiájú – az adott közeg ionizációs energiájánál nagyobb energiájú – sugárzások akár roncsolhatják is a közeg anyagi részecskéit. Ilyen például a röntgenfotonok keV-os nagyságrendű energiája, ezzel szemben a THz-es foton ~meV-os energiája ennek milliomod része. A terahertzes sugárzás tehát úgynevezett kisenergiájú, nem ionizáló hatású sugárzás, nem veszélyes az élő szervezetekre, például ránk nézve. Miért van az, hogy a fenti sok-sok előny ellenére egészen a közelmúltig mégsem terjedtek el széles körben a T-sugarakhoz kapcsolódó kutatások, alkalmazások? Mint minden spektroszkópiai módszernek szüksége van forrásokra, detektorokra, és a nyalábok leképezéséhez, tereléséhez szükséges elemek előállításához a vonatkozó tartományon jól használható anyagokra. A 1011 Hz-nél kisebb frekvenciájú elektromágneses tereket, az úgynevezett rádióhullámokat jól tudjuk kezelni az elektronika eszköztárával, az ennél nagyobb frekvenciájú tereket az elektronikai eszközök már nem tudják „követni”. A 1014 Hznél nagyobb frekvenciájú fotonoknak pedig elég nagy az energiája, hogy fotoelektromos jelenséget tudjanak létrehozni, azaz a fényből elektromos jelet tudunk előállítani. Az előbbi frekvenciánál 3. ábra THz „gap” alacsonyabb frekvenciájú fotonnak azonban ehhez már kevés az energiatartalma. Tehát ahogy azt a 3. ábra is szemlélteti, az elektronika és fotonika által elérhető között van egy frekvenciatartomány, egy – az angol szakirodalomban „THz gap”-ként emlegetett – sáv, amihez tartozó sugárzásokat sokáig nem tudtunk akár a hétköznapi életben is kényelmesen használható, mondjuk így „asztali” méretű, vagy akár szobahőmérsékleten működő eszközökkel, sem előállítani, sem érzékelni. Korábban is létező terahertzes források a széles spektrumú hőmérsékleti sugárzók, vagy az igen nagy intenzitást szolgáltató szinkrotron. Detektorként pedig az infravörös, különösen a távoli infravörös spektroszkópiában alkalmazottakat említhetjük, úgy, mint a bolométer, vagy a Golay-cella. Beláthatjuk, hogy a hétköznapi használhatóságot jelentősen korlátozza például a szinkrotronhoz való hozzáférés, vagy a bolométer használatához megkívántatott héliumhűtés. A későbbiekben ismertetjük a félvezető technológia jelentős fejlődésének köszönhetően mostanára egyszerűen elérhető THz-es eszközök működési elvét.


6

1. A THz-es tudomány alapfogalmai

1.2. Folytonos és impulzus jellegű THz-es sugárzás előállítása

1.2. Folytonos és impulzus jellegű THz-es sugárzás előállítása Az optikában és az elektronikában bekövetkező technológiai fejlődés a már korábban ismert és használt eszközökön kívül sokféle THz-es forrás és detektor megjelenését eredményezte. A THz-es frekvenciák az optikai tartományhoz képest az alacsonyabb, az elektronikai tartományhoz képest a magasabb frekvenciák felé esnek. Ezért a megfelelő THzes előállítási módszereket frekvencia lekonvertálásnak, illetve frekvencia felkonvertálásnak nevezzük. A szakirodalomban meghonosodott angol kifejezéssel, „down conversion” illetve „up conversion”. Az alábbi fejezetben csak egy vázlatos áttekintést adunk a ma ismert és használatos technikákról. Egyes forrásokról az adott spektroszkópiai módszereknél még részletesebb képet adunk [2]. „Down conversion” módszerek THz-es impulzus előállítása optikai egyenirányítással A lekonvertálás módszerével két másodrendű nemlineáris optikai jelenséggel is előállíthatunk THz-es sugárzást. A 4. ábrán szemléltetett optikai egyenirányítás során egy femtoszekundumos lézerimpulzus jele jut egy nemlineáris kristályra és abból ezután egy körülbelül 10 THz sávszélességű, azaz szélessávú THz-es impulzus jön létre.

4. ábra Optikai egyenirányítás

Folytonos THz-es sugárzás előállítása különbségi frekvenciakeltéssel A különbségi frekvencia képzés során két, egymáshoz közeli frekvenciájú folytonos lézernyalábból a nemlineáris kristályban lezajló folyamatok nyomán egy az optikai frekvenciák különbségének megfelelő THz-es frekvenciájú folytonos sugárzás keletkezik (5. ábra).

5. ábra Különbségi frekvenciakeltés


7



„Up conversion” módszer Folytonos THz-es sugárzás előállítása mikrohullámú frekvencia többszörözésével A 6. ábrán látható felkonvertálás során a mikrohullámú sugárzás egy erősen nemlineáris áram-feszültség karakterisztikájú diódára érkezik, amiben létrejönnek a felharmonikusok, azaz folytonos THz-es sugárzás keletkezik.

6. ábra Terahertzes sugárzás előállítása frekvencia többszörözésével

Akár a le-, akár a felkonvertálás módszerét nézzük, a fentebb ismertetett módszerekben közös, hogy a THz-es jel nemlineáris közegben jött létre. Másik lehetőség a gyorsuló elektronok segítségével létrehozni THz-es sugárzást. THz-es sugárzás előállítása gyorsuló töltésekkel THz-es impulzus előállítása fotovezető kapcsolóval Mint ismeretes a gyorsuló töltések illetve időben változó áramok elektromágneses hullámokat sugároznak. THz-es sugárzást kelthetünk, ha egy előfeszített fotovezető antennát (photoconductive, PC) lézernyalábbal világítunk meg. A PC két fémelektródához csatlakozó félvezető rétegből áll. A félvezető réteget megvilágító lézernyaláb töltéseket generál, amik a sztatikus elektromos térben gyorsulni fognak. Ennek a fotoáramnak az intenzitása a lézer intenzitásával változik, így a femtoszekundumos lézerimpulzus egy ~10 THz sávszélességű terahertzes impulzust hoz létre, ahogy a 7. ábrán láthatjuk.

7. ábra THz-es impulzus előállítása fotovezető kapcsoló


8



Folytonos THz-es sugárzás előállítása optikai keveréssel Lebegést létrehozó két egymáshoz közeli frekvenciájú folytonos lézernyalábbal megvilágítva a fotovezető antennát, az egy a különbségi frekvenciának megfelelő folytonos terahertzes hullámot sugároz. Ezt a módszert nevezik optikai keverésnek (8. ábra).

8. ábra Terahertzes sugárzás előállítása optikai keveréssel

THz-es impulzus előállítása csomósodó elektronnyalábbal Relativisztikus sebességre felgyorsított elektronok segítségével extra teljesítményű THz-es sugárzást lehet létrehozni (9. ábra). Egy femtoszekundumos lézernyaláb az elektronforrásból ultrarövid elektronimpulzust hoz létre, majd a relativisztikus sebességű csomósodó elektronnyaláb egy fém targetbe csapódik vagy egy mágneses tér körpályára kényszeríti. Az elektronnyaláb tranziens gyorsulása szélessávú, koherens THz-es sugárzást generál.

9. ábra THz-es sugárzás előállítása csomósodó elektronnyalábbal

Folytonos THz-e sugárzás előállítása BWO-val illetve szabadelektron-lézerrel Backward wave oszcillátorban (BWO) illetve szabadelektron-lézerben az elektronnyalábot egy fémrács illetve egy periodikusan változó mágneses tér undulálja, ahogy azt a 10. ábra szemlélteti. A 0,2-1 THz között hangolható folytonos sugárzást az elektronok periodikusan változó gyorsulása hozza létre.

10. ábra THz-e sugárzás előállítása BWO-val illetve szabadelektron-lézerrel


9



Folytonos illetve modulálható THz-es sugárzást kibocsátó lézerek A lézerek működéséhez szükséges populáció inverzió nem csak az anyagi közegek elektronenergia szintjei között valósítható meg, hanem például megfelelő aktív közegben – jellemzően gázokban – a molekulák rezgési illetve forgási szintjei között is. Míg az elektronszintek közötti átmenettel UV vagy látható, a rezgési szintek közötti átmenettel infravörös, a forgási szintek közötti átmenettel távoli infravörös hullámhosszú lézerműködés valósítható meg. Ezeknek a távoli infravörös gázlézereknek a működéséhez héliumhűtés, és nagy mágneses tér szükséges, ami elég körülményessé teszi a használatukat, ráadásul csak egy adott hullámhosszon működnek. A szilárdtest lézerek közül az elektromosan pumpált p-típusú germánium lézer hangolhatóan működik a THz-es frekvenciákon, és sokkal egyszerűbben használható a gázlézereknél. A gerjesztő áram modulálásával a kimenő THz-es jel is modulálható. A kvantum-kaszkád lézerek (quantum cascade laser, QCL) aktív anyagában különböző félvezetőkből álló, nanométeres vastagságú rétegek váltakoznak periodikusan. Ebben a szuperrácsnak is nevezett kristályszerkezetben az egyes rétegekhez különböző elektronenergia szintek tartoznak. Ezek az energiaszintek a kristály tulajdonságaival és a rákapcsolt feszültséggel befolyásolhatóak, beállíthatóak. A QCL-ben az elektronok az egymás után lévő rétegek között haladva, az egyes energiaszintek közötti energiakülönbségnek megfelelő THzes fotont bocsátanak ki, ami koherens THz-es sugárzást generál, a folyamatot a 11. ábra szemlélteti.

11. ábra Folytonos THz-es sugárzás előállítása lézerrel

Mielőtt tovább mennénk a terahertzes sugárzás előállításának témakörében, röviden érintjük a lézerekben lejátszódó fizikai folyamatokat. A lézerműködésben kulcs fontosságú folyamat – akármelyik lézer típust is nézzük – az indukált emisszió. Ezen elemi folyamat bekövetkezésének a valószínűsége csak akkor lesz jelentős, akkor indulhat be a lézerműködés, ha megvalósul a populáció inverzió. Ez azt jelenti, hogy a lézerátmenetben résztvevő szintek között a magasabb 12. ábra Háromszintes rendszer gerjesztett állapotban több részecske van, mint az alacsonyabb energiájú állapotban. Populáció inverziót kétszintes rendszerrel gyakorlatilag nem lehet megvalósítani, ehhez legalább háromszintes rendszer kell. A 12. ábrán látható, hogy a pumpálással az E2 szintre gerjesztett részecskék gyorsan az E1-re relaxálnak, és így


10



elérhető az E1 szinten több részecske legyen, mint az E0 szinten, azaz: N1 > N0, tehát ezen két szint között megvalósul a populáció inverzió. De ezen kívül még egyéb feltételeknek is teljesülnie kell, hogy lézerről beszélhessünk. A 13. ábrán látható a lézerműködés alapelve.

14. ábra Állóhullámok a rezonátorban 13. ábra A lézerműködés alapelve

A speciális anyagból készült erősítő közeg két tükör között helyezkedik el, ez a rezonátor. A közeg részecskéit pumpálva elérhető a populációs inverzió. A spontán emisszióból származó fotonok beindítják az indukált emissziós folyamatokat. Mivel mindegyik indukált emissziós foton tulajdonsága az őt kiprovokáló foton tulajdonságaival egyezik meg, a spontán emisszióra jellemzően a tér minden irányába indulnak indukált emissziós fotonok. A rezonátor tükrök által kiválasztott optikai tengely irányától eltérő irányba haladók azonban elnyelődnek, míg a tengellyel párhuzamosan haladók az oda-vissza haladás közben újabb és újabb indukált emissziót kiváltva megerősödnek. A lézerműködés során a rezonátorban létrejövő elektromágneses sugárzásból stabilan csak a rezonátor hosszának (L) a következő összefüggés szerint megfelelő hullámhosszúságúak maradnak fent: a



∙ , ahol  a

hullámhossz és m egész szám. A rezonátorban kialakuló állóhullámokat szemlélteti a 14. ábra, ezeket hívjuk módusoknak.


11


1.3. THz-es sugárzás detektálása

1.3. THz-es sugárzás detektálása A THz-es sugárzás detektálására alkalmas sémák között a már korábban ismert inkoherens és az utóbbi időkben kifejlesztett koherens módszereket egyaránt megtaláljuk. Az alapvető különbség közöttük, hogy a koherens módszerek egyszerre mérik az elektromos térerősség amplitúdóját és fázisát, míg az inkoherens módszerek az amplitúdó négyzetével arányos intenzitást, így az utóbbi esetén a mérés nem szolgáltat információt a jel fázisáról. A koherens detektálási technikákat a szerint is osztályozhatjuk, hogy az időben folytonos vagy impulzus jellegű terahertzes sugárzást lehet velük észlelni. Alább ilyen csoportosításban adunk áttekintést a manapság alkalmazott eljárásokról. Inkoherens detektálás A THz-es sugárzás detektálására alkalmas inkoherens detektorok a termális szenzorok, úgymint a bolométer, a Golay-cella, és a piroelektromos eszközök. Mindegyik termális detektor közös eleme a sugárzást elnyelő abszorber, ami egy hőtartályhoz kapcsolódik. A sugárzási energia mértékét az abszorber hőmérsékletének a mérésével határozzuk meg. A különbség abból adódik, hogy milyen fizikai mennyiség változásán keresztül mérik a hőmérséklet változását. Az általában kriogenikus hőmérsékleten használt bolométerben az erősen szennyezett félvezető ellenállása változik a hőmérséklettel (15. ábra). Tehát a THz-es sugárzás elnyelésének hatására közvetetten megváltozó ellenállásnak a nagyságát mérjük. A Golay-cella tulajdonképpen egy optoakusztikus detektor (16. ábra). A sugárzás keltette hő az abszorber mögötti zárt, gázt tartalmazó, rugalmas falú kamrába jut. A hőmérséklet növekedése a gázban 15. ábra Bolométer nyomásnövekedést indukál, ami a kamra falában lévő membránt deformálja. Ezt a deformációt egy fénysugár visszaverődésének változásával detektáljuk. Tehát a sugárzás intenzitását a deformáció mértékével mérjük. A piroelektromos detektorokban az elektromos polarizáció változik a hőmérséklettel. A termális detektorok széles spektrális tartományban képesek a sugárzást detektálni, 16. ábra Golay-cella használatuk azonban a fénydetektorokhoz képest körülményes. A bolométer használatához például extra alacsony hőmérséklet szükséges. De ezenkívül is mindegyikre jellemző a hosszú mérési idő. Ugyanis a hőmérséklet méréséhez az abszorbernek a sugárzás elnyelése után el kell érnie a hőmérsékleti egyensúlyt, és ez viszonylag hosszú ideig tart. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

12



Koherens detektálás Egy THz-es jel időben a pikoszekundumos időtartománynak felel meg. Ennél rövidebb időtartamú jelenség, például koherens optikai impulzus segítségével lehetőség van – ahogy azt majd a későbbiekben látni fogjuk – a THz-es elektromágneses jel térerősségének időbeli mérésére, tehát a konkrét térerősség-idő függvény meghatározására. Ennek ismeretében egyszerre tudjuk megadni a jel amplitúdóját és a fázisát. Ez viszont azt jelenti, hogy egy mérésből tudjuk meghatározni a minta abszorpcióját és törésmutatóját. Erre az optikai tartományon, azaz a 1015 Hz körüli frekvenciáknak megfelelő femtoszekundomos időtartományban nincs módunk. Ez a lehetőség a terahertzes tartományon újabban kifejlesztett koherens módszerek nagy előnye, hiszen a már ismertetett inkoherens detektáláskor – az intenzitás mérésekor – a térerősség amplitúdójának négyzetével arányos jele mérése során elveszítjük a fázissal kapcsolatos információt. A koherens detektálási technikák szorosan kapcsolódnak a generálási technikákhoz, amennyiben a működésükben ugyanazok az alapvető fizikai jelenségek vesznek részt. Az optikai technikákban például előfordul, hogy ugyanazt a fényforrást használják a generáláshoz, mint a detektáláshoz. THz-es impulzusok detektálására alkalmas koherens módszerek Elektro-optikai mintavételezés A 17. ábrán szemléltetett elektro-optikai mintavételezés során a szélessávú ps-os THz-es impulzus elektromos térerősségét egy legfeljebb 100 fs-os optikai próbaimpulzussal mérik az időben. A nemlineáris kristályon áthaladó fény polarizációs állapota megváltozik, ha a fénnyel egy időben THz-es tér is jelen van. A próbaimpulzust időben késleltetve mérhető a polarizációs állapot időbeli változása, és ebből meghatározható a térerősség időbeli függvénye.

17. ábra THz-es impulzus detektálása elektro-optikai mintavételezéssel

Fotovezető antenna (photoconductive antenna) PC antennával szintén mérhető egy szélessávú THz-es impulzus időbeli lefutása, ahogy a 18. ábrán láthatjuk. A feszültségre kapcsolt a PC-ben a THz-es tér áramot indukál, de csak abban a pillanatban, amikor a megjelenő optikai próbaimpulzus töltéshordozókat generál. A létrejövő áram erőssége arányos a THz-es tér amplitúdójával. A THz-es jel időbeli alakját a THz-es és az optikai jel közötti időbeli késleltetéssel lehet meghatározni. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

13



18. ábra THz-es impulzus detektálása fotovezető antennával

Folytonos THz-es sugárzás detektálására alkalmas módszerek Fotovezető antenna Fotovezető antennával folytonos THz-es sugárzás is detektálható (19. ábra). A feszültségre kapcsolt antennát a lézernyalábbal megvilágítva a THz-es sugárzás jelenlétében fotoáram keletkezik. Ennek a fotoáramnak az adott fáziskülönbséghez tartozó erőssége arányos a THzes jel elektromos térerősségének adott fázisbeli amplitúdójával. Az optikai próbajel fázisát a detektálandó folytonos THz-es jel fázisához képest eltolva egy másik időpillanatbeli amplitúdót fog érzékelni a detektor. A fáziskülönbség változtatásához egy tükrökből álló mechanikus késleltető egységet alkalmaznak. Ilyenre mutatunk példát majd a spektroszkópiai módszerek ismertetésénél.

19. ábra Folytonos THz-es sugárzás detektálása fotovezető antennával

Heterodin detektálás A heterodin detektálás során a THz-es jelet egy fix frekvenciájú referenciajelhez keverik, jellemzően egy Schottky-diódával (20. ábra). A kimenő jel frekvenciája a referenciajelétől a THz-es frekvenciával különbözik, amplitúdója pedig arányos a THz-es jel amplitúdójával.

20. ábra Folytonos THz-es sugárzás detektálása heterodin technikával


14


1.4. Terahertzes optika

1.4. Terahertzes optika A szilárdtesteknek az elektromágneses térrel való kölcsönhatását meghatározó dielektromos tulajdonságait három mikroszkópikus folyamat – a Drude-mechanizmus, a Debye-relaxáció és a rácsrezgések (azaz fonon rezonanciák) – befolyásolja. A mikrohullámok és az alatti frekvenciáknál az első kettő, a magasabb optikai frekvenciáknál pedig a harmadik a meghatározó. A THz-es tartományon mindhárommal számolnunk kell. A Drude-modell az anyagok elektromos vezetőképességét a szabad töltéshordozók transzport tulajdonságaival magyarázza. A modell szerint az atom legkülső le nem zárt elektronhéján lévő elektronok szinte szabadon mozognak a törzsi elektronokat is tartalmazó iontörzsek terében, lényegében egyenletesen kitöltve a teret. A kinetikus gázelméletben szokásos feltevéssel élve az elektronok a mozgásuk közben időről időre nekiütköznek az iontörzseknek, azokon szórást szenvednek. Az ütközések között átlagosan eltelt időt a szakirodalomban sokszor előforduló kifejezéssel élve relaxációs időnek nevezzük. Szerencsésebb azonban a ritkábban előforduló ütközési időnek nevezni. Ez az élettartam jellegű időtartam () az elmélet alapvető jelentőségű mennyisége. A vezetésben ezek a „szabad” elektronok vesznek részt, miközben ütköznek az iontörzsekkel. Az ellenállás lényegében ezekkel az ütközési folyamatokkal kapcsolatos. A frekvenciafüggő elektromos vezetőképesség a modell szerint:



 ∙

A sztatikus vezetőképesség: 

∙

1

∙

∙

, ahol nq a töltéssűrűség, mq a részecske tömege.

Az anyagok elektromos permittivitása ezek szerint:

 

∙



∙

∙ ∙

Fenti összefüggésekből láthatjuk, hogy a relaxációs idő meghatározó fizikai paraméter az anyagok frekvenciafüggő optikai tulajdonságainak szempontjából. Nagy tisztaságú félvezetők esetén ez a relaxációs idő a pikoszekundumos, míg más dielektrikumok esetén a néhány nagyságrenddel rövidebb tartományba esik. A frekvenciatérben ez mindenképpen a THz-es tartományt érinti. Egy dielektromos anyagban a közeg késleltetett válaszát az alkalmazott  frekvenciájú változó elektromos térre a Debye-relaxáció írja le. A modell feltételezi, hogy a közeg részecskéi nincsenek egymással kölcsönhatásban, tehát a dipólusmomentumok eloszlását a külső tér változásán kívül a termális fluktuációk befolyásolják. A Debye-modell szerint a kialakuló elektromos permittivitást a következő összefüggés határozza meg:

 

∞




∞ ∙

∙

15


1.5. Optikai elemek a THz-es tartományon

Ahol a sztatikus permittivitás: 

, a nagyfrekvenciájú permittivitás:  ∞ , a Debye

relaxációs idő: D. Ez az anyagi minőségre jellemző relaxációs idő a különböző anyagokra nézve nagyon különbözik, a nanoszekundumoktól a mikroszekundumokig terjed. Dielektromos kristályok legalacsonyabb optikai fonon rezonanciái 10 THz körül vannak. A rácsrezgések dielektromos válaszát a legegyszerűbben a harmonikus oszcillátor modellel írhatjuk le. Ebből a modellből az elektromos permittivitás a következő kifejezéssel adható meg: 0 Ahol

∙

∙

0 a rácsrezgésekhez tartozó sztatikus elektromos permittivitás, L a rezonancia

frekvencia, fL az oszcillátor erősség, L a csillapodási állandó. Szilárd dielektrikumok THz-es tartományban bekövetkező abszorpciós folyamatait a fenti három jelenség befolyásolja. A frekvenciafüggő törésmutató a következő összefüggéssel írható le: = Az abszorpciós együttható pedig:



=

∙

1.5. Optikai elemek a THz-es tartományon Szűrőkhöz, ablakokhoz, lencsékhez, tükrökhöz használt anyagok A fentiek alapján érthető, hogy a szilárd anyagok másféle optikai tulajdonságokkal bírnak – mind az abszorpciót, azaz a transzmittanciát, mind a reflexiót tekintve – az elektromágneses spektrum e tartományán, mint más régiókban. Az optikai alkalmazásokban elterjedten használt átlátszó üveg például átlátszatlan a THz-es tartományon. Számos más, az optikai frekvenciákon átlátszatlan közeg viszont átlátszó a T sugarak számára. Ilyenek a polimerek, a dielektrikumok és a félvezetők. Például a polietilén vagy a teflon azonkívül, hogy szinte teljesen átlátszóak, majdnem teljesen diszperzió mentesek is. Az abszorpciós együttható 1 THz-en kevesebb, mint 0,5 cm-1, és a frekvenciával közel négyzetesen változik, az átlag törésmutatójuk 1,4 és 1,5 között csak nagyon kicsit változik. A leginkább használt dielektrikumok és félvezetők, a szilícium, a germánium, a gallium-arzenid, a kvarc, az ömlesztett szilícium és a zafír. Mind közül a szilícium a legátlátszóbb és legkevésbé diszperzív anyag ezen a tartományon. A nagytisztaságú szilícium kristály abszorpciós együtthatója kevesebb, mint 0,1 cm-1 3 THz alatt. Az extrém nagy törésmutató n = 3,4175+/-0,0001, azaz alig változik ugyanezen a frekvenciatartományon. Más dielektrikumoknál, vagy félvezetőknél sokkal nagyobb a szabad töltéshordozók és a rácsrezgések hatása, mint a szilíciumnál. A terahertzes berendezésekben az olyan alapvető optikai elemeket, mint ablakok, lencsék, a THz-es tartományon átlátszó anyagokból készítik. Azon anyagoktól melyeket filterként használunk, ezen túlmenően elvárjuk, hogy a THz-es frekvenciák átengedése mellett a más frekvenciákra átlátszatlanok TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

16



legyenek. A levegőben jelenlevő atmoszféra nyomású vízgőz ismert jelentős mértékű abszorpciója miatt a THz-es sugárzás útvonalán gyakran vákuumra van szükség. Ezért például egy ablakként használt elemnek nemcsak a lehető legkevesebb veszteséggel kell átengednie a sugárzást, de meg kell tudnia tartani a vákuumot is. Mivel egyes alkalmazásoknál extra alacsony hőmérsékleteken történik a mérés, sok esetben még a nagy hőmérsékletkülönbséggel szemben is ellenállónak kell lenni. A sugárzás koncentrálására az átlátszó lencséken kívül gyakran alkalmaznak tükröket és más összegyűjtő elemeket. A kúpos fényvezetőcső ugyanolyan tulajdonságokkal bír, mint a lencsék, tükrök, amennyiben megváltoztatja a sugárzás térszögét. Széles körben alkalmazott ilyen eszköz például a 21. ábrán látható Winston cső. Ez egy fémből készült parabola keresztmetszetű eszköz, ami az optikai tengellyel szöget bezáró nyalábokat is a kilépő nyílásra gyűjti. A belépő és a kilépő apertúra keresztmetszete a következő módon határozza meg a kilépő nyaláb nyílásszögét: 1

 21. ábra Winston cső

A THz-es frekvenciákat a fémek nagy hatékonysággal, tipikusan 98-99%-ban, verik vissza, ezért nagyon jó fényvezető csövek készíthetők belőlük. Réz, ezüst, arany, alumínium egyaránt megfelelő alapanyag erre a célra. Nagyon érdekes anyag a THz-es rendszerekben alkalmazott átlátszó vezető, az ónnal szennyezett indium-oxid (ITO). Ugyanolyan jól vezeti az áramot, mint a fémek, de velük ellentétben, teljesen átlátszó az optikai tartományon. Az utóbbi frekvenciákon a transzmittancia a 95%-ot is eléri, amihez 106 S/m-es vezetőképesség járul. Ez viszont 1 THznél 98%-os reflexiót jelent, és ez a tulajdonság egyedülálló alkalmazási lehetőséget biztosít. Üveglemez hordozóra felvitt ITO vékonyrétegből ugyanis speciális dikroikus tükör készíthető, ami a THz-es sugárzást reflektálja, míg az optikai hullámhosszakat átengedi. A THz-es frekvenciákon átlátszó tulajdonságot megkövetelő elemeket előszeretettel készítik polimerekből. Az átlátszóságnak megfelelő polietilének családjába tartozó műanyagok, akár a HDPE (high-density polyethilen), akár az LDPE (low-density polyethilen) széles körben használatosak több előnyös tulajdonságuk miatt is. Úgymint a nagy tisztaság, de emellett izotrópak, mechanikailag könnyen formálhatók, és kémiailag nagyon stabilak. A HDPE-nek 2,2 THz körül egy 0,2 THz sávszélességű abszorpciós vonala van. Ez problémát jelenthet az ilyen frekvencia körüli alkalmazásoknál. Az LDPE, és a HDPE törésmutatója 1,5 körüli és alig különbözik egymásétól: 1,526 illetve 1,513. A teflon, azaz PTFE (politetrafluoroetilén) abszorpciója, bár egy kicsit nagyobb a polietilénéhez képest, nagyon kicsi az alacsony frekvenciákon, jelentős veszteség csak a 3 THz feletti frekvenciákon jelentkezik. A törésmutató 1,432 és alig változik 3THz alatt. Használatos polimerek még a polipropilén, azaz PP, avagy a polimetilpentén, azaz a TPX. Ez utóbbi nemcsak a THz-es frekvenciákon, hanem a látható fény tartományán is átlátszó, a törésmutatója is közeli az TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

17



optikai tartományon jellemzőhöz: 1,457. Ezt a különleges előnyt lehet aztán kiaknázni a vegyes, optikai és THz-es elemeket egyaránt tartalmazó rendszerekben. Polarizátor A THz-es frekvenciákon fémszálakból készült rács szolgál polarizátorként. Ahogy a 22. ábrán látható, a körgyűrűbe rögzített, a átmérőjű párhuzamos szálak egymástól g távolságra vannak, ez adja a rács periodicitásának mértékét. Tekintsük a 23. ábrát a polarizációs állapot szelekciójának szemléltetéséhez.

22. ábra Polarizátor

23. ábra A polarizátor működése

Ha a rács-szerkezethez egy olyan elektromágneses hullám érkezik, amely nyalábban az elektromos térerősség vektor párhuzamos a fémszálakkal, akkor a bennük lévő lévő elektronok szabadon tudnak mozogni a térrel párhuzamos irányban. Ebben az esetben a keretben rögzített rács ugyanúgy viselkedik, mint egy bármilyen fémfelület, a beeső elektromágneses hullám szinte teljes egészében visszaverődik. De ha a beeső nyalábban az elektromos térerősség vektor iránya a fémszálakra merőlegesen változik, akkor a nyaláb számára mintha ott sem lenne a polarizátor, áthalad rajta. Ebben az esetben ugyanis az elektronokat a beeső elektromos térerősség a fémszálra merőlegesen mozgatná el, de természetesen ez a mozgásirány erősen korlátozott. Egy tetszőleges irányú térerősség vektorral jellemzett nyaláb áthaladására jellemző transzmissziós arányt a következő összefüggéssel adhatjuk meg: =

,

ahol a rácsot alkotó fémszálak és a beeső nyaláb elektromos térerősség vektora által bezárt szöget jelenti. A polarizációs állapot befolyásolására alkalmas eszközök, retardáló lemezek Kettőstörő kristályból a fény illetve bármely elektromágneses hullám polarizációs állapotának kontrollálására szolgáló elemek készíthetők, ezeket hívjuk angol kifejezéssel: „wave plate”-nek, vagy magyarul retardáló lemeznek. Kettőstöréskor a különböző polarizációs irányokra különbözik a törésmutató, az ordinárius törésmutató: no, az extraordinárius törésmutató: ne. Ez azt jelenti, hogy a különböző polarizációjú hullámok különböző sebességgel haladnak a kristályban. Azon áthaladva az egymásra merőleges TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

18



polarizációjú nyalábok fázisa különbözik. A (d) vastagságú kristályon áthaladva kilépéskor a két  frekvenciájú hullám interferenciájának eredménye a  fázis különbségnek megfelelően alakul. ∆

∙

∙

Az összefüggés alapján bármilyen hullámhosszra a lemez vastagságának megfelelő megválasztásával tervezhető a létrejövő fázis különbség, és így a polarizációs állapot. A legfontosabb, leggyakrabban alkalmazott lemezek a lambda-negyedes és lambda-feles lemez. Lambda-feles lemeznek azt a lemezt nevezzük, ami az adott hullámhosszú fényre  fázis különbséget okoz. Tehát egy lineárisan polarizált fénynyaláb polarizációs síkját 0-90 között folyamatosan lehet változtatni a beeső polarizációs irány és a kristály optikai tengelye által bezárt szög változtatásával. Ha például 90°-kal szeretnénk a polarizációt elforgatni, akkor ezt a szöget 45°-ra kell állítanunk. A lambda-negyedes lemezen való áthaladás után, az okozott /2-es fáziskülönbség miatt a beeső lineárisan polarizált fényből cirkulárisan polarizált fény lesz, és fordítva is, azaz ha cirkulárisan polarizált fény érkezik a lemezre, az áthaladás után lineárisan polarizált nyaláb lép ki. A kettősen törő kristályból készült lemezek nagy hátránya, hogy a fenti összefüggésből érthető módon csak egy adott hullámhosszra használhatóak. Egyik lehetőség a sávszélesség növelésére, ha több lemezt halmozunk egymásra. Hat darab kvarc lemezből állítottak már elő akromát lemezt, ami a 0,3-1,7 THz közötti tartományon szinte egyenletes fáziskésést hoz létre. Egy másik módszer, hogy a polarizációs állapot befolyásolására a folyadékkristályok kettősen törő tulajdonságát használjuk ki. Az elektronikus kontrollal az 1 THz-es jel fáziskésését a feszültség változtatásával folyamatosan változtathatjuk a 0 és /2 között. Nyalábosztó A terhertzes tartományon használt dielektrikumból készült nyalábosztók nem igen tudják teljesíteni azt a feltételt, hogy legalább nagyjából független legyen a transzmissziójuk a frekvenciától. Csak több, megfelelően illesztett átvitelű elem alkalmazásával, mérés közbeni cseréjével lehet megoldani a többé-kevésbé egyenletes átvitelt. Ez növeli a mérésidőt, és csökkenti a mérések reprodukálhatóságát. Ezt a problémát egy – a már fentebb ismertetett, polarizátorként is használható eszközzel – körgyűrűbe rögzített fémszálakból álló rács alkalmazásával egyszerűen lehet megoldani. Tekintsük a 23. ábrát, a fémszálak irányát a forrás lineáris polarizációs irányához képest 45°-os szögben beállítva frekvencia függetlenül 50-50%-ban osztja meg a nyalábot. A mérés során lefedett teljes frekvenciatartományon teljesül, hogy a nyaláb felét átengedi, felét visszaveri.


19

2. Spektroszkópiai módszerek a THz-es tartományon

2. Spektroszkópiai módszerek a THz-es tartományon 2.1. Bevezetés A spektroszkópiai módszerek közös elve, hogy a minta és a sugárzás kölcsönhatásának következtében fellépő jelenségek valamilyen tulajdonságainak megfigyeléséből következtetünk a minta tulajdonságaira. A sugárzás természete, frekvenciája alapján beszélhetünk például rádió ~, optikai ~, és jelen esetben THz-es spektroszkópiáról. Ezen belül is bár a megfigyelés módszerei nagyon sokfélék lehetnek, mindegyikben vannak azonban közös alapelemek, megoldások. A módszereket csoportosíthatjuk aszerint, hogy a megfigyelt jel inkoherens vagy koherens. De például a szerint is, hogy a mintáról reflektálódó vagy az átmenő jelet méri. Előbbit reflexiós ~, utóbbit transzmissziós spektroszkópiának nevezzük. A visszaverődésen illetve az elnyelődésen kívül megfigyelhetjük a minta emisszióját is. Transzmissziós esetben azt vizsgáljuk, hogy egy külső forrás által létrehozott, a mintán áthaladó THz-es tér, hogyan változik meg a mintával való kölcsönhatás következtében. A kölcsönhatás jellegét meghatározó fizikai paraméterek ez esetben a minta abszorpciója és törésmutatója, azaz a vizsgált minta komplex permittivitása. Ugyanilyen jellegű ismereteket nyerhetünk reflexiós elrendezésben is. A THz-es emissziós spektroszkópiában a minta fotogerjesztést követő terahertzes válaszjelét figyeljük meg, ami többféle folyamat következménye lehet. Az időbontott emissziós spektrumok elemzéséből a minta dielektromos tulajdonságainak dinamikájáról szerezhetünk információt. A THz-es spektroszkópián belül a reflexiós spektroszkópiát például a gyakran fémeket tartalmazó festékek azonosításában, tipikusan a műtárgyak vizsgálatában alkalmazzák. A biológiai alkalmazásoknál jelenleg elsősorban a transzmisszióban működő módszer a jellemző. Az inkoherens módszereknél a mintából jövő jel intenzitását, azaz a térerősség amplitúdójának négyzetével arányos mennyiséget mérünk. A koherens spektroszkópiai módszernél az elektromos tér amplitúdójának és fázisának egyidejű mérésével a frekvenciafüggő komplex törésmutatót határozzuk meg. A femtoszekundumos lézerek – például a Ti:Sa, titán zafír – kifejlesztése új lehetőséget hozott THz-es vizsgálati technológiákban. Ehhez társult még a félvezető és a nemlineáris anyagok technológiájának rohamos fejlődése. Az újgenerációs, kompakt, néhány ciklust tartalmazó THz-es jeleket előállító források és az őket érzékelni képes detektorok megjelenésével lehetővé vált, és kialakult a THz-es területen is a korábbi – például ívlámpákat és bolométert alkalmazó – hagyományos módszerek mellett az időtartománybeli módszert alkalmazó spektroszkópia, az időbontott spektroszkópia, és az emissziós spektroszkópia. Bemutatjuk ezeket az asztali méretekben megvalósítható mára nagyon népszerű elrendezéseket, de ezen túlmenően először szerepelni fog egy-két általánosnak mondható mérési elv is, amelyeket már a korábbi spektroszkópiai mérőrendszerekben


20


fejlesztettek ki, aztán a konkrét elrendezésekben, a különböző részletmegoldásokban a THz-es spektroszkópiában is alkalmaznak. 2.2. Diszperzív és interferometrikus módszerek A THz-es spektroszkópia eleinte a már meglévő források és detektorok továbbfejlesztésével, a már bevált elrendezésekkel dolgozott. A látható és a közeli infravörös tartományon működő spektroszkópiákban a diszperzív és az interferometrikus módszer egyaránt előfordul.

24. ábra Diszperzív spektroszkópiai módszer elve

A 24. ábrán egy diszperzív elrendezés elvét láthatjuk. A folytonos termális sugárzó spektrumából a diszperzív elem kiválasztja a kívánt frekvenciát, amit aztán a detektorral figyelünk meg. A mintára jutó frekvenciákat folytonosan változtatható módon kiválasztó diszperzív elem a terahertzes területen is egy rács. A tipikusan transzmissziós rácson áthaladva az elhajlásnak megfelelően a különböző frekvenciájú komponensek más-más irányban haladnak tovább, így a rács forgatásával lehet kiválasztani, hogy a forrás sugárzásából a kilépő résre egy adott központi frekvenciájú komponens jusson. A rács és a kilépő rés paraméterei meghatározzák, hogy ezen frekvencia körül milyen sávú sugárzás lép ki. A terahertzes tartományon használható, körülbelül ~3 THz-re tervezett rács tipikusan nagyjából 200 mm széles és 10 karcolatot tartalmaz milliméterenként, ezenkívül az átvitel sávszélessége 1-2 GHz körüli. Egy ilyen elrendezésben a detektorra egy adott pillanatban egy adott frekvenciájú jel érkezik. A látható és a közeli infravörös tartományban már korábban is elérhető volt – például egy CCD detektorral – a mintáról jövő fény spektrumában megjelenő különböző frekvenciájú jelek egyidejű érzékelése. Mostanára ez a lehetőség már a THz-es frekvenciákon is lehetséges. Ennek különösen az emissziót megfigyelő spektroszkópiáknál van jelentősége, hiszen így akár egyszerre rögzíthető a minta emissziós spektruma.


21


A rácsos rendszerekkel ellentétben az interferométert tartalmazó rendszerek magától értetődően multifrekvenciásak. A 25. ábrán látható elrendezésben a forrásból származó sugárzást parabolatükörrel való formálás után egy nyalábosztó egy részt a fix T1 tükörhöz, másrészt a mozgatható T2 tükörhöz vezeti, ahonnan visszaverődnek.

25. ábra Interferometrikus spektroszkópiai elrendezés

26. ábra A detektorra érkező jel a tükör elmozdulásának függvényében

Ha a forrás egy adott frekvenciájú, azaz monokromatikus jelet szolgáltat, akkor az T2 tükröt mozgatva a detektorra érkező jel az újra találkozó nyalábok interferenciájának eredményeképpen a d távolságot változtatva periodikusan fog változni a maximális és a nulla érték között, – ahogy a 26. ábrán láthatjuk – feltéve, hogy a nyalábosztó 50-50%-ban osztja ketté a beeső nyalábot. Ha a forrás nem monokromatikus, akkor a detektorra érkező jel több, egy az alapfrekvenciához képest egész számú többszörössel jellemzett frekvenciát is tartalmaz. Így azonban ellentétben a diszperzív rendszerekkel, az interferométeres rendszer nem közvetlenül a spektrumot szolgáltatja, hanem annak Fourier-transzformációját. Azaz, egy inverz Fouriertranszformációra még szükség van az eredeti spektrum meghatározásához. A 27. ábrán egy tipikus mérési görbét, a közvetlenül mért interferogramot, és az ebből számolt spektrumot látunk.

27. ábra Interferogram és spektrum


22


Bár a módszert már Michelson és Rayleigh feltalálták, de csak a számítógépes kiértékelési módszerek fejlődésének köszönhetően terjedt el olyan széleskörűen, hogy mára a Fouriertranszformációs eljárások visszavonhatatlanul elfoglalták méltó helyüket a spektroszkópia területén. Különösen jól használható ez a módszer a THz-es tartományban, ahol a gyenge jelek miatt a diszperzív rendszerek kevésbé érzékenyek. Az utóbbiaknál a keskeny frekvenciasáv kiválasztásához csökkenteni kell a rés szélességét, ami a detektálható jel intenzitását is csökkenti. Az interferométer esetén a körszimmetrikus elrendezés lehetővé teszi az elég nagyméretű kördiafragmák használatát, így jelentősen növelhető a detektált intenzitás. 2.3. Fourier-transzformációs spektroszkópia Az adott frekvenciatartományon kényelmesen használható diszperzív elemek hiánya miatt már a közeli és a távoli infravörös spektroszkópia is leginkább az interferométert alkalmazó Fourier-transzformációs módszert használta. Ennek megfelelően a THz-es spektroszkópiában is elterjedtek ezek az eljárások. Az alább ismertetett mérőmódszer egy a lineáris abszorbancia meghatározására alkalmas, a frekvenciatartományban működő eljárás.

28. ábra Fourier-transzformációs spektrométer

Ebben a 28. ábrán bemutatott THz-es spektrométerben a széles spektrumú folytonos THz sugárzó spektrumából az interferométer egy hullámhosszsorozatot választ ki, majd a mintán áthaladó sugárzás intenzitásának csökkenését – azaz az abszorpciót – egy inkoherens detektorral, például bolométerrel mérjük. Az interferométerben lévő tükrök egy adott helyzetében csak bizonyos hullámhosszakra lesz erősítés, azaz egy hullámhossz kombinációnak megfelelő jel lép ki. A detektor által mért intenzitás ezek összességéhez tartozik. Az egyik tükör mozgatásával változtatjuk a két nyaláb útkülönbségét, mivel mindig más és más hullámhosszsorozatot választunk ki, így változik az interferencia eredménye. A mérés során a tükör mozgatásának függvényében mérjük egyszer a referencián, másszor a mintán áthaladó jel intenzitását. Mindkét esetben inverz Fouriertranszformációval számoljuk ki a frekvenciafüggő intenzitást. Azaz: Iref (x)  Iref (f) és Iminta (x)  Iminta (f) számolás után az abszorpciót a következőképpen kapjuk:


23


2.4. Időbontott pumpa-próba mérőmódszer A fizikai folyamatokban a paraméterek időbeli változását vizsgáló módszer lehet a pumpapróba módszer. Ehhez a vizsgálni kívánt időskálához képest lényegesen rövidebb időtartamú jelenségre, impulzusra van szükség. A szubpikoszekundumos skálán lejátszódó folyamatok időbeli lefutásának tanulmányozására alkalmazott eljárás az ultrarövid lézerimpulzusokat használó pumpa-próba módszer. Az időbeli felbontást az optikai impulzus időbeli szélessége határozza meg. A 29. ábra egy általános elrendezést mutat.

29. ábra Időbontott pumpa-próba mérőrendszer

A lézernyalábot egy nyalábosztóval kétfelé osztjuk. Az egyik fényút hossza, jelen esetben a pumpanyaláb úthossza a tükrök helyzetével változtatható hosszúságú. Ez időben változtathatóan késlelteti a pumpanyalábot, ezzel a késleltető egységgel tehát változtatható a mintára érkező pumpa- és próbanyaláb közötti időkésés. A pumpáló nyaláb a mintában változást okoz, ezt követjük nyomon a próbanyaláb segítségével, akár a mintáról jövő reflexiót, akár a transzmissziót, akár a szórást figyeljük meg. 2.5. Koherens transzmissziós spektroszkópia A koherens THz-es spektroszkópia mérési elve alapján, a mintán átmenő koherens THz-es jel segítségével mérhetjük a minta optikai jellemzőit. A THz-es térerősség amplitúdójának és fázisának egyidejű mérése garantálja a komplex dielektromos függvény és vezetőképesség meghatározását. Azaz a valós és képzetes részek szimultán

30. ábra Elektromágneses hullám transzmissziója

adódnak. Vegyünk egy d vastagságú réteget, amire merőlegesen E0(ω) elektromágneses hullám érkezik. A közeg határfelületére érve egy része reflektálódik, más része belép a közegbe, ott többszörös reflexiók is bekövetkeznek, végül az oda-vissza haladó nyalábrészek interferenciájának és abszorpciójának eredményeképpen a transzmittált ET(ω) nyaláb lép ki, lásd 30. ábra.


24


, ahol a törésmutató,  A közeg komplex törésmutatója: ∙ az abszorpciós együttható. A mérés során a két térerősség arányát mérjük. Megmutatható, hogy: 4∙ 1

∙

∙

1

∙

∙ ∙

ahol a d rétegvastagságon áthaladó hullám a fázis eltolódása  





.

A komplex törésmutató a mért adatok illesztésével meghatározható. 2.6. Frekvenciatartományban működő koherens forrású spektrométer A koherens transzmissziós spektroszkópia egyik leggyakrabban használt THz-es forrása a BWO. Más koherens források közül különleges tulajdonságai miatt ilyen népszerű. A nagy kimenő teljesítmény mellett keskeny sávú és hangolható. Az alábbiakban a módszer bemutatásához a 31. ábra alapján egy a THz-es forrásként BWO-t, detektorként egy Golay-cellát alkalmazó elrendezést ismertetünk részletesebben. A kiragadott megoldás példa arra, hogy inkoherens detektorral is meg lehet a mérendő jel fázisát határozni, ha a mérőrendszer egy lényegében Mach–Zehnder-interferométerrel analóg elemet is tartalmaz [3].

31. ábra Koherens forrású és inkoherens detektort alkalmazó spektrométer

A BWO frekvenciáját a tápfeszültség fel-le változtatásával pásztázzuk. A kimenő jel frekvencia-sávszélessége elegendően kicsi, ∆ / 10 , így nincs szükség fáziszárt hurok alkalmazására. A kimenő THz-es sugárnyalábot lencsével, diafragmával formáljuk, hogy a minta előtt Gauss-profilt kapjunk. Ezután egy fémrács polarizátorral a polarizáció beállítása következik, majd a mintán áthaladva a nyaláb a detektorra érkezik. Ekkor nincs bent a nyalábútban az ábrán látható „nyalábosztó”. A transzmissziót kétszer mérjük, egyszer úgy, hogy a minta bent van a nyalábútban, máskor úgy, hogy nincs bent. A két jelet elosztva egymással megkapjuk a minta transzmisszióját. A fázis méréséhez bekerül a nyaláb útjába egy nyalábosztóként használt fémrács, ami a nyaláb egy részét elvezeti a fáziseltolódás mérését lehetővé tevő kompenzátor felé. Ez egy mozgatható tükör. Miközben hangoljuk a BWO frekvenciáját, úgy állítjuk be ezt a tükröt, TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

25


hogy a detektoron megjelenő jel nulla legyen, azaz kompenzáljuk a mintát tartalmazó nyalábágban bekövetkező fáziskésést. A tükör helyzetét jelző távolságot a BWO frekvenciájának a függvényében mérjük. Ahogy a transzmisszió mérésénél, ekkor is két mérésből tudjuk meghatározni a minta által okozott fázistolást. A mérések pontosságát és reprodukálhatóságát a minta és a referencia spektrumának egymáshoz illeszkedése korlátozza. Mivel ez a pozicionálási pontosság kb. 1 μm-es, ezért a transzmisszió mérésének hibája nagyjából 0,1-1% közötti.

2.7. Időtartománybeli THz-es spektroszkópia (TDTS, Time-Domain Terahertz Spectroscopy) A módszer ismertetése előtt, részletesebben írunk az ezeknél az elrendezéseknél leggyakrabban alkalmazott két-két THz-es impulzust előállító forrásról és impulzust érzékelni képes detektorról. THz-es impulzus előállítása fotovezető (PC) kapcsolóval Egyszerűségük miatt a fotovezető kapcsolókat illetve antennákat előszeretettel használják a TDTS elrendezésekben nemcsak a THz-es sugárzás előállítására, hanem a detektálására is. A 32. ábrán az eszköz működésében szerepet játszó folyamatot 32. ábra Fény indukálta szimbolizáltuk, miszerint a félvezetők vezetőképessége megnő, ha töltéshordozó a PC-ben megfelelő frekvenciájú fénysugárzás éri őket [4]. Ha a fotonok energiája nagyobb, mint a félvezetőrétegben a vezetési sáv és a vegyérték sáv közötti tiltott sávszélesség, akkor a foton elnyelése töltéshordozókat generál, elektron-lyuk párok keletkeznek. Például egy 780 nm hullámhosszú titán-zafir lézerimpulzusban a foton energiája joule-ban illetve elektronvoltban kifejezve: ∙



6,626 ∙ 10

Js ∙

∙ , ∙

2,55 ∙ 10

J

1,59 eV.

A sziliciumban és a gallium-arzenidban a tiltott sávszélesség ennél kisebb: 1,12 ill. 1,42 eV. Eszerint egy félvezető réteget fénnyel megvilágítva töltéshordozók keletkeznek. A 33. ábrán egy sematikusan illusztrált PC-t látunk, az antennaként használt két fémelektróda μm-nyi távolságra van egymástól és köztük félvezető réteg tölti ki a teret. Az antennákra kapcsolt feszültség elektromos teret hoz létre, amiben megindul a fény által generált töltéshordozók gyorsulása, így fényindukált áram folyik. A fotoáram a fényimpulzus megszűnése után a töltéshordozók rekombinációjának megfelelően időben lecseng.


33. ábra Fotovezető antenna

26


A kialakult áramsűrűség J(t) nagyságát a következőképpen kapjuk: ∙ ∙

∙

ahol N(t) a töltéshordozók koncentrációja, e az elemi töltés nagysága, μ a (félvezető anyagi tulajdonságai által meghatározott) töltéshordozók mozgékonysága, E a fémelektródákra kapcsolt tér erőssége. A gyorsuló töltések elektromágneses teret keltenek, a kialakult THz-es frekvenciájú sugárzás térerőssége arányos a fotoáram időbeli deriváltjával: ∝

,

∝

azaz

.

A 34. ábrán a lézerimpulzus, a fotoáram és a kialakuló THz-es impulzus jellegzetes időbeli lefutását láthatjuk. A terahertzes impulzus időbeli szélességét az akár néhány pikoszekundumig is eltartó fotoáram időbeli lecsengése határozza meg. A fotoáram időbeli lefutását két dolog befolyásolja, a töltéshordozóknak a rekombináció folyamatával kapcsolatos élettartama és az indukáló lézerimpulzus időbeli szélessége. A töltéshordozók élettartama az antenna anyagául választott félvezető anyagi minőségére jellemző állandó. A félvezető mobilitását nagyon megfontoltan kell megválasztani, hogy elkerülhető legyen a rövidzárlat. A lézerimpulzus időtartamának 34. ábra A lézerimpulzus, a fotoáram, változtatásával a lézernyaláb teljesítményét és a THz-es jel időbeli lefutása. is befolyásoljuk. Az intenzív THz-es impulzus előállításához minél nagyobb teljesítményű lézerimpulzusra, minél kisebb rekombinációs idejű félvezetőre van szükség, miközben az antennára minél nagyobb előfeszültséget kell kapcsolni. THz-es impulzus előállítása optikai egyenirányítással A THz-es impulzusok előállításának másik, mostanság elterjedten alkalmazott módszere az optikai egyenirányítás [4]. Ennél a nemlineáris optikai eljárásnál az ultrarövid ideig tartó lézerimpulzus olyan nagy intenzitású, hogy egy arra alkalmas kristályra érkezve másodrendű nemlineáris folyamatot generál. Ilyen esetben a közeg a beeső elektromágneses sugárzás elektromos térerősségére adott válasza – a polarizációja – magasabb rendű tagokat is tartalmaz. Általánosan a polarizáció és a térerősség között a közeget jellemző szuszceptibilitási tenzorok összefüggéssel adható meg: 

teremtenek kapcsolatot, ez a sorfejtés után a következő





⋯

A polarizáció-idő függvény Fourier-transzformálásával megkapjuk a közeg polarizációjának frekvenciafüggését. A lézerimpulzus elektromos térerősség függvényének TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

27


időbeli lecsengése nagyon rövid, ezért a Fourier-transzformációval megkapható spektruma elég széles, több frekvenciakomponenst is tartalmaz. A közeg nemlineáris válaszában az eredeti frekvenciák mellett azok összege, különbsége, többszöröse is megjelenik. A lézernyaláb frekvenciakomponenseiből kettőt kiragadva, megmutatjuk, hogyan adható meg a frekvenciafüggő polarizáció egyik komponense: ∝ Természetesen a sokféle frekvenciának megfelelő sokféle különbségi frekvencia mind megjelenik a polarizációban. Ez a különbségi frekvenciáknak megfelelő jel a THz-es tartományba esik, mivel a lézerfény a látható, illetve a közeli infravörös komponenseinek frekvenciakülönbsége éppen ilyen nagyságrendű. Ily módon a keltett THz-es jel spektrumában az összes a széles spektrumú lézernyalábban meglévő optikai frekvenciák különbségei megjelennek, és egy széles spektrumú, azaz rövid idejű THz-es jelet kapunk. A 35. ábra azt a folyamatot szemlélteti, ahogy a rövid idejű lézerimpulzus a nemlineáris közegben THz-es jelet generál.

35. ábra Az optikai egyenirányítás folyamata

A hatékony terahertz generáláshoz egy fontos feltételnek – az úgy nevezett fázisillesztés feltételének – kell teljesülnie. Ez azt jelenti, hogy a terahertzes impulzusnak a kristályban való haladás közben végig ugyanolyan sebességgel kell haladnia, mint a lézerimpulzusnak. Ez a diszperzió miatt nem egy magától értetődően teljesülő feltétel. De ha teljesül, akkor a terjedés közben keletkező terahertzes hullámok koherens módon adódnak össze. Tehát a feltétel szerint a látható optikai impulzus csoportsebessége meg kell, hogy egyezzen a terahertzes hullámok fázissebességével: = TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

28


Ha ez nem teljesül az alkalmazott nemlineáris kristály anyagi tulajdonságaiból következően magától, akkor egy nemrégiben kifejlesztett – itt nem részletezett – eljárással, a döntött impulzusfrontú elrendezéssel érhetjük ezt el. THz-es impulzusok detektálása fotovezető antennával A TDTS mérőberendezésben a THz-es jel detektálására a fenti két generáló folyamat ellentétes irányú megfelelőiként a fotovezető antennát vagy az elektro-optikai mintavételezést alkalmazzák. Ahogy azt már leírtuk, egy titán-zafir lézerimpulzusban a foton energiája nagyobb, mint egy félvezető rétegben a tiltott sáv szélessége. Így egy ilyen nyaláb töltéshordozókat generál a félvezető felületén. A 36. ábra egy áttekintő képet ad a működésről.

36. ábra THz-es impulzus detektálása fotovezető antennával

Ha egyszerre éri a félvezető felületét a THz-es sugárzás és a lézernyaláb, akkor a lézer által generált töltéshordozók a THz-es elektromos térben elmozdulnak, áram indukálódik. Ha a lézerimpulzus időbeli szélessége és a töltéshordozók rekombinációs élettartama sokkal kisebb, mint a THz-es jel időtartama, akkor azt mondhatjuk, hogy a fotovezető antenna ezen a pikoszekundumos időtartományon belül csak egy pillanatig érzékeli a terahertzes jelet. A jó detektor szempontjából tehát kritikus paraméter, hogy a félvezetőben keletkező töltéshordozók élettartama minél rövidebb legyen. Doppolással, azaz ionos szennyező anyagok bevitelével csökkenteni lehet a rekombinációs időt, mert így a töltéshordozók könnyen csapdázódnak. A rekombináció után a félvezető antenna újra alkalmas a THz-es jel detektálására, amint érkezik a következő lézerimpulzus bekapcsol és a THz-es jel pillanatnyi nagyságával arányos áramot jelez: ∝ . A THz-es jel egy adott pillanatbeli elektromos térerősségének mérése után egy – később a TDTS mérőrendszer leírásakor ismertetendő – késleltető egységgel el kell tolni a lézernyaláb érkezésének idejét, hogy egy következő pillanatban mérjük a térerősséget.


29


Terahertzes impulzusok detektálása elektro-optikai mintavételezéssel Az elektro-optikai (EO) mintavételezés során – ahogy a PC alkalmazásakor is – a THz-es jelet időtérben mérjük, és nem csak az elektromágneses tér amplitúdóját, hanem a fázisát is nagy pontossággal (<10-2 rad) tudjuk meghatározni. Az EO során egy a THz-es frekvenciákon kettőstörő kristályt alkalmazunk a detektálásra – ilyen például a gyakran használt ZnTe (cinktellurid) kristály – és lényegében a jól ismert elektro-optikai Pockels-effektust használjuk ki. Az elektromos tér jelenlétében megvalósuló kettőstörés – ugyanúgy, mint az optikai egyenirányítás – a közeg nemlineáris válasza a nagyintenzitású elektromágneses térrel való kölcsönhatás esetén. A másodrendű polarizáció kifejezésében a tér által indukált szuszceptibilitás tenzor ugyanazon komponensei szerepelnek, mint az optikai egyenirányításnál, és egy veszteségmentes közegben ezek meg is egyeznek. Ebből következik, hogy az elektromos tér által indukált kettőstörés arányos a tér amplitúdójával. Fordítva is igaz, a kettőstörés mérésével meg tudjuk határozni az alkalmazott elektromos tér erősségét. A 37. ábra egy tipikus elrendezésen keresztül segít megérteni a működés elvét [2].

37. ábra THz-es impulzus detektálása elektro-optikai mintavételezéssel

A terahertzes tér jelenléte nélkül érkező lineárisan polarizált lézerimpulzus a polarizációs állapot változása nélkül áthalad az átlátszó kristályon és utána a lambda-negyedes lemezre érkezik. A kettőstörő kristályból készült lemezben a ráeső lineárisan polarizált nyaláb ordinárius és extraodrinárius nyalábra oszlik. A beeső nyaláb polarizációs síkjának és a pontosan negyed hullámhossznyi vastagságú kristály optikai tengelyének összehangolásával elérhető, hogy a lemezen való áthaladás után a két nyalábrész egyenlő intenzitású legyen, és éppen π/2 fáziskülönbség legyen közöttük. Így a megfelelő irányban beállított optikai tengelyű lemezen való áthaladás után az eredetileg lineáris polarizációjú nyalábból a kettőstörés miatt kialakult két egymásra merőleges polarizációjú lineárisan polarizált nyaláb interferenciájaként cirkulárisan polarizált nyaláb lép ki. A Wollaston-prizma ezután szétválasztja ezeket az egymásra merőleges komponenseket. A kiegyensúlyozás után a két detektorra egyenlő intenzitású nyalábok érkeznek, a különbséget jelezve nullát mutatnak. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

30


Ha ezután a lézernyaláb a terahertzes tér jelenlétében, azzal egy időben halad át a kristályon, akkor a polarizáció síkja elfordul, a hullámhossznegyedes lemezen áthaladva elliptikusan polarizált nyalábként lép ki, a prizma után a szétválasztott két nyaláb intenzitása nem lesz egyenlő, a különbségi detektor nullától különböző jelet mutat. A különbségi jel nagysága arányos lesz a terahertzes tér amplitúdójával, mert az általa létrehozott kettőstörés is ∙ ∆ ∝ lineáris az indukáló tér amplitúdójával. Azaz: A ZnTe kristállyal való THz-es generálás és detektálás hatékonysága – az optikai és THzes átlátszóságon túlmenően – megköveteli, hogy teljesüljön az úgynevezett fázisillesztési feltétel. Ami azt jelenti, hogy az EO kristályban az optikai impulzus csoportsebessége meg kell egyezzen a THz-es jel fázissebességével, így teljesül ugyanis az a feltétel, hogy a lézerimpulzus a kristályon való áthaladása közben a THz-es jeltől származóan végig ugyanakkora elektromos térerősséget érezzen. Így ez a térerősség abban az adott pillanatban jellemzi a TH-es jel amplitúdóját. Időben késleltetve egymáshoz képest a lézernyaláb és a terahertzes jel érkezését letapogatható a THz-es tér amplitúdójának időbeli változása. A ZnTe kristály THz-es sugárzás generálása szempontjából előnyös tulajdonságai egyrészt, hogy mind az optikai, mind a THz-es frekvenciákon átlátszó, másrészt, hogy a 800 nm közelében jól teljesül a sebességillesztési feltétel, és nagy az elektro-optikai együtthatója. Mindezek a tulajdonságok igen előnyösek az elektro-optikai mintavételezés szempontjából is. Az ilyen detektálási technika megvalósításakor az a legelőnyösebb, ha maximalizáljuk a tér indukálta kettőstörést. Ez akkor lehetséges, ha – ahogy azt a 38. ábrán láthatjuk – mind az optikai, mind a terahertzes elektromos tér polarizációja párhuzamos egymással és az [110] irányba orientált kristály 110 irányú tengelyével. A terahertzes tér jelenlétében megjelenő nemlineáris polarizáció merőleges az optikai jel polarizációjára, így a beeső lineárisan polarizált nyalábból elliptikusan polarizált nyaláb lesz az EO kristályon való áthaladás után. Ideális esetben a két komponens közötti fáziskülönbség: 38. ábra A kristálytengelyek és az elektromágneses terek irányai ∙  ∙ ∙ ahol nO a törésmutató az optikai frekvencián, r41 az elektro-optikai együttható, L a közegben megtett úthossz. A próbanyalábból származó detektorokra érkező két komponens intenzitása: 1



1

és

 .

Tehát a kiegyensúlyozás után érzékelhető különbségük: ∙  ∝


31


Így ideális esetben a detektorok válaszjele valóban lineáris a terahertzes térerősség pillanatnyi értékével. Valós mérési körülmények között az időbeli felbontást – illetve ebből következően a spektrális felbontást is – három tényező korlátozza: (1) A próba lézerimpulzus – igaz nagyon rövid, de – végesen kicsi időbeli szélessége. (2) A nemlineáris szuszceptibilitás diszperziója, azaz frekvenciafüggése. (3) A nem megfelelő illesztés az optikai jel csoportsebessége és a THz-es jel fázissebessége között. A TDTS elrendezésekben szokásos THz-es források és detektorok működésének részletes leírása után rátérünk a mérőrendszer ismertetésére. Az általános elrendezési elvet a 39. ábrán szemléltettük.

39. ábra A TDTS elvi elrendezése

A femtoszekundumos lézer polarizált fényéből mindkét esetben – fotovezető kapcsoló illetve optikai egyenirányítás esetén is – frekvencia lekonvertálással állítjuk elő a THz-es sugárzást. A mérés során ez a széles spektrumú sub-ps vagy ps-os időtartamú THz-es impulzus éri a mintát illetve a referenciát. Az átmenő vagy reflektálódó jel időbeli alakja a minta tulajdonságainak megfelelően megváltozik, ezt a referencia jelhez képesti változást figyeljük meg. Detektorként fotovezető antennát vagy elektro-optikai mintavételezést alkalmaznak. Erre a módszerre, mint koherens módszerre jellemző, hogy egy időben mérjük az elektromos térerősség amplitúdóját és fázisát is. A reflektált illetve az átmenő jel időbeli lefutását mindkét esetben pumpa-próba méréssel határozzuk meg. A 40. ábrán azt láthatjuk, hogy egy jellemző időbeli jelből Fouriertranszformációval – idő → frekvencia frekvenciafüggő spektrumot.

transzformációval

–

lehet

meghatározni

a

40. ábra Az időtartományban mért jelből Fourier-transzformációval származó spektrum


32


Az alkalmazott források és detektorok részletes bemutatása és a rendszer általános felépítésének ismertetése után tekintsük az időtartományban működő mérési módszer két konkrét elrendezését. TDTS mérőrendszer fotovezető kapcsolóval A 41. ábrán látható TDTS elrendezésben egy PC szolgáltatja a THz-es jelet, és szintén PCvel detektáljuk azt. A nagyságrendben 100 fs-os lézerimpulzus fénye egy nyalábosztóra érkezik. Egyik része a THz-es sugárzást kibocsátó forrásra esik, a másik része egy, úgynevezett időkésleltető egység felé halad, amiben a tükrök mozgatásával lehet változtatni az optikai úthosszat. Így változtathatjuk, hogy ez a nyaláb mikor érkezzen a detektorra a másik nyalábágban haladó jelhez képest. A lézernyaláb az emitterből THz-es sugárzást vált ki, ami aztán megfelelő nyalábformálás után a mintára érkezik, azon áthaladva, vagy arról reflektálódva újabb nyalábformálás után a 41. ábra A TDTS elrendezés fotovezető kapcsolóval detektorra érkezik. A detektor csak a lézerimpulzus kb. 100 fs-nyi időtartamában lesz érzékeny az érkező THz-es jelre, és az elektromos válaszjelének nagysága arányos lesz az érkező THz-es jel, azaz az elektromos térerősség nagyságával, az amplitúdóval. A detektorra érkező „kapcsoló” lézernyalábot időben késleltetve letapogatható a referenciából illetve a mintából jövő jel időbeli alakja. A késleltető egységben a tükrök akár ~1 μm-es lépésben mozgathatók, 15 μmnyi elmozdulás 30 μm-nyi úthossz változást okoz. Ez a fény terjedési sebességét figyelembe véve a lézerimpulzus detektorra érkezését ~100 fs-mal tolja el. Tehát a referencián és a mintán áthaladó impulzus időbeli alakját általunk választott felbontásban, sok-sok pontban mérjük. A 42. ábra azt szemlélteti, hogy véges számú mérési pontból állítjuk elő az amplitúdóidő függvényt.

42. ábra A véges számú pontban mért és a valós amplitúdó-idő függvény


33


TDTS elektro-optikai mintavételezéssel A 43. ábrán egy detektálási technikaként elektro-optikai mintavételezést alkalmazó TDTS elrendezést láthatunk. A referenciáról és a mintáról jövő THz-es jel időbeli változásának mérése is ugyanúgy történik. Elsőként a λ/4-es lemezt THz-es tér jelenléte nélkül úgy állítjuk be forgatással, hogy az EO kristályon áthaladt lineárisan polarizált próba lézernyalábból a lemezen való áthaladás után cirkulárisan poláros fény menjen tovább. Ebben akkor lehetünk biztosak, ha a kiegyensúlyozó detektor zérus jelet mutat. Ezután bekapcsoljuk a THz-es forrást, 43. ábra A TDTS elrendezés elektro-optikai mintavételezéssel betesszük a nyalábútba a referenciát, illetve a mintát, a detektoron zérustól különböző jelet kapunk, ami a THz-es tér pillanatnyi amplitúdójával arányos. Ezután tovább léptetve az időkésleltető egységet, megváltozik az EO kristályra érkező próbaimpulzus és a THz-es jel közötti időkésés, a próbaimpulzus más időpillanatban „látja” a THz-es jelet. A detektoron megjelenő jel most az időeltolásnak megfelelő pillanatbeli térerősséggel arányos jelet mutat. Az időkésleltető egység további léptetésével több időpontban is megmérjük a THz-es jel nagyságát. A fentebb már ismertetett módon a mért mérési pontokból összeállított időbeli függvényből Fourier-transzformációval állítjuk elő a spektrumot. A referencián és a mintán átmenő jelek spektrumából meghatározzuk a transzmissziót. Az elrendezés geometriája reflexiós esetben egy kicsit más, ekkor természetesen a mintáról reflektálódó jelet detektáljuk, de a mérés elve itt is hasonló. A TDTS mérőrendszert mára igen elterjedten alkalmazzák a biológiai vizsgálatokban, míg az alább ismertetendő időbontott mérőmódszer jelenleg még inkább csak a szilárdtest-fizikai vizsgálatokban használatos, de várhatóan nagy szerepe lehet a biológiai rendszerek spektroszkópiájában is. Ugyan a víztartalmú minták terahertzes tartományú megfigyelése nagy kihívás módszertanilag, de ezzel az időbontott módszerrel lehetségessé válik a molekuláris dinamika részleteinek feltárása a szubpikoszekundumos időskálán, így ígéretes eredményeket tartogat. A következő fejezetben erről az időbontott módszerről adunk áttekintést.


34


2.8. Időbontott terahertzes spektroszkópia (Time Resolved Terahertz Spectroscopy, TRTS) A folytonos terahertzes forrásokkal ellentétben az impulzusforrásoknál alkalmazott 10100 fs időbeli szélességű titán-zafir lézerimpulzus lehetővé teszi, hogy időbeli felbontást alkalmazzunk. Az úgynevezett időbontott terahertzes spektroszkópia során a tipikusan fotogerjesztést követően az időben figyeljük meg a mintán átmenő THz-es jel spektrumát [1]. A 44. ábrán a mérés elvének sematikus megjelenítését látjuk. Az optikai pumpajel után a változtatható nagyságú τpp idő múlva érkező terahertzes próbajel segítségével vizsgáljuk a minta tulajdonságait, illetve azok időbeli változásait. A vizsgálandó közeg a komplex permittivitásának megfelelően a THz-es jelet 44. ábra TRTS mérés elve késlelteti, és az amplitúdóját csökkenti. Az időbontott transzmissziós spektrumokat a fotogerjesztést követő 100 fs-1 ns közötti időtartományon tudjuk felvenni. A TRTS által szolgáltatott információ jellege alapvetően különbözik a már ismertetett TDTS-sel nyerhető információktól, amiből a minta statikus tulajdonságaira tudunk következtetni. Az időbontott mérésekből a közeg tulajdonságainak időbeli fejlődését tudjuk követni. A módszer 200 fs-nál jobb felbontásban tudja követni a frekvenciafüggő komplex permittivitást. Általában „fotovezetés”-ről beszélünk, amikor a közeg permittivitása fotogerjesztést követően megváltozik, pedig ez nem csak az elektronvezetéshez köthető. Egy látható tartományba eső elnyelés után a mozgékony elektron-lyuk párok mellett polarizálható excitonok, polaritonok is keletkezhetnek. Időbontott méréseket például a 45. ábrán látható úgynevezett optikai pumpa, terahertzes próba elrendezéssel lehet végezni [5]. A két részre osztott lézerimpulzus egyik fele frekvenciakétszerezés után, időben késleltetve gerjeszti a mintát. A lézernyaláb másik része terahertz generálásra és detektálásra szolgál. 45. ábra Időbontott terahertz spektrométer


35


Kétféle módon is lehet időbontott méréseket végezni. Egyik lehetőség, hogy időtartományban figyeljük a terahertzes jel csúcsában bekövetkező változást. Ezt jelöltük a 46. (a) ábrán kék körrel. A pumpa és a próba 46. ábra (a) TDTS próba szken (b) TRTS pumpa szken közötti időkésleltetést változtatva a fotogerjesztés alatt a transzmisszióban bekövetkező – a 46. (b) ábrán szemléltetett – változásból nyerjük az információt az ehhez az időskálához tartozó fotovezetés folyamatáról és a vezetőképesség élettartamáról. A másik mérési eljárással felvehető a pumpa és a próba egy adott időpillanatbeli helyzetéhez tartozó teljes terahertzes hullámforma. Ahogy azt a TDTS-nél már megismertük, az időtartományban mért jelből Fourier-transzformációval származik a spektrum. Ezután változtatjuk a pumpa érkezésének idejét, és egy következő időpillanathoz tartozóan mérjük a spektrumot. A 47. ábrán azt láthatjuk, hogy ha a terahertzes jel előbb érkezik, mint az optikai impulzus, akkor az áthaladás után a minta abszorpciójának megfelelően késik, és az amplitúdója csökken. Ha az optikai impulzus érkezik előbb, akkor a két jel összehasonlításából a fotogerjesztéshez tartozó optikai állandókat – az abszorpciós együtthatót, a törésmutatót, és a 47. ábra TRTS a teljes THz-es hullámforma detektálásával vezetőképességet – tudjuk meghatározni. 2.9. Terahertzes emissziós spektroszkópia (Terahertz Emission Spectroscopy, TES) A terahertzes emissziós spektroszkópia mérési elrendezése bizonyos szempontból nagyon hasonló a TDTS-éhez. Annyiban egyszerűbb, hogy nincs szükség THz-es forrásra, hiszen az maga a minta. A lézernyaláb egy része a nyalábosztás után közvetlenül a mintára érkezik, és az így generált THz-es jelet figyeljük meg a már ismertetett időkésleltető egységgel és detektorrendszerekkel [1]. Többféle folyamat során is történhet terahertzes sugárzás kibocsátása, például optikai egyenirányítás, shift current, vagy éppen töltéstranszfer folyamatok következtében. Mindegyik esetben a minta polarizációjának időbeli változása, illetve a valódi áram TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

36


erősségének változása hozza létre a terahertzes jelet. A módszer alkalmazása során a minta által kibocsátott terahertzes jel alakját, frekvenciafüggését, spektrumát vizsgálva nyerhetünk információt a sugárzásért felelős, vagy éppen azokat elnyomni igyekvő folyamatokról.

48. ábra TES mérési elrendezés

A 48. ábrán egy tipikus TES mérési elrendezést láthatunk. A lézerből kilépő fénysugarat a nyalábosztó két részre bontja. Az energia legalább 99% -a egy időkésleltető egységen keresztül a mintára érkezik, és ott THz-es sugárzást generál. Kisebb része az elektro-optikai mintavételezéssel működő detektor felé megy tovább. A minta után egy polisztirén lappal blokkoljuk a látható fény útját, így nem juthat a detektorrendszerre a gerjesztő fény azon része, amit a minta nem abszorbeált. A terahertzes sugárzás hullámhossza a milliméteres tartományba esik, és ez összemérhető a mérőrendszerben alkalmazott elemek méretével. Ezért a megfigyelésnél tekintettel kell lennünk arra, hogy a forrástól milyen messzire helyezzük a detektort, azaz közeli-térben (near-field), vagy távoli-térben (far-field) dolgozunk [6]. Mivel nagy sávszélességű, időben egy ciklusú jeleket vizsgálunk, a két régióhoz tartozó távolságok meghatározásánál a hullámhossz mértéke helyett jobb becslést adhatunk egy impulzus térbeli hosszával. Ahogy a 49. ábrán láthatjuk, távoli-térben figyelünk meg, ha a minta és detektor távolsága:

≫

∙

, ahol r a látható pumpanyaláb sugara, t0 a THz-es

impulzus időbeli félértékszélessége. Közeli-térben, ha

≪

∙

.

49. ábra Közeli- és távoli-tér


37


Mivel sok esetben

∙

≈ 1 cm, felvetődik a kérdés, hogy milyen távolságban beszélhetünk

távoli-térről? Ebben akkor lehetünk biztosan, ha a d távolságot növelve már nem változik a mért jel alakja. Ez általában 3 cm, vagy még több is. Ritkán adódik olyan lehetőség, hogy a detektort szinte kontakt-módon helyezzük el a mintához képest. Legtöbbször – már csak a pumpanyaláb kis mérete miatt is – a távoli-térben mérjük a jel alakját. Mindenesetre, akár a közeli-, akár a távoli-térben gyűjtjük az adatokat, nem használunk, illetve nem használhatunk leképező, fókuszáló optikákat. Ha csak lehetséges, érdemes a közeli-térben megfigyelni, mert így közvetlenül kapjuk a torzítatlan jelalakot. Egy ilyen mérésnél persze kisebb a jel-zaj viszony értéke a fókuszáló optikák alkalmazásával elérhetőhöz képest, de elkerüljük a diffrakció, illetve az asztigmatizmus okozta torzításokat. A fókuszáló optikák használata megtévesztő eredményekhez is vezethet. Előfordulhat, hogy a jelalak változását, a polarizáció időfüggő változásának véljük, miközben egy szisztematikus mérési hibát, műterméket vittünk be. Egy mintában többféle folyamat következtében keletkezhet THz-es sugárzás miután egy látható fényimpulzussal megvilágítjuk. A különböző folyamatokból származó terahertzes jel intenzitása különböző módon függ, akár a minta felülete és a gerjesztő nyaláb által bezárt szögtől, de a gerjesztő nyaláb polarizációs irányának változása is befolyásolja a keletkező THz-es jel polarizációját. A fent ismertetett elrendezés polarizáció érzékeny, tehát alkalmas arra, hogy a mérések során a jelalak ezen irányok szerinti függését vizsgáljuk. Az adatok értékelése során elemezhetjük a sugárzás keletkezésért felelős folyamatokat, azok természetét, és ezzel a minta tulajdonságairól kapunk információt. A biológiai alkalmazásokban talán annak lehet leginkább jelentősége, hogy a molekulán belüli töltéstranszfer folyamatok terahertzes jel kibocsátásával járnak együtt. A töltéstranszfer mindenféle fajta folyamat kísérője. Ilyenek többek között a biológiában: a fotoszintézis, a légzés, vagy más területen: a korrózió, a fotográfia. A széles területű érdeklődés miatt sokféle vizsgálati módszerrel tanulmányozzák őket. Például közvetetten a töltésmozgásban szerepet játszó donor és az akceptor tranziens abszorpciójának vagy látható tartományú emissziójának megfigyelésével. A töltésmozgás közben kibocsátott terahertzes tartományú elektromágneses hullámok megfigyelése azonban a konkrét donor és akceptor figyelembe vétele nélkül a szubpikoszekundumos időskálán közvetlenül szolgáltat információt a folyamat menetéről.


38

3. Képalkotás THz-es sugárzással

3. Képalkotás THz-es sugárzással 3.1. Bevezetés A modern képalkotó eljárások nap, mint nap behálózzák az életünket. A televízió, számítógép képernyője, a film állandóan képeket közvetít nekünk. A radarképekkel követhető, megjósolható az időjárás, a röntgen ~, a mágneses rezonanciás ~, az ultrahangos képalkotás az orvosi diagnosztika nélkülözhetetlen eszközei. A röntgensugárzás felfedezése óta eltelt hosszú időben – különösen az 1970-es évek óta – forradalmi változások mentek végbe az orvosi diagnosztikában felhasznált képalkotó eljárások terén. Különösen nagy lökést adott a fejlődésnek a számítógépes kapacitások rohamos növekedése. Manapság képesek vagyunk az elektromágneses spektrum frekvenciatartományának két szélén található sugárzással is képet alkotni. Egy PET (Positron Emission Tomography) vizsgálat során a pozitron-elektron annihilációban keletkező γfotonok megfigyelésével készül a kép, míg az MRI (Magnetic Resonance Imaging) vizsgálatkor rádiófrekvenciás jeleket detektálunk. Ezen eljárások kialakulásuk óta is jelentősen tovább fejlődtek úgy, hogy manapság már a strukturális, anatómiai elváltozásokon túlmenően képesek vagyunk a funkcionális problémák megjelenítésére is. De a képalkotásnak nem csak az orvosi diagnosztikában van jelentősége. Az elektromágneses spektrum két szélső frekvenciasávja közötti tartományokon, például a látható és a közeli infravörös sugárzást felhasználó képalkotás mellett ma már a T-sugarakat is fel tudjuk használni, hogy képet alkossunk egy-egy tárgyról, vagy élő dologról. A THz-es képalkotási technológia alkalmazása az asztronómiában kezdődött 1960 táján. Rejtett tárgyakról készült THz-esnek mondható képekről 1975-ben számoltak be először [7]. A THz-es frekvenciákon a különböző anyagok nagyon különböző tulajdonságokkal bírnak. A fémek nagyon reflektívek, a különböző összetételű vegyszerek jellegzetes spektrumokkal, úgynevezett spektrális ujjlenyomattal jellemezhetők, a csomagolóanyagok tipikusan átlátszók, a víz nagyon abszorbeál. Tehát az életünkben előforduló, vizsgálni kívánt anyagi összetevők jól megjeleníthetőek a T-sugarak segítségével. A már korábban ismert képalkotási technikákkal szemben nagy előnye, hogy semmilyen módon nem káros az emberi szervezetre nézve. Az 1 THz frekvenciával jellemzett sugárzásban terjedő foton energiája 4,14 meV, ez az energiaadag nem elegendő semmilyen kémiai kölcsönhatás létrejöttéhez vagy ionizációs folyamathoz. Szemben a γ-, vagy röntgensugárzással, a THz-es sugárzás nem ionizáló hatású. A PET radioaktív izotóppal megjelölt glükóz segítségével jeleníti meg a tumoros sejteket, pikomol nagyságrendű az érzékenysége, de a térbeli felbontása gyengébb, kb. 1 cm. Az MRI nem kíván radioaktív izotópot, és nem is ionizáló hatású, de a nagy térbeli felbontási lehetőségek mellett kevésbé érzékeny. A THz-es képalkotás a veszélytelensége mellett kb. 0,3 mm-es felbontást tud biztosítani. Ráadásul a látható, és a közeli infravörös tartományhoz képest hosszabb, a 3-100 μm közötti hullámhossz szignifikánsan nagyobb a mintákban meglévő szóró centrumok méreténél, így a λ-4 -el arányos szórás intenzitása sokkal


39


kisebb. A képalkotásnál nagyon fontos, minőséget jellemző paraméter a kontraszt, a Tsugarak esetén a minimális szórási háttér miatt ez nagyon jó. Az alább részletesebben ismertetendő módszerek közül az egyik legígéretesebb THz-es képalkotási módszer az impulzustechnika. Egyedülálló perspektíva a többihez képest, hogy a képi információn túlmenően – az ebben a jegyzetben nem tárgyalt Raman-mikroszkópiához hasonlóan – spektroszkópiai információhoz is jutunk. A terahertzes tartományon eléggé átlátszó mintáknál nagy előny továbbá, hogy nagyon jó jel-zaj viszony érhető el. A struktúra megjelenítése ilyen esetben ugyanis csak akkor lehetséges, ha nagyon kis törésmutató változásokat is meg tud különböztetni a módszer. A víz nagymértékű terahertzes abszorpciója előny és hátrány is egyben. Az 5,6 THz körüli széles abszorpciós csúcs miatt a 70%-ban vizet tartalmazó emberi testen nem tud áthatolni a T-sugárzás, igen rövid távolságon elnyelődik. A behatolási mélység bőrben kb. 1 mm, zsírszövetben 6 mm körüli. Más szempontból a módszer igen érzékeny a víz jelenlétére vagy éppen hiányára, a víztartalom mértéke pedig jelezhet bizonyos elváltozásokat. Például tumoros szövetekben, a szövet-közötti térben nagyobb a víztartalom az egészségesekhez képest, és ezek a THz-es képen jól elkülöníthetők egymástól. Ez az új képalkotási technika még nem terjedt el a klinikai gyakorlatban, de úgy tűnik a bőrrák diagnosztikában ígéretes jelölt, hogy rutin vizsgálati módszerré váljon. Egy kép minőségét jellemző paraméter a térbeli felbontás. Ennek növelését, mind a több méteres távolságból, mind a közelebbi tartományú, azaz akár néhány milliméteres távolságból történő leképezés esetén a hullámhossz és az apertúra méretének aránya korlátozza. A közelitér leképezés segítségével le lehet győzni ezeket a korlátokat, ami a THz-es tartományon hullámhossz alatti (< 1 μm) térbeli feloldást tesz lehetővé. Ez különösen vonzó a biológiai alkalmazásoknál, így például megjeleníthetjük a sejten belüli részleteket [3]. Egy képalkotó rendszer több alrendszerből áll, bár mindegyik nélkülözhetetlen a működésben, de az alábbiakban nem fogjuk az összest részletesen ismertetni. Technikai szempontból megkülönböztethetünk passzív és aktív képalkotást. A passzív módszer – hasonlóan az infravörös sugárzást érzékelni képes kamerákhoz – a tárgyról jövő természetes, illetve a tárgy által a környezetből származó reflektált vagy szórt THz-es sugárzást detektálja. Az aktív módszerek valamilyen terahertzes forrást használnak a tárgy megvilágítására. A források elvileg lehetnek szélessávú termális források, de az aktív rendszerek általában koherens forrásokat használnak. A forrás típusától függően beszélhetünk folytonos (continuous wave, cw) vagy impulzust használó rendszerekről. A megfigyelés szemszögéből pedig transzmissziós és reflexiós elrendezésekről.


40


3.2. Képalkotás távolabbi megfigyeléssel történő kameraszerű leképezéssel Ennél a képalkotási technikánál – a látható illetve az infravörös régióban működő rendszerekhez hasonlóan – a tárgyról érkező akár emittált, akár transzmittált, akár reflektált sugárzást detektáljuk távolról egy kamerával. A módszer passzív és aktív módban is használatos. Az elég nagyméretű, hűtött detektorokkal működő rendszerben a tárgyról alkotott kép nem pontról pontra készül, hanem egyszerre. Ezt a passzív technikát elsősorban a csillagászati megfigyeléseknél használják. A biztonságtechnikában az elrejtett tárgyak felderítésére gyakran alkalmazott aktív módszer heterodin detektálással működik. A frekvenciatöbbszörözéssel előállított keskenysávú koherens megvilágítás még akár szobahőmérsékletű mérésnél is jó jel-zaj viszonyt eredményez. Kihasználva az ismert szűk terahertzes frekvenciasávokat, ahol a levegőben alig van elnyelés, a mérések tipikusan 0,35, 0,6 és 0,8 THz-es megvilágítással készülnek. Mivel jelenleg nem érhető el nagy felületű heterodin detektor, a képalkotáshoz a nyaláb fókuszálása után a minta mozgatására, szkennelésre van szükség. Ez azonban cserébe háromdimenziós felbontást is lehetővé tesz. 3.3. Képalkotás közelebbi megfigyeléssel A szakirodalomban „short-range” kifejezéssel illetett módszer alkalmazása során a leképező rendszer elemei viszonylag közel vannak a tárgyhoz, tipikusan egy méternél közelebb. A rendszert leginkább aktív módban működtetjük, azaz a terahertzes forrásból érkező sugárzással nyalábformálás után megvilágítjuk a fókuszsíkban elhelyezett tárgyat, és akár a rajta átmenő vagy akár a róla visszaverődő jeleket detektáljuk. Az 50. ábrán a kétféle elrendezésnek megfelelő leképezés vázlatát látjuk.

50. ábra Képalkotás közelebbi megfigyeléssel átmenő és reflektált jelek esetén

A tárgy mozgatásával egymás után leképezésre kerülő pontokból rekonstruáljuk a tárgy terahertzes képét. A térbeli felbontást a sugárzás hullámhossza, és az optikai elemek diffrakciós hatása határozza meg. Az elrendezés többféle forrással és detektorral is használatos, alább néhány elterjedtebb megoldást ismertetünk, némelyeket vázlatosan, másokat részletesebben.


41


Képalkotás folytonos illetve hosszú idejű impulzusforrásokkal A képalkotó elrendezésekben folytonos forrásként nemritkán BWO-t használnak, mivel keskenysávú, hangolható a frekvenciája és elég nagy a teljesítménye. Az 51. ábrán látható elrendezésben a BWO-ból kilépő divergens terahertzes nyalábot parabolatükrök vezetik a mintára és onnan a detektorra [8]. Az üvegre párologtatott indium-cink-oxidból (ITO) készült dielektrikumréteg a terahertzes nyalábot visszaveri, az optikai beállításhoz használt látható 51. ábra Képalkotás folytonos forrásként BWO-t fényforrás fényét pedig átengedi. Az alkalmazó közelebbi megfigyeléssel optikailag modulált, a szekennelt mintán átmenő sugárzást egy piroelektromos detektorral érzékeljük. A detektor jelét egy a modulátorral vezérelt lock-in erősítő dolgozza fel. Egy másik az 52. ábrán látható elrendezésben forrásként kvantumkaszkád lézer fókuszált nyalábjával világították meg a mintát, a reflektált jelet egy héliumhűtésű bolométerrel detektálták. A minta szkennelésével kapott pontokból állították össze a 52. ábra Képalkotás forrásként kvantum-kaszkád képet [9]. lézert alkalmazó közelebbi megfigyeléssel Az 53. ábrán látható háromdimenziós képalkotást biztosító elrendezésben is kvantum-kaszkád lézer volt a terahertzes forrás [10]. A lézer impulzushossza 250 ns volt, a detektor válaszjeléhez illeszkedően a 80 kHz-es ismétlési frekvenciát 15 Hz-re kapuzták. A kvantum53. ábra 3D képalkotás kvantum-kaszkád lézerrel és Golay-cellával kaszkád lézert egy folyékony héliumot tartalmazó kriosztátban 4,2 K-en tartották. A kibocsátott terahertzes sugárzást parabolatükrök vezették a mintára. A mintát egy motorizált, a tér három irányában precízen mozgatható asztalra rögzítették. Az átmenő jelet Golay-cellával detektálták.


42


A háromdimenziós képalkotás elve hasonló, mint a röntgen komputertomográfiánál. Megmérjük a mintára érkező párhuzamos nyalábok transzmittanciáját a minta egy adott magasságában, így egy 1D-os abszorpciós projekciót kapunk. Azután, ahogy az 54. ábrán látjuk, elfordítjuk a mintát β szöggel és újabb felvételt készítünk, az elforgatásokat 180°-ig 54. ábra CW tomográfia elve folytatjuk. A több irányból, több magasságban készült adatsorból állítjuk elő a háromdimenziós képet. Néhányat az 55. ábrán látunk [10].

55. ábra Terahertzes sugárzással készült 3D képek

Folytonos forrással megvalósított THz-es képalkotási elrendezés sémáját látjuk az 56. ábrán [11]. Forrásként egy kétszínű, de függetlenül hangolható, 800 nm-re centrált Ti:Sa lézert használtak. A két nyalábot térben egy nyalábosztó kockával egyesítették, az így létrejövő különbségi frekvenciájú lebegés a fotovezető kapcsolóban folytonos THz-es jelet generál. Az optikai nyaláb másik része egy időkésleltető egységen keresztül a detektort kapuzza. A THz-es megvilágítás egy PE lencsével való fókuszálás után 56. ábra CW terahertzes képalkotás érkezik a mintára. Az egyes képpontok a minta szkennelésével és az átmenő jel mérésével készülnek. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

43


Az 57. ábrán egy a kereskedelmi forgalomban is igen elterjedt képalkotó rendszert látunk. A folytonos sugárzást szolgáltató elrendezés optoelektronikai elemekből áll, elég kisméretű és kompakt rendszer. A képpontok meghatározásához, akár a reflektált, akár a szórt, akár az átmenő sugárzás felhasználható, a minta fókuszsíkbeli mozgatásával, az úgynevezett rasterscan-nel készül a kép.

57. ábra Optoelektronikai elemekkel megvalósított CW terahertzes képalkotó rendszer

A két közel egyenlő frekvenciájú lézerdiódából származó folytonos lézernyalábból a félvezető antennában optikai keveréssel előállítjuk elő a folytonos terahertzes sugárzást. Detektorként szintén félvezető antenna szolgál, amiben a próbanyalábként kicsatolt lézernyalábok generálják a töltéshordozókat. A terahertzes jel és az optikai jel közötti fáziskülönbség változtatásával, azaz a próbanyaláb időbeli késleltetésével letapogatható a THz-es jel elektromos térerősségének időbeli változása. A módszer segítségével – a folytonos forrású képalkotó módszerek között egyedülálló módon – az amplitúdón kívül a fázisról is nyerünk információt, mindkettő felhasználható a képpontok előállításához. A nagy dinamikus tartomány mellett elég érzékeny, mert a szűksávú koherens sugárzás detektálásával a méréseknél a környezet háttérsugárzása kiküszöbölhető. Képalkotás impulzusforrásokkal Ez a képalkotási technika időben rövid, azaz szélessávú THz-es impulzusokkal dolgozik. Az elrendezés az időtartománybeli spektroszkópiai elrendezésen (TDTS) alapul, nagyon sokoldalúan használható, többféle információt is szolgáltathat. A mintán átmenő, de akár a reflektálódó jel is megfigyelhető. A hullámforma amplitúdó- és fázisadatainak analizálásából származtatható a fókuszsíkban létrejövő kép. A tárgyat a teljes kép létrejöttéhez mozgatni kell, az úgynevezett raster-scan eljárás során pontról pontra készülnek a képpontok. A 3D-ben is működő eljárás tomográfiai módszerként alkalmazható. A koherens detektálás itt is lehetővé teszi, hogy a környezetben meglévő inkoherens terahertzes sugárzás ne kerüljön be háttérzajként, így ez egy nagyon érzékeny módszer. De a képi információn kívül spektroszkópiai információhoz is jutunk egyben. Precíz mérési technikával az egyciklusú, azaz széles frekvenciasávú impulzusokkal dolgozva, széles frekvenciatartományban ismerjük TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

44


meg a minta abszorpcióját és a törésmutatóját. Ráadásul egyszerre, egy mérésből, mivel a koherens detektálás segítségével az amplitúdót és a fázist, azaz az elektromos térerősségidőfüggvényt határozzuk meg. Ahogy azt a spektroszkópiai módszereknél már ismertettük, ebből az időtérben megismert függvényből Fourier-transzformációval származtatjuk a spektrumot. Nagy előnye, hogy a képi megjelenítés mellett, az abszorpció és a törésmutató ismerete analitikai azonosítást is lehetővé tesz. Az 58. ábrán a módszer egy elterjedten használt sematikus elrendezését látjuk. A terahertzes jelet egy fotovezető kapcsolóban a femtoszekundomos titán-zafír lézer generálja, és detektorként szintén fotovezető antenna szolgál. A pumpáló lézernyaláb egy kis kicsatolt része egy léptethető időkésleltető egységen keresztül jut a detektorra, hogy változtatható időpillanatban kapcsolja be az 58. ábra TDTS alapú THz-es képalkotás PC-vel antennát.

59. ábra TDTS alapú képalkotás elektro-optikai mintavételezéssel

Egy másik, az 59. ábrán látható elrendezésben elektro-optikai mintavételezéssel transzmisszió mérésével készülnek a képpontok [12]. Egy-egy képpont elkészüléséhez a minta egy adott helyzetében analizálni kell a hullámformát, ami pedig az időkésleltető egység adott tartományon való végig szkennelése után lehetséges. A fent ismertetett módszerekkel, ebben a formában tehát nem valósítható meg a valós idejű képalkotás. A megoldás egyrészt a hullámforma-analízis – mind technikailag, mind matematikailag – gyorsabbá tétele lehet. Ezen túlmenően is azonban a raster-scan kiküszöböléséhez nagyobb méretű detektorra, detektor-sorra van szükség. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

45


Másik megoldás lehet, hogy a fotovezető antenna helyett elektro-optikai mintavételezést alkalmazunk detektorként. Ekkor a próbaimpulzusként használt femtoszekundumos közeli infravörös hullámhosszú lézernyaláb polarizációja változik a terahertzes tér függvényében. A megfigyeléskor tehát a terahertzes frekvenciák helyett közeli infravörös hullámhosszú fényt kell érzékelni, és léteznek már ilyen célra alkalmas nagy formátumú CCD detektor-sorok. A 60. ábrán egy ilyen leképezést megvalósító elrendezést láthatunk. A mintáról jövő terahertzes és az optikai próbanyalábot egy elektro-optikai mintavételező detektoron keresztül egy CCD kamerával figyeljük meg [3].

60. ábra Valós idejű képalkotás elektro-optikai mintavételezéssel és CCD kamerával

3.4. Képalkotás közeli-tér megfigyeléssel Ha a leképezés során a tárgy távolsága sokkal nagyobb az alkalmazott sugárzás hullámhosszánál, akkor úgynevezett távoli-tér megfigyelésről beszélünk. A fentebb ismertetett képalkotási technikák mind ide tartoznak. Ilyen megfigyelésnél a maximális felbontás a hullámhossz nagyságrendjébe esik. A THz-es frekvenciájú elektromágneses sugárzás hullámhossza: 30 m  1 mm. Sok vizsgálni kívánt objektum esetén azonban ez nem elegendő. Például, ha egy sejt belső szerkezetét akarjuk megjeleníteni, akkor mikrométer alatti felbontásra van szükség. A távoli-térben való leképezés korlátait az úgynevezett közeli-tér leképezéssel tudjuk átlépni [3]. Az objektumok felszínén lévő atomok elektromos tere szoros kölcsönhatásban van egymással, az így kialakuló töltéseloszlást nevezzük közeli-tér eloszlásnak. Egy a felületre beeső elektromágneses hullám elektromos tere minden egyes helyi rezonátorral, dipólussal egyenként hat kölcsön. A távoli-térben azonban már csak ezen elemi kölcsönhatások interferenciájának az eredményét figyelhetjük meg, és így legfeljebb a hullámhossz nagyságrendjéből származó információhoz jutunk. A közeli-tér eloszlást lokálisan megfigyelve juthatunk a hullámhossz alatti tartományból információhoz. A közeli-tér mikroszkópia képes ezeknek a lokális tereknek az atomi szintű feltérképezésére. Ebben az eljárásban egy a hullámhossznál kisebb méretű hátulról megvilágított apertúrát mozgatunk a felszín közelében nagyon kis távolságra. A látható tartományban már korábban kidolgozott módszert a terahertzes tartományban csak az utóbbi időben kezdték alkalmazni. Ez az apertúra alapú mikroszkópia még akár a hullámhossz tized részénél is jobb felbontásra képes. A kezdeti kísérletekben kisméretű tölcsér alakú kúp szolgált apertúraként. Így azonban TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

46


a mégoly nagy teljesítmény is jelentősen lecsökken a nyíláson való átjutás során. A teljesítmény csökkenésének mértéke a nyílás méretének – felbontás megfelelő nagyságú növeléséhez szükséges – csökkentésével hatványozottan nő. Ráadásul az ilyen kisméretű kúp elkészítése elég nagy technológiai nehézségbe ütközik. Mindezek miatt később elterjedt az atomerő-mikroszkópban már bevált – éppen ezért a kereskedelmi forgalomban könnyen elérhető – kisméretű tű. Ez a fémből készült kis csúcs a terahertzes sugárzást ráirányítva, szórócentrumként szolgál. A nem méretarányos 61. és 62. ábrákon egy-egy sematikus vázlatot látunk az apertúrát használó és az apertúra-mentes megfigyelési elvről.

61. ábra Közeli-tér megfigyelés apertúrával

62. ábra Apertúra-mentes közeli-tér megfigyelés

Az apertúra átmérője tipikusan néhányszor ~100 μm-nyi, a tű hegyének görbületi sugara néhányszor ~10 nm-nyi. A felszín feletti szkennelés mindkét megoldásnál szintén néhányszor ~10 nm-nyi, ez a μm és a nm közötti magasságok megkülönböztetését teszi lehetővé. Az első esetben a mintán átmenő, a másodikban az arról szórt sugárzást figyeljük meg. A közeli-tér képalkotást alkalmazó elrendezések között a terahertzes sugárzást előállító források között egyaránt előfordul szélessávú, a megfigyelésben TDTS alapú, és hangolható keskenysávú folytonos forrást alkalmazó is.


47

4. Biomolekulák terahertzes spektroszkópiája

4. Biomolekulák terahertzes spektroszkópiája 4.1. Bevezetés A biomolekulák in vivo funkcióinak és aktivitásának jobb megértése szükségessé teszi, hogy részletesebb képet kapjunk a biopolimerek másodlagos és harmadlagos struktúrájáról és a kapcsolódó időskálán megvalósuló dinamikájukról, mozgásukról. [1, 13-16] A fehérjékben megtalálható szubsztituens aminosav építőelemek meghatározóak a protein struktúrájának, funkciójának szempontjából. Fontos azon vizsgálati módszerek fejlesztése, amivel lehetséges valós időben közvetlenül megfigyelni a komplex makromolekulákban lévő polipeptidláncok mozgását. Az alacsonyfrekvenciájú vibrációs spektrumok precíz mérésével lehetőség van erre, mivel ezek a rezgések várhatóan a THz-es régióba esnek. Ilyen vizsgálatokra más optikai módszerek mellett alkalmas lehet a Raman-, az alacsonyenergiájú neutron ~, az infravörös abszorpciós ~, és a terahertzes spektroszkópia is. Bár a 30 kDa-nál nagyobb molekulasúlyú proteinek vagy nagyszámú összetevőből álló peptid egységek kollektív módusaihoz tartozó rezgési frekvenciák nagy sűrűséggel fordulnak elő ezen a tartományon, így eléggé elkent, alig strukturált abszorpciós spektrumokat kaphatunk. Nem egyszerűen használható módszer a terahertzes spektroszkópia már csak a víz jelenléte miatt sem. Érthető, hogy a biológia rendszereket vizes környezetben szeretnénk vizsgálni, hiszen így biztosítható valamennyire is a természeteshez közeli állapot. A víz azonban igen erős abszorpcióval bír a 1-3 THz között, ami jelentősen elfedi a vizsgálni kívánt rendszerek terahertzes abszorpciós vonalait. Spektrális kiszélesedést okoz az is, hogy szobahőmérsékleten, vizes környezetben a makromolekulák nagyszámú lehetséges konformációs állapotai között gyors a belső konverzió. Mindezen korlátozó körülmények ellenére elmondhatjuk, hogy a terahertzes szakirodalomban egyre növekvő számban olvashatunk vizes vagy nagy humiditású környezetben lévő biomolekulák dinamikai vizsgálatáról. Egyre terjednek az individuális molekuláris struktúrákat, szimmetriákat modellező szimulációk is, amik segítenek értelmezni a kísérleti eredményeket. Az élőlények esetén általában a testhőmérséklet 300 K (27°C) körüli, ez egy részecskére esően mintegy 25 meV termális energiát jelent, ami körülbelül 2,4 kJ/mol. A biomolekulák működéséhez szükséges termikus aktivációhoz – azaz a megfelelő biokémiai folyamatok létrejöttéhez – ennél nagyobb energiákra van szükség, ugyanis a kovalens kötések energiája nagyjából a 300-400 kJ/mol közé esik. Tehát ez a termális energia ezekhez képest elenyészőnek számít, ugyanakkor összemérhető a leggyengébb hidrogénkötések, vagy még inkább a másodrendű (dipól-dipól, Van der Waals, London-típusú diszperziós) kötések energiatartalmával. A biológiai rendszerekben ily módon az intra- vagy intermolekuláris kötések folyamatosan felszakadnak, és átrendeződve újra kötődnek. Végeredményben ez a dinamizmus stabilizálja a rendszert, de egyben lehetővé teszi a nagyfokú flexibilitást is. Ezt a korábban gondolt statikus molekulaszerkezeti nézetnek ellentmondó elképzelést egyre több – például THz spektroszkópiai – vizsgálat eredménye támasztja alá. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

48


A terahertzes mérések során – a jobb minőségű mérési eredmények érdekében – ügyelni kell néhány körülményre. A magasabb frekvenciákon zavaró lehet a részecskemérettől függő szórás. Az amorf polikristályos porok esetén ezért a minél homogénebb összetétel eléréséhez a minta előkészítése során fontos lépés a szemcseméret csökkentése, a homogenizálás. Ennek egyik módja lehet, hogy a mintát dörzsmozsárban nagyon finom szemcseméretűvé alakítjuk. A tárolás során a poralapú minták könnyen vizesedhetnek, a levegőben meglévő víz megkötésének csökkentésére megfelelő – azaz száraz, hűvös – helyen kell őket tárolni. Az elvárt relatív páratartalom: RH < 10%, az ideális hőmérséklet: 0 és -20°C közötti. Ilyen alacsony hőmérsékleten a biológiai degradáció is lassabb, így hosszabb ideig tárolhatók a minták. A biológiai vegyületek vizsgálatakor nem csak a tárolás, hanem a mérés során is különösen fontos, hogy a levegő páratartalmát minél jobban lecsökkentsük, egyrészt a jobb áteresztőképesség miatt, másrészt a vízzel való reakciók elkerülése végett. A kisméretű biomolekulák általános jellemzője a viszonylag kevés és keskeny abszorpciós csúcs megjelenése a spektrumban, ami intramolekuláris, vagy fonon rezgésekhez köthető. A rezgési állapotok alacsony száma annak is betudható, hogy a vizsgált molekulák megfelelő előkészületek mellett és nagy tisztaságuk miatt alacsony számú konformációs állapotban vannak jelen egyszerre. Ezen konformációs állapotok és így a rezgések további csökkenését érhetjük el extrém alacsony hőmérsékleten (pl. kriosztátban 4 K-en) folytatott mérésekkel. Az ilyen alacsony hőmérsékleten nyert spektrumok közvetlen biológiai jelentősége ugyan elhanyagolható, ennek ellenére a molekulával kapcsolatosan számos hasznos információt hordoznak. 4.2. Spektrumok értelmezése molekuladinamikai modellezési módszerekkel A vizsgált anyagok THz-es spektrumainak ismeretében egyrészt vizuálisan, de akár spektroszkópiai programokkal megkereshetjük az egyes abszorpciós vonalak, esetleg abszorpciós sávok központi frekvenciáját; megállapíthatjuk a csúcsok félértékszélességét; illetve az amplitúdóját. Ezek alapján pontosan megadhatók az adott molekula spektrumának egyedi jellemzői. Ma már fizikai modellek alapján felépített számítógépes programokkal tudjuk szimulálni egy adott molekuláris rendszer rezgési ~ és konformációs állapotait. A modell segítségével kiszámolhatunk egy spektrumot, és azt összevetve a megmérttel meggondolhatjuk, hogy a modellünk mennyire jól írja le a rendszer mozgásformáit. A DFT (Density Function Theory) [17] modellt már számos szoftverbe beépítették, mint pl. a CPMD-be (Car-Parrinello Molecular Dynamics) [18], vagy a Gaussian 09 szoftverbe [19]. A Unix operációs rendszereken futó CHARMM 3.6 szoftver a CHARMM (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics) Force Field elnevezésű modellező rendszert foglalja magában [20, 21]. A CHARMM klasszikus fizikai, illetve klasszikus kémiai, míg a DFT elméleti kvantumfizikai, illetve kvantumkémiai modellezést tesz lehetővé [1, 22, 23].


49


A Gaussian 09 szoftver a beépített DFT modell segítségével elsősorban alig kölcsönható – gázfázis jellegű – molekulák vizsgálatához használható, azaz intramolekuláris rezgések írhatók le, míg az intermolekuláris kapcsolatok, vagy a kisebb erősségű nem kovalens kötések csak bizonyos mértékben vehetők figyelembe. Sajnos a 0-3 THz közötti alacsonyenergiájú hidrogénhidakhoz kapcsolódó THz-es rezgések nem modellezhetők, ellenben az intramolekuláris rezgésekre nagyszerűen használható. Az egyszerűbb kémiai molekulák kiindulási szerkezeti információja (felépítő atomok geometriai pozíciói) különböző adatbázisokból letölthetők [24-27] vagy megfelelő kémiai ismerettel a grafikus felületen az atomokból, illetve tipikus molekulákból, gyökökből „összeszerelhetők”. A CHARMM modellhez krisztallográfiával meghatározott molekulageometriai adatok szolgálhatnak kiindulási pontként a vibrációs módusok kiszámításaihoz [28]. Ez a modell már jól alkalmazható összetettebb biomolekulák, mint például aminosavak, cukrok, nukleotidok THz-es spektrumának elméleti leírásához. További előnye, hogy – a peremfeltételek alapos körültekintéssel való meghatározása révén – a külső hatások, azaz a környezet is figyelembe vehető. Eredményként egy minimalizált molekulageometriai modellt hozhatunk létre, ami további sajátrezgés számítások alapja lehet. A jelenlegi kereskedelmi forgalomban levő modellező szoftverek egy részébe be tudunk programozni olyan matematikai eszközöket, amik lehetővé teszik a molekulák – külső, vagy belső hatásra bekövetkező – térszerkezet változásának követését. Ilyen hatás lehet például az energiaminimumra való törekvés, aminek nyomán átrendeződnek az intra- és intermolekuláris kötések, vagy az entrópikus mozgások, de akár a hőmozgások is. Egyéb külső tényezőket – mint kezdeti perturbációs paramétereket – is meg lehet adni, hogy kiszámítsuk a molekula reakcióját a zavaró hatásra. A szerkezeti változások matematikai számítási háttere a jelenlegi legerősebb számítógépekkel is óriási mértékű erőforrást igényel. Emiatt az egyedi gépeken inkább csak rövid idejű (néhány ps-os időtartamú mozgásokat figyelembe vevő) molekuladinamikai szimulációkat futtatnak. A komplexebb, vagyis hosszabb idejű számításokhoz a napjainkban egyre inkább terjedő szuperszámítógép-rendszereket veszik igénybe. 4.3. Aminosavak A THz-es tartományban az aminosavak vizsgálata sem egyszerű, mert bár számos aminosav rendelkezik ide eső abszorpciós vonallal, vagy sávval, de ezek biológiai előfordulási helyén – azaz szervekben, szövetekben, sejtekben – jelenlévő víz erős abszorpciója miatt tisztán nem, vagy csak speciális esetekben mérhetők. Ugyanígy problémát jelent, hogy már önmagukban is olyan jelentős mértékű strukturális sokszínűséget mutathatnak, ezen túlmenően a sokféle biokémiai folyamatban való részvételük miatt egy aminosav akár több konformációban is jelen lehet egyszerre. Mindegyik lehetséges állapothoz tartozó spektrum együttes ismerete szükséges a komolyabb biológiai rendszerek megértéséhez.


50


A hátráltató tényezők ellenére már számos eredmény született terahertzes módszerek segítségével az aminosavakról. Elsősorban nagy tisztaságú (90% feletti), egyféle aminosavból álló polikristályokat, vagy amorf szerkezetbe kristályosodó aminosavakat vizsgáltak. Ezeket vegyi üzemekben, vagy biokémiai laborokban állítják elő, az oldatokból liofilizálással eltávolítva a vizet. Élőlényekből extrahált aminosavak vizsgálata csak nagyon alapos tisztítás után lehetséges. Az ember és az élőlények számára esszenciális aminosavak vizsgálata során számos, strukturális szempontból jelentős – az aminosavat magát jellemző – abszorpciós csúcs határozható meg. THz-es spektroszkópiai vizsgálatokkal néhány esetben kimutatták, hogy a kiralitás centrummal rendelkező aminosavak D- és L- konfigurációs izomereit (enantiomerek) nem lehet megkülönböztetni, ellenben bizonyos DL keverékek a tiszta konformációktól eltérő spektrumot hoznak létre [29]. A 63. ábrán a D-valin (a), az L-valin (b) és a DL-valin (c) spektrumait láthatjuk, piros vonallal jelölve a 78 K-en, fekete vonallal a szobahőmérsékleten történő mérések eredményeit. Alacsonyabb hőmérsékleten a csúcsok balra tolódnak és a szélességük csökken. Ugyanerre a következtetésre jutottak Balu és munkatársai a triptofán sztereoizomerekkel kapcsolatban is [30]. A tisztán egyféle komponensű porok azonos spektrális tulajdonságúak, de 1:1 arányú keverékük már eltérő jellemzőket mutat. A 64. ábrán is látszik, hogy a kémiai összegképletben nem, csak a térszerkezetükben eltérő D- és L-triptofán izomerek – azaz 63. ábra D- és L-valin spektrumai enantiomer párok – (FTIR-) THz-es spektruma megegyezik. Két triptofán izomer keverékét vizsgálva azonban egy új spektrum jön létre. Ez a jelenség analitikai meghatározásra is felhasználható, ugyanis a spektrumok mérésével, főkomponens analízis módszert (principle component analysis) alkalmazva 5-50% arányú izomer keverékek százalékos összetételét +/-2% pontossággal lehet meghatározni. 64. ábra Triptofánok spektrumai Ez az eredmény ipari alkalmazásokat is lehetővé tesz. A módszerrel a kémiai folyamatok során előállított aminosavak D-, vagy Lkonformációs tisztaságáról szerezhető információ, ami bizonyos aminosavak toxikus formáinak kimutatását segítheti elő. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

51


Figyelembe véve, hogy az aminosavak alapszerkezete az aminocsoport és a karboxilcsoport, valamint az ezeket összekötő szénatom azonos, az oldalláncok eltérését kutató THz-es vizsgálatok magától értetődőnek tűntek. Az eredmények azt mutatják, hogy pl. a szerin és a cisztein –OH és –SH csoportjai jelentős eltérést mutatnak 100 cm-1 (3 THz) alatt [31]. Ebben az esetben az oxigén-kén szubsztitúció okozza a kristályrácsot alkotó molekulák rezgéseinek eltéréseit, azaz bizonyos esetekben akár egy atomnyi eltérés is kimutatható THzes spektroszkópiával.

65. ábra L-szerin és L-cisztein spektrumai

A 65. ábra bal oldali részén az L-szerin és L-cisztein különböző hőmérsékleten felvett abszorpciós sepktrumait láthatjuk. A jobb átláthatóság érdekében a különböző abszorbancia értékek miatt a skála el van tolva egymáshoz képest. Az 50-400 cm-1 hullámszámtartomány a 1,5-12 THz frekvenciatartománynak felel meg. Jól elkülöníthető spektrális csúcsokat láthatunk mindkét molekula esetén, mindegyik hőmérsékleten. A 65. ábra jobboldali részén az alacsonyabb hullámszámtartományon felvett abszorpciós spektrumok szerepelnek. Itt a 3-100 cm-1 hullámszámok a 0,1-3 THz frekvenciáknak felelnek meg. Ahogy látjuk, a szerinnek 66 cm-1 (2 THz) értéknél egyedi csúcsa van, míg a cisztein kisebb, egymásba olvadó csúcsokkal rendelkezik. 4.4. Oligo- és polipeptidek, fehérjék Az aminosavak THz-es jellemzőinek ismeretében sem mindig egyértelmű a belőlük felépülő oligo-, illetve polipeptidek, vagy fehérjék THz-es viselkedésének meghatározása. Ezek a magasabb szerveződésű makromolekulák nem csak egyszerűen egymás mellé helyezett aminosavak, hanem peptidkötések révén összekapcsolt molekulaláncok. Nem is csak – a kondenzációs kémiai folyamat során – a peptidkötés kialakulásakor távozó két hidrogén- és egy oxigénatom hiánya okozza az eltérést, hanem egy bonyolultabb molekula kialakulásával többféle szerkezetmozgás válik lehetővé. Ezt bizonyítják az alábbi példák is [23].


52


Három alanin összekapcsolódásából létrejövő trialanin molekula többféle kristályos szerkezetbe rendeződhet, amelyek mind β-redő szerkezetű tripeptidet tartalmaznak. A parallel elrendeződésű pAla3, illetve a szerkezeti vizet tartalmazó antiparallel elrendeződésű ap-Ala3-H2O, valamint a szintén antiparallel, de vizet nem tartalmazó kristályokat képező ap-Ala3, mind-mind eltérő THz-es abszorpciós spektrummal rendelkezik. Ez egyrészt azt mutatja, hogy a molekulákhoz hidrogénkötésekkel erősen kapcsolt, úgynevezett szerkezeti víz jelentős mértékben befolyásolja mind a 66. ábra Alaninok spektrumai struktúrát, mind az ahhoz kapcsolódó abszorpciós spektrumot. Másrészt ezzel a vizsgálattal sikerült fényt deríteni a harmadik (ap-Ala3) szerkezet létezésére, míg más típusú technikákkal csak kétféle szerkezetet tudtak megkülönböztetni. Egy másik vizsgálat során különböző tripeptidek THz-es jeleit hasonlították össze. Már az azonos arányban glicint és alanint tartalmazó peptidek is eltérő spektrumot adnak, ha felcseréljük a sorrendet. Jelentős eltérést tapasztalhatunk a kismértékben eltérő – a 67. ábrán is látható – alanin és valin esetén is, ha két glicinhez kapcsolódnak, ahogy azt a 68. ábrán látható spektrumok is mutatják. A glutation (GSH) egy glicinből, egy ciszteinből és egy glutaminsavból álló tripeptid, ahol a cisztein nem az alfa széncsoporthoz, hanem a glutaminsav gamma 67. ábra Alanin és valin szerkezeti képlete széncsoportjához kapcsolódik. Ennek a szervezetben jelentős szerepet betöltő tripeptidnek is egyedi spektruma van. Ugyanakkor kimutatták egy random szekvenciájú 10 aminosavas oligopeptidről, hogy annak a spektruma már nem mutat különösebb karakterisztikus jelleget. A kutatók ezt a sokféle, egymást átfedő szerkezeti módus kialakulásával, illetve a szerkezeti víz jelenlétével magyarázták 68. ábra Tripeptidek spektrumai

A fehérjék – mint ahogy minden molekula – a hőmérséklet függvényében változó szerkezeti dinamikát mutatnak. Alacsony hőmérsékleten a rezgések száma és mértéke lecsökken, ami az alacsonyabb frekvenciájú, azaz a THz-es sajátrezgésekre is igaz. Ezt TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

53


támasztották alá Markelz kutatócsoportja által lizozim, mioglobin és bakteriorodopszin molekulákon végzett mérések is [32]. Az alacsony hőmérsékleten (T < 77 K) mért spektrumoknak közvetlen biológiai jelentősége, hogy a fehérjeszerkezet alaprezgéseit a sok egyéb, magas hőmérsékleten megjelenő rezgéstől elkülönítve vizsgálhatjuk. Az így kapott spektrumok sem mutatnak különösebb egyedi csúcsokat, hiszen maguk a fehérjék akár több száz aminosavat is tartalmazhatnak, emiatt a számtalan sajátrezgés összeolvadó csúcsokat eredményez (69. ábra).

69. ábra Mioglobin terahertzes spektruma és szerkezeti képe

4.5. Cukrok Egyszerű cukrokon végzett terahertzes mérések hasonlóak az aminosavak, vagy a nukleotidok vizsgálataihoz. Az egyszerű aminosavak, illetve nukleotidok összekapcsolódásával jönnek létre a makromolekulák: a fehérjék, illetve a DNS, vagy az RNS. Ehhez hasonlóan a cukrok esetén az egyszerű monoszacharidokból a természetben is összetett cukrok alakulhatnak ki, akár bonyolult polimerekké összekapcsolódva. Fontos megjegyezni, hogy maguk a nukleotidok is tartalmaznak cukrot, ami tulajdonképpen egy öt szénatomos (mono)szacharid. Ez lehet a ribóz az RNS-ben, vagy az 5-dezoxiribóz a DNS makromolekulában. Nem szabad elfelejtenünk ezeknél a molekuláknál sem, hogy a cukrot is tartalmazó komplexebb molekulák spektrumai nem minden esetben állíthatók elő a különálló cukrok spektrumaiból egyszerű matematikai műveletekkel. Következésképpen két eltérő és különálló molekula egyedi spektrumából additív módon csak kis eséllyel kapjuk meg a kémiai kötéssel összekapcsolódó dimerek, vagy bonyolultabb molekulák spektrumát. Glükóz, fruktóz, valamint a kettő összekapcsolódásából kialakuló szacharóz (annak protonált, illetve deuterált formájának) spektrumait vizsgálta Jepsen kutatócsoportja [33]. A kristályos formák jellemző abszorpciós vonalakat mutattak, míg az amorf kristályok jellegtelen spektrumot adtak. A 70. ábrán a polikristályos α-D-glükóz és β-D-fruktopiranóz 10 K és 300 K hőmérsékleten mért abszorpciós spektrumai szerepelnek. Az abszorpciós együttható tengelye a jobb áttekinthetőség érdekében el van tolva egymáshoz képest. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

54

abszorpciós együttható (cm-1)



71. ábra Szacharóz és amorf glükóz spektrumai 70. ábra Glükóz és fruktóz spektrumai



A 71. ábrán pedig a polikristályos α-D-szacharóz és α-D-glükóz 10 K és 300 K hőmérsékleten mért abszorpciós spektrumai szerepelnek. Az abszorpciós együttható tengelye itt is el van tolva egymáshoz képest.

71. ábra Szacharóz és amorf glükóz spektrumai

A jobb oldali ábrán jól látható, hogy a rendezetlen szerkezetű kristályba rendeződő glükóz a rendezetthez képest jellegtelen spektrummal rendelkezik. Ennek oka az lehet, hogy a szigorú rácsszerkezet megbontásával a lehetséges rezgési módusok száma megnő és így a sok rezgéshez tartozó abszorpciós csúcs egy a frekvencia függvényében növekvő egyenessé olvad össze. Amorf fruktóz és szacharóz esetén egyébként ugyanígy a spektrum jellegtelenné válása figyelhető meg. A szacharóz molekula természetes módon ugyan hidrogén atomokat tartalmaz, ezeket azonban le lehet cserélni deutériumra. Ez egyébként az infravörös spektroszkópiában már korábban is egy bevett vizsgálati módszer volt. Ezzel a cserével igazolni lehet a hidrogénektől függő molekularezgések létét, hiszen a nagyobb tömegű deutérium lassabb sajátrezgést kell előidézzen. Egy két objektumos rezgésre egyszerűsített modellel a kialakult sajátrezgés körfrekvenciája:

, ahol k a rezgésre jellemző állandó, mr pedig a rezgést végző

objektumok redukált tömege. A H → D csere következtében bekövetkező redukált tömeg növekedés a rezgés körfrekvenciájának eltolódását eredményezi, a megváltozott rezgési TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

55


vonalak pedig a spektrumban azonosíthatók. A szacharóznál is tapasztalható az alacsonyabb frekvenciák felé való eltolódás – amit a szaknyelv a 72. ábrán is látható kékeltolódásnak (blue shift) nevez. Növekvő hőmérsékletnek kitéve a molekulákat a termikus rezgések frekvenciája csökkenést mutat, ez esetben tehát – az anharmonikus rezgési potenciállal rendelkező testekre jellemző módon – vöröseltolódást (red shift) tapasztalhatunk A deuterált és a hidrogént kötő szacharóz azonban a vártnál bonyolultabb tendenciát mutatott. A 73. ábrán látható a 10 K-en mért csúcsmaximumokhoz tartozó frekvenciához viszonyított relatív eltolódás mértéke (f(T)/f(10K) -1). A spektrumok első és második csúcsának eltolódását vizsgálták hidrogént és deutériumot kötő szacharóz molekula esetén a hőmérséklet függvényében. Egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt – ami az első csúcsnál 240 K, a második csúcsnál 120 K körül van – a fent vázolt elméleti meggondolással 72. ábra A kékeltolódás szacharóz esetén ellentétben kékeltolódást tapasztaltak, csak a kritikus hőmérséklet(ek) felett jelent meg az elméletileg várt vöröseltolódás. A magyarázat abban rejlik, hogy a cukormolekulák között kialakuló, hidrogénkötéseket gyengítő másodlagos kötések (pl. van der Waals) is befolyásolják a rezgéseket és ezen keresztül a kialakult spektrumot, illetve annak hőmérsékletfüggését. A kritikus hőmérséklet (Tx) magasabb a kisebb erősségű hidrogénkötésnél, ami egyben azt is eredményezi, hogy a nagyobb 73. ábra Hőmérsékletfüggő relatív csúcs kötéserősségű (nagyobb frekvencián eltolódás szacharózok esetén megjelenő abszorpciós csúcshoz tartozó) hidrogénkötések esetén ez a másodlagos kötésekből eredő gyengítő hatás, és annak következményeként a fordított hőmérsékletfüggő eltolódás nem jelenik meg. Az egyik egyszerű felépítésű tejcukor, más néven laktóz, egy glükóz és egy galaktóz összekapcsolódásával létrejött diszacharid. Shen és kollégái számos monoszacharidot és a laktóz molekulát is vizsgálták. [34].


56



A 74. ábrán látható a glükóz, a mannóz, a galaktóz, fruktóz, maltóz és a laktóz THz-es spektruma.

THz

THz

THz

74. ábra Glükóz (a), mannóz (b), galaktóz (c), fruktóz (d), maltóz (e) és laktóz (f) spektruma

4.6. Nukleinsavak A nukleinsav makromolekulák (DNS, RNS) építőkövei a nukleotidok a felelősek a DNS jól ismert kettős hélix szerkezetért, ők hozzák létre a különböző biológiai funkciójú m-/t-/r-RNSek eltérő struktúráját. Ez a különböző mértékben összekapcsolódó, illetve feltekeredett szerkezet az aminosavak másodlagos és harmadlagos szerkezeti szintje. Mind a DNS, mind az RNS molekulák kapcsolódhatnak más, akár fehérjemolekulákhoz – mint például riboszomális fehérjékhez, vagy hisztonokhoz, de akár polimeráz enzimekhez is –, hogy a biológiai funkciójukat betöltsék. Akár a molekulán belüli, akár az intermolekuláris alacsonyenergiájú kötések egy része vizsgálható a THz-es spektroszkópiával. Betekintést nyerhetünk a nukleinsavláncok önálló, vagy fehérjékkel együtt kialakított torziós, rotációs, vagy egyéb rezgőmozgásaiba. Ezek a mozgásformák egyértelműen szoros kapcsolatban állnak funkcionálisan meghatározó biokémiai folyamatokkal. 75. ábra Nukleobázisok A 75. ábrán nukleobázisok és RNS-, illetve DNS-alkotó és nukleozidok nukleozidok (nukleobázis+ribóz) láthatók. A nukleotidok a ribóz5’ szénatomjának hidroxilcsoportjához 1-3 darab foszforsav kapcsolódik, kialakítva a mono-, di- és trifoszfát-nukleotidokat, mint például az AMP, ADP és ATP. Fischer és társai a nukleinsavak alkotóelemei közül a foszforsavat nem tartalmazó nukleozidokat: adenozin (A), timidin (T), citidin (C) és guanozin (G), valamint a DNS-t alkotó származékaikat: dA, dT, dC és dG (d=dezoxiribóz) vizsgálták [35]. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

57


A spektrumok hőmérsékletfüggését vizsgálva szobahőmérséklettől 10 K-ig tapasztalták az abszorpciós csúcsok jól ismert kékeltolódását (~5%) és a csúcsszélesség csökkenését, aminek következtében alacsony hőmérsékleten jól elkülöníthető abszorpciós vonalakat kaptak. A nukleotidok és a nukleobázisok 1,5 THz feletti csúcsai azonosak voltak, de a nukleotidok spektrumai a 1-2 THz között olyan aszimmetrikus lefutású abszorpciós vonalakat tartalmaztak, amik a nukleotidok cukor alkotóeleméhez (dezoxiribóz) társíthatók. A molekuladinamikai szimulációk az elnyelési csúcsok frekvenciáját ugyan nem, de a kialakuló rezgési módusok számát meghatározták. Pontosabb eredményekre jutva az ATATA nukleotid szekvenciáján végzett THz-es mérési eredményeket sikerült megfelelő molekulamodellezéssel igazolni [36]. Shen és munkatársai a nukleinsavakat és azok nukleobázis alkotóelemeit – purin és pirimidin bázisokat, valamint az A, T, G, C nukleotidokat – 290 K-ről 4 K-re hűtve az eredetileg jellegtelen spektrumban számos jól meghatározható, keskeny abszorpciós vonalat figyeltek meg. Ők vizsgálták meg pumpa-próba rendszerrel a citozin THz-es gerjesztésre adott időfüggő válaszát, aminek eredményeként a gerjesztés utáni 3 ps-nyi időablakban az abszorpció csökkenését tapasztalták 1,7 THz-en. Ez érthető, ha meggondoljuk, hogy az adott rezgési alapállapotból a gerjesztő impulzussal gerjesztett állapotba kényszerítve a molekulák a korábbi gerjesztéskor abszorbeált 1,7 THz-es sugárzást már nem képesek elnyelni mindaddig, amíg alapállapotba vissza nem térnek. A 3–6 ps-os időablakban egy átmeneti állapotú molekula létrejöttét figyelték meg, ami mellett hosszabb időintervallumú (7–12 ps) vizsgálatok során egy 6,5 ps élettartamú, 1,7 THz-es maximummal rendelkező emissziós jel időbeli változását detektálták [34, 37, 38]. Wittlin és kollégái már 1986-ban vizsgáltak különböző DNS-sókból alkotott molekularétegeket (molecular film), amikben a molekulák orientáltan helyezkednek el [39]. A keskenyebb spektrális tartományú készülékkel öt jellemző spektrális csúcsot regisztráltak 1,3 THz körül. Hidratáció hatására az összes módus frekvenciája a hosszabb hullámhosszak felé tolódott, azaz vöröseltolódást szenvedett. A mintákat alacsony hőmérsékletre hűtve (5 K) a spektrumban jól elkülöníthető, keskeny abszorpciós vonalakat találtak. Homogén módon csak egyféle nukleinsavat tartalmazó poli-adenin és poli-citozin RNS láncokból többféle módszerrel igyekeztek izotrop eloszlású kristályos mintákat létrehozni. Mindegyik esetben csak jellegtelen, a frekvencia függvényében lineárisan növekvő abszorpciós spektrumokat kaptak. A poli-A láncok 10%-kal kisebb törésmutatóval, illetve kisebb abszorpcióval voltak jellemezhetők, mint a poli-C RNS láncok. Bár ezek az eltérések lehetővé tették a kétféle összetevőjű nukleotidláncok pontos felismerését, ezek az eredmények csak egyfajta teszt módszerként alkalmazhatók, mert a természetben nem fordulnak elő ilyen homopolimerek.


58


Bolivar, Kurtz és munkatársai egyszálú DNS-ek összekapcsolódását (hibridizáció) TDTS mérésekkel vizsgálták [40, 41]. Az egyszálú és kettős szálú DNS THz-es válasza közötti jelentős eltérések lehetővé tették a későbbi, THz-es spektroszkópiai alapú DNS szekvenálási módszer kialakítását. Ez a femtomol érzékenységű hibridizáció kimutatás bármely addig létező egyéb (pl. fluoreszcens jelölő; fluorescent tagging) technikával felvette a versenyt. Hasonló vizsgálatokat folytattak amorf rétegeken egyszálú és kettős szálú RNS molekulákon Globus és társai [42-46]. A poli-A, poli-C, poli-G és poli-U (uracil) láncokat mind különálló, egyszálú RNS formában, mind pedig hibridizált (A-U, G-C) homopolimer kettős szálú RNS formában vizsgálták. A frekvenciafüggő abszorpciós vonalak eltérése hasonlít a DNS szálak eltéréséhez, ami inkább csak a meredekségben tér el a különböző összetevőjű homopolimerek esetén. Havenith és munkatársai PCR (Polymerase Chain Reaction) technikával feldúsított, azaz homogén összetételű DNS oldatok koncentrációfüggő THz-es abszorpcióját vizsgálták (76. ábra) [47]. A rövid szálú (133 és 697 bázispár) DNS-t tartalmazó minták alapján 76. ábra DNS oldatok spektruma megállapították, hogy 0,8–1 THz között az oldatok abszorpciója a DNS koncentráció növekedésével egyenesen arányosan csökkent. A módszer detektálási határaként a minimum 10 μl mintatérfogatot és 0,1 ng/μl koncentrációt adták meg, ami egy átlagos molekuláris biológiai folyamathoz szükséges térfogat és koncentráció töredéke. Erre az ismeretre alapozva a PCR reakcióban lépésről lépésre sokszorozódó DNS mennyiségét lehet majd a jövőben akár valós időben követni és így a folyamat előre haladásáról visszajelzést kapni bármiféle (fluoreszcens vagy egyéb) jelölő molekula alkalmazása nélkül. Természetesen ez csak megfelelő PCR készülék kifejlesztésével lehetséges. Kínai tudósok arról számoltak be (77. ábra) [48], hogy a DNS-t és az RNS-t alkotó nukleotidok (adenozin, citozin, guanin és timin illetve uracil, az utóbbi az RNS-


77. ábra Nukleotidok koncentrációjának meghatározása a keverékeikben

59


ben) egyedi spektruma alapján különböző keverékek összetétele THz-es spektroszkópiai módszerrel meghatározható. A homogén, egyféle nukleotidot tartalmazó minták THz spektrumát vették alapul és így kvantitatív analízissel 10%-os relatív hibahatáron belül tudták meghatározni a keverékek összetételét, illetve kizárni egyes komponensek jelenlétét a keverékben. Ha ez a jelentős hibahatár a technika pontosításával a jövőben csökkenthető, akkor biológiai alkalmazásokban is használhatóvá válik. Módosított guanin és citozin nukleotid párok THz-es spektrumát vizsgálta King és Korter [49]. Régóta ismert tény, hogy két nukleotid távolságát és ily módon a DNS kettős hélix szerkezetének alapjait a G- és C-nukleotidok közötti hármas hidrogénkötés határozza meg. Méréseik és DFT modellezési eredményeik alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a hidrogénkötések mellett fontosak azok a gyengébb dipól-dipól kölcsönhatások is, amik a DNS végső; többszörösen felcsavarodott (coiled coil) szerkezetét alakítják ki. Ugyanezek a kölcsönhatások határozzák meg a DNS szerkezetének a torziós mozgásait, amit a nukleotidok, illetve nukleotid párok forgó, illetve a hélix tengelye körüli csavarodó mozgása alakít ki. Ezen mozgások amplitúdója nem túl nagy, hiszen a „csak” kettő hidrogénkötést tartalmazó A-T bázispárok esetében is már rigid szerkezetet feltételezünk, a hármaskötésű G-C pár pedig még kevesebb mozgásteret engedélyez. 4.7. A víz és a biomolekulák Életünk fontos elemeként a víz mindenütt jelen van, 78. ábra Az oxigén és a harmadik leggyakoribb molekula a világegyetemben. hidrogén atomok kovalens Úgy gondoljuk, ismerjük a vizet, hiszen tudjuk róla, kötése a vízmolekulában hogy 0°C-on megfagy, 100°C-on felforr, színtelen, szagtalan, átlátszó folyadék. Látszólag igen egyszerű molekuláris felépítésű, egy oxigén és két hidrogén atomból áll, melyek kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, ahogy ezt a 78. ábra szemlélteti. De a víz az egyszerűnek tűnő összetétel ellenére nagyon szokatlan tulajdonságokkal bír. Ezeknek persze pont az élet szempontjából van nagy jelentősége, hiszen tudjuk, hogy az élőlények nagy része minden szervezettségi szintet tekintve víz. Mégis az 79. ábra Vízmolekulák kapcsolódása a egyszerűség és a különlegesség ellentmondásosnak tetraéder modell szerint tűnik. A nem szokványos fizikai tulajdonságoknak valószínűleg az egyes molekulák különleges szerkezetű összekapcsolódásához, a speciális struktúrához van köze. Korábban szinte teljesen elfogadott modellként azt gondoltuk, hogy minden egyes vízmolekula hidrogénkötésen keresztül másik néggyel kapcsolódik össze, melyek egy tetraéder csúcsaiban helyezkednek el (79. ábra) [50]. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

60


Manapság azonban megkérdőjeleződni látszódik ennek az elképzelésnek a jogossága. Újabb kísérletek, szimulációk alapján újabb modell született, mely szerint a „bulk” vízben csak két molekula kapcsolódik erősebb hidrogénkötésen keresztül közvetlenül egymáshoz, ezek aztán láncot alkotnak, és a láncokat gyengébb hidrogénkötések formálják gyűrűs szerkezetűen, egyfajta klaszter hálózatot alkotva (80. ábra) [51]. Ez az új kétállapotú modell azonban még nem teljesen elfogadott, hiszen gyökeresen megváltoztatja például a vízben való oldódással kapcsolatos képünket, ami a geokémiában, a molekuláris biológiában, vagy akár az ipari folyamatokban is nagyon fontos szerepet játszó jelenség. A víz többféle környezetben fordul elő, ennek megfelelően más is valószínűleg a struktúrája. Más struktúrájú a határfelületi víz (interfacial water), ami egy másik anyagi minőségű közeggel érintkezve egy viszonylag vékony rétegben fordul elő. Más struktúrájú a kötött víz (confined water), ami például egy biológiai rendszerben a makromolekulák belső részeiben fordul elő, és megint más a közönséges víz (bulk water), aminek a struktúráját pusztán maguk a vízmolekulák alakítják.

80. ábra Víz molekulák elrendeződése a gyűrűs klaszterben

A 81. ábrán a molekuladinamikai szimulációval számolt sebesség-idő korrelációs függvényből látjuk, hogy különbözik a bulk és a szén-tetraklorid-víz határfelületén lévő felületi vízmolekulára kapott függvény [52].

81. ábra Molekuladinamikai szimulációval számolt sebesség-idő korrelációs függvény különböző környezetű vízmolekulákra


61


Milyenek a víz tulajdonságai egy még bonyolultabb, például egy biológiai környezetben, sejtben? Milyenek a tulajdonságai a citoplazmában, ahol 400 mg/ml sűrűségben vannak proteinek, nukleinsavak, lipidek, szénhidrátok és egyéb kisebb méretű molekulák vagy ionos komponensek? Egy ilyen környezetben nagyon kicsi a távolság két bármelyik szomszédos nagymolekula között, típustól függően 2-30 Å lehet. Ekkora térrészben durván tízrétegnyi vízmolekula férhet csak el. A 82. ábra az aquaporin fehérjével való kölcsönhatásban illetve úgy általában, sematikusan mutatja a biomolekula-víz környezetben a sokféle kölcsönhatási típusokat [53].

82. ábra Kölcsönhatási típusok a biomolekula-víz környezetben

Mondhatjuk, hogy a biológia rendszerekben oldószerként előforduló vízmolekulák a makromolekulák egyes részeit kitöltő térben természetesen kölcsönhatásban vannak a közelben lévő molekularészekkel a hidrogénkötéseken keresztül. Éppen ezek a kötések stabilizálják a biomolekula térszerkezetét például, hiszen a víz maga a fehérjéket körülvevő mátrix, ami a stabilitásukat biztosítja. Ha kivonjuk egy-egy ilyen struktúrából a vizet, nem működnek. De ezen kölcsönhatások következtében természetesen maga a víz is másféle lesz, egészen másféle víz struktúra alakul ki, mint amikor a víz önmagában van, és nincsenek ezek a másféle molekulákkal való kölcsönhatások. A biológia molekulák körüli hidratáció jelensége lényegesen befolyásolja a biomolekulák – proteinek, nukleinsavak, stb. – felszínén és akár a belső térszerkezetükben lezajló folyamatokat, élettani funkcionalitásukat. Ezért ezt a kérdéskört sokan sokféle módszerrel vizsgálják, mind kísérleti, mind az egyre terjedő számítógépes, szimulációs módszerekkel. Az oldószer molekulák kollektív mozgásai, a hidrogénkötések újra rendeződései, a nagymolekulák funkcionálisan fontos mozgásformái, és ezek csatolásai a pikoszekundumos időskálán játszódnak le. Mivel ez éppen megfelel a terahertzes jelek időskálájának, a többi vizsgálati módszer mellett a modern terahertzes technikák is lehetőséget adhatnak ezen az időtartományon újabb ilyen típusú vizsgálatokra. Meg kell azonban jegyezni, hogy pont a biomolekulák és a víz esetében kétségek, nehézségek is felmerülnek. A komplex makromolekulák nagyon sok különböző széles frekvenciatartományba eső vibrációval rendelkeznek. A molekuladinamikai szimulációs számolásoknál bevett gyakorlat, hogy a több ezer szeparált vibrációs frekvencia egyenként figyelembe vétele helyett spektrális sűrűségfüggvényt számolnak.


62


A 83. ábra az öt hélixet tartalmazó *6-85 protein (szürke grafikon) vibrációs állapotainak modellezését mutatja a 0–110 THz-es frekvenciatartományon [54]. A 90 THz feletti legnagyobb frekvenciájú sáv a legkönnyebb atommagtól, azaz a hidrogéntől illetve a leginkább lokalizált módusoktól származik. A 30 THz körüli sávban a vázszerkezethez és az oldalláncokhoz tartozó kis amplitúdójú nyújtási ~ és forgási rezgések jelennek meg. A nagyszámú atom delokalizált rezgési módusai csak 10 THz alatt következnek. Az 1–5 THz között – ahogy az ábrán a fekete vonallal ábrázolt görbéről is látszik – a víz abszorpciója játssza a legfőbb szerepet, elfedve az ide eső, proteintől származó rezgések vonalait. A víz tehát sokkal nagyobb abszorpcióval bír az elektromágneses hullámok eme tartományán, mint a vizsgálni kívánt molekulák. A mérhető 1–5 THz közötti abszorpciós spektrumok eléggé strukturálatlanok. Ez mintegy elfedi a 83. ábra A *6-85 protein vibrációs állapotait jellemző molekuladinamikai szimulációval számolt spektroszkópiai információt. spektrális sűrűségfüggvény Martina Havenith és kutatócsoportja a víz és a biomlekulák kölcsönhatásait mégis terahertzes spektroszkópiai módszerekkel vizsgálja. Háromféle terahertzes elrendezést is felhasználtak a vizsgálatok során, alább erről olvashatunk. p-Ge lézer spektrométer A 84. ábrán bemutatott spektrométer egy p-Ge félvezető lézert használ forrásul [55]. A kétutas elrendezésben chopper gondoskodik arról, hogy a terahertzes jel transzmisszióját, hol a referencia-, hol a mintaoldaton átmenve érzékelje a félvezető detektor. A héliumhűtésű, hangolható, impulzus terahertzes forrás 1–4 THz közötti sugárzása 1W 84. ábra p-Ge lézer spektrométer csúcsteljesítménnyel rendelkezik. A vizes minták precíz abszorpció mérésénél a mintatartó felületén bekövetkező reflexiót is figyelembe vették. A minták rétegvastagságának növelésekor a mintához tartozó intenzitás – a Beer–Lamberttörvénynek megfelelően – várhatóan exponenciálisan csökken, míg a reflexiók hatása nem változik. Így a mért intenzitásra felírható összefüggés:

∙ exp

∙

ahol a mintára érkező intenzitás , a minta frekvenciafüggő abszorpciós együtthatója, d a rétegvastagság, C a detektoron megjelenő elektronikus háttérjel. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

63


A néhány percig tartó mérések során a hőmérsékletet, a páratartalmat kontrollálták, stabilizálták. A hőmérsékletet 0,05°C pontosan tartották, a levegő relatív páratartalmát száraz levegő és nitrogéngáz áramoltatásával 8% alá csökkentették. A ~200 m vastagságú vizes biológiai minták terahertzes abszorpciója tipikusan: ó 100 400 cm között volt. A lézerfény kitakarásával meghatározható elektronikus háttérzajhoz tartozó konstans C jelet minden mérésnél figyelembe vették. A közel 30.000 impulzus átlagolásával kapott mérési eredmények bizonytalansága 0,1%-on belül volt, ami az abszorpciós együtthatóra nézve 0,3 cm-1 –os hibát jelent. Ez a nagyon pontos mérési eljárás tette lehetővé a vizes biomolekulák mérésekor tapasztalható 5%-os változások megbízható detektálását. A hőmérséklet stabilizálása egy kritikus paraméter a THz-es abszorpciós méréseknél, mert a víz struktúrája nagyon érzékeny a hőmérsékletváltozásra, és ezen keresztül az abszorpciós spektrum is változik. Szisztematikus spektroszkópiai vizsgálatokkal megállapították, hogy 0,5–1,5 THz közötti tartományban 271 K és 315 K között, 10 K-enként 25 cm-1 az abszorpciós együttható változása [56]. A víznek ez a tulajdonsága azt jelenti, hogy például egy 100 m vastagságú rétegnél a fagyponton mérhető 0,4%-nyi abszorpció 97°C-on 40%-ra, azaz 100-szorosára változik. A hőmérséklet változása gyors dipól fluktuációkat okoz a vízben, ami azonnal újrarendezi víz struktúráját meghatározó hidrogénkötéseket. De éppen az ezekre való érzékenység, ami miatt olyan alkalmas a THz-es detektálás a biomolekulák és a víz kölcsönhatásainak vizsgálatára. Terahertz Fourier-transzformációs spektrométer A vizes mintákról a szélessávú THzes abszorpciós spektrumokat a 85. ábrán látható kereskedelmi forgalomban kapható folytonos forrású Fouriertranszformációs spektrométerrel vették fel [57]. A higanylámpa széles, terahertzes frekvenciákat is tartalmazó sugárzása egy nyíláson lép be a Michelson-interferométerbe. Nyalábosztóként 23 m vastag Mylarfóliát használtak. A tükrök adott 85. ábra Terahertz Fourier-transzformációs spektrométer helyzetéhez tartozóan kiválasztott frekvenciasorozatot tartalmazó, mintán áthaladó sugárzást a folyékony héliummal 4 K-re hűtött szilicium bolométerrel koherens módon detektálták. A minták számára a szeparált, zárt mintatérben nitrogéngáz áramoltatásával nagyon alacsony humiditású környezetet biztosítottak. A spektrumok felvétele a jól ismert FT technikával történt. A minta elnyelését a TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

64


referenciaoldat elnyeléshez képest a következő módon lehet megkapni. Az interferométerben lévő tükör elmozdulásának függvényében mért intenzitásfüggvényekből Fouriertranszformációval számolható ki az intenzitás a frekvencia függvényében. Time Domain Terahertz Spektrométer A TDTS mérőrendszer előnye, hogy a koherens mérésnek köszönhetően egyszerre tudjuk meghatározni a mintán átmenő terahertzes jel amplitúdóját és fázisát is. Az időtartományban történő mérések az abszorpciós együttható és a törésmutató nagyon pontos meghatározását teszik lehetővé. A 86. ábrán látható, hogy a megszokott TDTS elrendezést egy a reagensek gyors összekeverését, illetve az azt követően megvalósuló kémiai reakció valós idejű megfigyelését lehetővé tévő stopped-flow mintatérrel egészítették ki. Így a kémiai reakció kinetikája a minta terahertzes abszorpciója változásának követésével figyelhető meg. Ezt a mérési elrendezést ők maguk: KITA (Kinetic Terahertz Absorption) elnevezéssel illették. A demonstráció kedvéért láthatunk még egy az ubikvitin fehérje vizsgálatok során a 2,55 THz körüli sávban felvett abszorpció mérési eredményeket ábrázoló grafikont is [58, 59].

86. ábra TDTS és KITA mérőrendszer és egy tipikus spektrum

A 20 fs-os 800 nm-re centrált lézerimpulzusokat a nyalábosztó 70:30 arányban választja ketté. A nagyobb intenzitású nyalábrész egy GaAs fotovezető kapcsolóban terahertzes sugárzást generál. Nyalábformálás után ennek a mintán átmenő transzmissziója a lézerimpulzusból kicsatolt 30%-nyi nyaláb időbeli késleltetésével, elektro-optikai mintavételezéssel egy ZnTe detektorral figyelhető meg. A fent ismertetett eszközökkel a biológiai molekulák és a víz kölcsönhatásairól az információt eléggé elrejtetve hordozó rendszereket vizsgálva ötletes megoldást találtak. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

65


A hőmérsékletet, humiditást precízen kontrollálva, a fent ismertetett mérőrendszerrel az abszorpciós együttható nagyon pontos meghatározása vált lehetővé. A mintákban a biomolekula koncentrációját változtatva egy nagyon szűk frekvenciasávban mérték a fehérjerendszer terahertzes abszorpciójában bekövetkező változást. A biomolekula koncentrációjának a változtatásával egyben a biomolekula körüli vízmolekulák számát, arányát változtatták, tehát az abszorpció változása tükrözi a biomolekula és a vízmolekulák kapcsolódásának dinamikáját. A hidratációban szerepet játszó „confined” vízmolekulák és a „bulk” vízmolekulák viselkedése, szerepe, aránya jól megkülönböztethető, hiszen ezek abszorpciós tulajdonságai ezen a terahertzes tartományon különböznek. Jól kiválasztva a megfelelő megfigyelt frekvenciasávot, nagyon érzékeny módszert kaptak. A kísérleteket molekuladinamikai szimulációkkal kiegészítve molekuláris szinten tudták feltárni – a terahertzes spektrumokban a víz abszorpciója miatt elfedett – biomolekula-oldószer dinamikai kölcsönhatásokat. Meg tudták adni a biomolekula körüli vízmolekulák számát, a hidratációs burok méretét, kiterjedését. Többféle biomolekula-víz rendszeren készült vizsgálatokból általánosnak is mondható következtetések is születtek [60]. „Terahertz defect”. A biomolekulák kevésbé abszorbeálják a terahertzes sugárzást egyes frekvenciatartományokban, mint a víz. Ráadásul, ha ilyen molekulákat vízben oldunk, az oldat terahertzes abszorpciója lecsökken, például a vízben oldott fehérjék esetén 2,5 THz körül. „Terahertz excess”. Annak ellenére, hogy a szilárd állapotú vagy filmszerű biomolekula az 1-3 THz között általában kevésbé abszorbeál, mint a víz, több olyan eset is van, hogy a keverék jobban nyel el, mint a biomolekula és a „bulk” víz külön. Ezt a jelenséget a hidratáció folyamatával úgy lehet megmagyarázni, hogy ennek során a makromolekula körüli környezetben a víz egy másfajta struktúrába szerveződik, megjelenik a „biológiai víz” maga. Ez a perturbáció közvetetten kihat a biomolekula közelében lévő többi vízmolekulára is, ezek a hatások mérhető változásokat okoznak a víz sűrűségében, a relaxáció sebességében, a reorientáció sebességében. A vízmolekulák orientációját a saját „beépített” szondájával, a saját dipólmomentumának követésével vizsgálhatjuk, ugyanis az oxigén molekulához tartozó negatív töltés és a hidrogén végén lévő pozitív töltés maga egy dipólus. Úgy tűnik ennek a reorientációs dinamikának még a biomolekula felszínétől több nanométerre, azaz nagyobb távolságban is van hatása. Ebben a hidrogénkötésekkel összekapcsolt hálózatban a fehérjemolekula okozta perturbáció hatása a makromolekula felszínén lévő szegmenssel közvetlen kapcsolatba kerülő vízmolekulákon kívül, az állandóan felszakadó és újra felépülő kötéseken keresztül egy – nanométeres nagyságrendű – úgynevezett szolvatációs burokban is érezhető. Bár a hatás erőssége a távolsággal csökken, ugyanakkor a kölcsönhatásban szerepet játszó vízmolekulák száma a távolság négyzetével viszont nő. A molekuladinamikai szimulációkban feltételezett, legegyszerűbb víz-biomolekula modell rendszer a kellő távolságban lévő „bulk” vízmolekulákon kívül víz-protein, víz-nukleinsav, TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

66


vagy víz-szénhidrát molekulából áll. Úgy találták, hogy a szénhidrátok jelenléte „terahertz defektet” okoz, és a kölcsönhatásból származó „új közeg” a biológiai víz új fizikai tulajdonságokkal bír, például megnöveli a terahertzes abszorpciót. Meg kell azonban jegyezni, hogy az így körülírt hidratált víz fogalma nem egyezik meg például a röntgen ~, illetve neutron krisztallográfiával, és NMR-el vizsgált sztérikusan kötött vízével. A THz-es abszorpció elnyelésének különbözősége alapján azonosítható a vízhálózatban a hidratációs burok, amin belül lehetséges a dinamikát követni. A fehérje koncentráció változtatásának segítségével nyerhető információkból felépített modellnek természetesen korlátai is vannak. Kvantitatívan is jól működik, például, ha a vízmolekulákat szénhidrát molekulák veszik körül, és mindaddig jól alkalmazható, amíg a vízmolekulák lényegében egy biomolekula környezetét érzékelik. De, ha olyan nagy a fehérje koncentráció, hogy ebben a nanométeres sugarú környezetben több fehérjemolekula perturbáló hatása is megjelenik, akkor a modell érvényét veszti. Figyelembe kell(ene) venni az oldalláncok hidrofób és hidrofil hatását, a sztérikus gátlásokat, és a másik fehérjemolekulák közvetlen közelsége okán a több-test kölcsönhatásokat is. Mindez azt jelenti, hogy a fehérjék „tömeges” jelenléte következtében fellépő hatások túl bonyolulttá teszik a biomolekula körüli hidratációs képet. A biomolekulák körüli szolvatációra vonatkozó szimulációk mind a fehérjék hidrofil, mind hidrofób régióiban a hidrogénkötések dinamikájának retardációját jósolják. A hidrofil régiókban a fehérje és a vízmolekulák közötti hidrogénkötések révén ez magyarázható, de a hidrofób régiókban – ezt az első pillanatban meglepő jelenséget – a vízmolekulák körüli addicionális sztérikus hatással magyarázhatjuk. Részletesebb ab initio molekuláris dinamikai szimulációk során felmerült egy a molekuláris dipól oszcillációkkal kapcsolatos, az infravörös és a terahertzes frekvenciák közötti nagyon alapvető különbség. Az infravörös frekvenciákon – az 1000 cm-1 illetve 30 THz felett – a szomszédos vízmolekulák molekuláris dipólmomentuma pusztán az elektromos tér kiváltotta polarizációs effektussal kapcsolatos. A terahertzes frekvenciákon a megfigyelhető molekuláris dipól oszcillációkért a szomszédos vízmolekulák atomjainak a mozgása a felelős. Míg az infravörös frekvenciákon az atomok vibrációs mozgása szigorúan egy molekulához lokalizált, addig az 1000 cm-1 alatti frekvenciákon – különösen a 200 cm-1 azaz 6 THz alatt – a szomszédos vízmolekulák atomjainak a kollektív rezgését figyeljük meg. Mi a hidratációs burok dinamikájának szerepe? Ennek a felderítéséhez alkották meg a KITA elrendezést, amellyel milliszekundumos időskálán tudták követni a fehérjék feltekeredésének folyamatával együttjáró terahertzes abszorpció változásokat [59]. A kitekeredett “denaturált” fehérjéhez denaturálószer mentes puffert adagoltak, a proteinvíz kölcsönhatást a THz-es abszorpció változások időbeli megfigyelésével követték. Fluoreszcencia, cirkuláris dikroizmus spektrumokat és kisszögű röngten szórási spektrumokat is felvettek, így össze tudták vetni a protein-víz kölcsönhatás idődinamikáját más releváns folyamatok kinetikájával. A fluoreszcencia vizsgálatokhoz az ubikvitin fehérje pszeudo-vad típusú mutánsát állították elő, amiben a triptofán szolgált belső fluoroforként a protein TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

67


feltekeredés dinamikájának méréséhez. A kísérletek szerint a hirtelen akadálymentesítést követően a szolvatációs burok újraformálódása százszor gyorsabb, mint a fluoerszcencia mérésekből mért fehérje feltekeredése, vagy mint a CD spektroszkópiával követett másod- és negyedrendű struktúra újraépülése. Ez világossá tette, hogy az említett folyamatok időben egymást követik, és mindegyik része az átfogó feltekeredési folyamatnak. A 87. ábrán sematikusan felvázolt elrendezésben a GuHCl-dal denaturált fehérjéhez denaturálószer mentes puffert adagoltak, úgy, hogy a denaturálószer koncentrációja milliszekundumon belül 6 Mról 0,86 M-ra csökkent, és a fehérje koncentrációja ~1 mM körüli lett. Az ilyen módon pillanatszerűen megindított fehérje feltekeredési 87. ábra Fehérje feltekeredés vizsgálata folyamatot a pikoszekundumos terahertzes elektromos jel triggerelt detektálásával követték. Ennek elvét a 88. ábrán láthatjuk. A terahertzes jelet a teljes spektrális szélességben detektálták, miközben a KITA egységet mechanikusan mozgatták. Az elektromos 88. ábra Terahertzes jel időbeli változásának megfigyelése trigger jel egy időben indította a denaturált fehérje és a denaturálószer mentes puffer összekeverését és az adatok gyűjtését. A fehérje feltekeredésének kinetikáját az időbeli késleltető egység terahertzes jelhez viszonyított mozgatásával figyelték meg [58]. A CD és SAXS mérésekkel kiegészített vizsgálatokból megállapították, hogy az ubikvitin feltekeredése két időskálán zajló folyamat. A korábban denaturálódott fehérje tengely körüli forgása közben a milliszekundumos időskálán épül fel a helikális másodlagos struktúra, míg a fluoreszcencia jelből követhetően a natív állapothoz közelítő negyedleges szerkezet a milliszekundumtól akár másodpercekig is eltartó folyamatban jön létre. A triptofán, mint fluoreszcens próba lokális környezetének változása alapján elmondható, hogy az utóbbi folyamat közben a protein belső magja egyre sűrűbben betöltötté válik.


68


4.8. Az ion hidratáció Régóta tanulmányozott jelenség a specifikus ionhatás, aminek mind a kémiai, mind a biológiai folyamatok széles körében meghatározó szerepe van. Az ion hidratáció jellege szabályozza, befolyásolja – az életműködés szempontjából fontos – a biomolekulák és az ionok közötti kölcsönhatásokat. Az ionok a sejtmembránon átvezető speciális protein csatornákon keresztül közlekednek, de maguk az ionhatások stabilizálják, illetve destabilizálják a fehérje szerkezetét, struktúráját. Ez utóbbira példa a szokásosan denaturálószerként alkalmazott guanidin, a rá jellemző egyedi struktúrájával, aggregációs képességével. Funkner és társai vízben oldott két vegyértékű sóoldatokkal végzett szisztematikus vizsgálatok eredményeit közölték [61]. A fentebb már ismertetett p-Ge lézer spektrométerrel, Fourier-transzformációs THz spektrométerrel kivitelezett méréseket molekuladinamikai szimulációkkal egészítették ki. A molekulaionok belső ion módusai és a vízhálózat közötti kölcsönhatások elkerülése végett csak atomos anionok és kationok oldatait vizsgálták. A keskenysávú, vízhez viszonyított terahertzes abszorpciót a 2,3–2,8 THz (azaz 76– 93 cm-1) közötti sávban mérve átlagolással kapták. A szolvatált ionoktól származó abszorpciót a következőképpen adták meg:

∙

í

A  a vízmolekulák aránya egy adott koncentrációjú oldatban a tiszta vízben lévőkhöz képest. Az alkáliföldfémek halogénekkel alkotott vizes sóoldatai esetén így mért és számolt, koncentrációtól függő abszorpciós együtthatóit láthatjuk a 89. ábrán. Megállapítható, hogy az ionoktól származó THz-es abszorpció a koncentrációval szigorúan lineárisan nő.

89. ábra A koncentráció és az abszorpció kapcsolata különböző ionok esetén

A szélessávú THz-es abszorpciós spektrumok mérésekor a (200,1)°C-on tartott folyékony minták egy 40 m vastagságú Kapton küvettában, nitrogén áramoltatással csökkentett humiditású térben voltak. Az oldatok 90.B ábrán látható spektrumát, a keskenysávú méréseknél már megmutatott korrekcióval számolták, ahogy az a MgCl2 példáján a TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

69


90.A ábrán látszik. A spektrumok mindegyik ionos oldat esetén felbonthatók két – az anion illetve a kation szolvatáció közbeni mozgásához tartozó – komponensre.

90. ábra Ionos oldatok spektruma

A molekuladinamikai szimulációkhoz a Mg2+ iont például – ahogy a 91. ábrán látszik – egy szimmetrikus oktaéder elrendezésű szolvatációs burokban helyezték el. Ezen az ábrán látjuk még a Mg2+ ion és az első szolvatációs héj normál módusaira vetítve számolt vibrációs állapot sűrűségfüggvényeket (VDOS, Vibrational Densities of States).

92. ábra Az ionokra és a vízben lévő oxigénre számolt sebesség-autokorrelációs függvényből FT-vel számolt VDOS függvények

91. ábra Mg2+ ion és a körülötte lévő szimmetrikus oktaéder szolvatációs burok és a normál módusokra számolt VDOS függvények


70


A 92. ábrán a Mg2+ ion (lila) és a szolvatációban résztvevő vízmolekulák oxigénjeinek (lila szaggatott) a sebesség-autokorrelációs függvényeiből Fourier-transzformációval számolt VDOS-t látjuk. Illetve a fekete színű görbe a „bulk” víz oxigénjére számolt VDOS-t mutatja. Mind a kísérletek, mind a szimulációk megerősítették, hogy ezen alkáliföldfémek halogénekkel alkotott sóoldatainak alacsonyfrekvenciás THz-es abszorpciós spektruma előállítható a koncentrációra súlyozott víz és az ion abszorpciójából. Az abszorpció mértéke szigorúan lineárisan nő az ionok koncentrációjával. Mind az anionhoz, mind a kationhoz tartozó sáv – bármelyik vizsgált koncentrációjú oldatra is nézzük – egymástól függetlenül azonosítható. A hidratációs burokban lévő vízmolekulák és az ionok közötti csatolás időállandója jóval meghaladja a vibrációs ciklus időtartamát. A spektrumok specifikus anion és kation rezonancia helyeket mutatnak, amiknek a frekvenciája fordítottan arányos az ion tömegével. A rezonanciasáv intenzitása egyenesen arányos az ion töltéssűrűségével és fordítottan a frekvenciával. Ezek a rezonanciák a molekuladinamikai szimulációk alapján egyértelműen az anionnak és a kationnak az első hidratációs héjjal való közös rezgési módusához tartoznak. Bár igen erős a csatolás az ion és az első hidratációs héj között, semmi jel nem mutat arra, hogy nagyobb távolságban is megjelennének hatások. Semmi nem utalt szerkezet építő vagy romboló hatásra, nem volt kooperatív kölcsönhatás a víz és az atomi ion között. Mindamellett meg kell jegyezni, hogy a vizsgálatba bevont rendszerek ideális, modellrendszerek voltak, nem kellett számolni olyan különösebb komplikált hatásokkal, mint például a sztérikus hatás, vagy az intramolekuláris vibrációk, rotációs, librációs mozgások.


71

Irodalomjegyzék

Irodalomjegyzék [1] Susan L. Dexheimer: Terahertz Spectroscopy Principles and Applications (2007) [2] Yun-Shik Lee: Principles of Terahertz Sciences and Technology (2009) [3] E. Bründermann, H. W. Hübers, M. F. Kimmitt: Terahertz Techniques (2012) [4] G. S. Park, Y. H. Kim, J. K. Han, J. Ahn, J. H. Son, W. Y. Park, Y. U. Jeong (Eds.): Convergens of the Terahertz Sciences in Biomedical System (2012) [5] http://thz.yale.edu/technique/time-resolved-thz-spectroscopy [6] M. C. Beard, G. M. Turner, C. A. Schmuttenmaer: Measuring Intramolecular Charge Transfer via Coherent Generation of THz Radiation, J. Phys. Chem. A 106, 878-883 (2002) [7] D. H. Barker, D. T. Hodges, T. S. Hartwick: Far infrared imagery, Proc. SPIE, 67, 27-34 (1975) [8] A. M. Dobroiu, M. Yamashita, Y. N. Ohshima, Y. Morita, C. Otani, K. Kawase: Terahertz imaging system based on a backward-wave oscillator, Applied Optics, 43 (30), 5637-5646 (2004) [9] J. Darmo, V. Tamosiunas, G. Fasching, J. Kröll, K. Unterrainer, M. Beck, M. Giovanni, J. Faist, C. Kremser, P. Debagg: Imaging with a terahertz quantum cascade laser, Optics Express, 12, 9, 1879-1884 (2004) [10] K. L. Nguen, M. L. Johns, L. F. Gladden, C. H. Worral, P. Alexander, H. E. Beere, M. Pepper, D. A. Ritchie, J. Alton, S. Barbieri, E. H. Linfield: Three-dimensional imaging with terahertz quantum cascade laser, Optics Express, 14, 6, 2123-2129 (2006) [11] K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H.G. Roskos, S. Czasch: Continuous-wave all-optoelectronic terahertz imaging, Appl. Phys. Lett., 80, 16, 3003-3005 (2002) [12] J. W. Handley: Time Frequency Analysis Techniques in Terahertz Pulsed Imaging, PhD thesis http://www.comp.leeds.ac.uk/research/pubs/theses/handley.pdf [13] R. H. Callender, R. B. Dyer, R. Gilmanshin, W. H. Woodruff: Fast events in protein folding: the time evolution of primary process, Annu. Rev. Phys. Chem., 49, 173-202 (1998) [14] W. A. Eaton, V. Munoz, S. J. Hagen, G. S. Jas, L. J. Lapidus, E. R. Henry, J. Hofrichter: Fast kinetics and mechanisms in protein folding, Ann. Rev. Biophys. Biomolecular Structure, 29, 327-359 (2000) [15] S. Takahashi, S. R. Yeh, T. K. Das, Ch. K. Chan, D. S. Gottfried, D. L. Rousseau: Folding of cytochrome c initiated by submillisecond mixing, Nature Struct. Biol., 4, 44-50 (1997)


72

Irodalomjegyzék

[16] A. G. Markelz, A. Roitberg, E. J. Heilweil: Pulsed Terahertz Spectroscopy of DNA, Bovine Serum Albumin and Collagen between 0,06 to 2,00 THz, Chem. Phys. Lett., 320, 42-48 (2000) [17] http://en.wikipedia.org/wiki/Density_functional_theory [18] R. Car, M. Parrinello: Unified approach for molecular dynamics and densityfunctional theory, Phys. Rev. Lett., 55, 2471-2474 (1985) [19] http://www.gaussian.com/index.htm [20] http://www.charmmtutorial.org/index.php/CHARMM_Tutorial [21] http://www.ks.uiuc.edu/Training/Tutorials/science/forcefield-tutorial/forcefieldhtml/node5.html [22] A. D. MacKerell, N. Banavali, N. Foloppe: Development and current status of the CHARM force field for nucleic acids, Biopolymers, 56, 257-265 (2000) [23] D. F. Plusquellic, K. Siegrist, E. J. Heilweil, O. Esenturk: Applications of Terahertz Spectroscopy in Biosystems, Chemphyschem, 8, 2412 – 2431 (2007) [24] http://www.nist.gov/pml/data/ [25] http://www.chemspider.com/ [26] http://cccbdb.nist.gov/ [27] http://srdata.nist.gov/gateway/gateway?property=molecular+geometry [28] http://wiki.jmol.org/index.php/File_formats/Coordinates#MOL_and_SD_.28Symyx_ MDL.29 [29] M. R. C. Williams, A. B. True, A. F. Izmaylov, T. A. French, K. Schroeck, C. A. Schuttenmaer: Terahertz spectroscopy of enantiopure and racemic polycrystalline valine, Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 11719 – 11730 (2011) [30] R. Balu, S. K. Gregurick, E. J. Heilweil: Determination of enantiomeric composition by terahertz spectroscopy: mixtures of D- and L-tryptophan, S. L. Dexheimer: Terahertz Spectroscopy Principles and Applications p278 (2007) [31] T. M. Korter, R. Balu, M. B. Campbell, M. C. Beard, S. K. Gregurick, E. J. Heilweil: Terahertz spectroscopy of solid serine and cysteine, Chemical Physics Letters, 418, 65–70 (2006) [32] A. Markelz, S. Whitmire, J. Hillebrecht, R. Birge: THz time domain spectroscopy of biomolecular conformational modes, Phys. Med. Biol., 47, 3797-3805 (2002) [33] M. Walther, B. M. Fischer, P. U. Jepsen: Noncovalent intermolecular forces in polycrystalline and amorphous saccharides in the far infrared, Chem. Phys., 288, 261-268 (2003) [34] P. C. Upadhyay, Y. C. Shen, A. G. Davies, E. H. Linfield: Far-infrared vibrational modes of polycrystalline saccharides, Vib. Spectrosc., 35, 139-143 (2004) [35] B. M. Fischer, M. Walther, P. U. Jepsen: Far-infrared vibrational modes of DNA components studied by terahertz time-domain spectroscopy, Phys. Med. Biol., 47, 3807-3814 (2002)


73

Irodalomjegyzék

[36] B. Fischer, M. Hoffmann, H. Helm, G. Modjesch, P. Uhd Jepsen: Chemical recognition in terahertz time-domain spectroscopy and imaging, Semiconductor Science and Technology, 20, S246-S253 (2005) [37] Y. C. Shen, P. C. Upadhyay, E. H. Linfield: Temperature-dependent low-frequency vibrational spectra of purine and adenine, Appl. Phys. Lett., 82, 2350-2352 (2003) [38] Y. C. Shen, P. C. Upadhyay, E. H. Linfield: Observation of far-infrared emission from excited cytosine molecules, Appl. Phys. Lett., 87, 011105 (2003) [39] A. Wittlin, L. Genzel, F. Kremer, S. Haseler, A. Poglitsch: Far-infrared spectroscopy on oriented films of dry and hydrated DNA, Phys. Rev. A, 34, 493-500 (1986) [40] M. Brucherseifer, M. Nagel, P.H. Bolivar, H. Kurz: Label-free probing of the binding state of DNA by time-domain terahertz sensing, Appl. Phys. Lett., 77, 4049-4051 (2000) [41] M. Nagel, F. Richter, P. H. Bolivar, H. Kurz: A functionalized THz sensor for marker-free DNA analysis, Phys. Med. Biol., 48, 3625-3636 (2003) [42] T. Globus, D. Woolard, T. W. Crowe, T. Khromova, B. Gelmont, J. Hessler: Terahertz Fourier transform characterization of biological materials in a liquid phase J. Phys. D: Appl. Phys., 39, 3405-3413 (2006) [43] T. Globus, D. L. Woolard, A. C. Samuels, B. L. Gelmont, J. Hesler, T. W. Crowe, M. Bykhovskaia: Sub-millimeter-Wave FTIR Spectroscopy of DNA Macromolecules and Related Materials, J. Appl. Phys., 91, 6106-6113 (2002) [44] T. Globus, M. Bykhovskaia, D. Woolard,, B. Gelmont: Sub-millimeter wave absorption spectra of artificial RNA molecules, J. Phys. D Appl. Phys., 36, 1314-1322 (2003) [45] T. Globus, R. Parthasarathy, T. Khromova, D. Woolard, N. Swami, A. J. Gatesman, J. Waldmann: Optical characteristics of biological molecules in the terahertz gap, Proceedings of SPIE, 5584 (2004) [46] R. Parthasarathy, T. Globus, T. Khromova, N. Swami, D. Woolard: Dielectric properties of biological molecules in the Terahertz gap, J. App. Phys. Lett., 87, 113901 (2005) [47] A. Arora, T. Q. Luong, M. Krüger, Y. J. Kim, C-H. Nam, A. Manz, M. Havenith: Terahertz-time domain spectroscopy for the detection of PCR amplified DNA in aqueous solution, Analyst, 137, 575-579 (2012) [48] ZHANG Zeng-yan, XIAO Ti-qiao, ZHAO Hong-wei, YU Xiao-han, XI Zai-jun, XU Hong-jie: Quantitative Analysis of Nucleotide Mixtures with Terahertz Time Domain Spectroscopy Spectroscopy and Spectral Analysis, 9, 1990-1993 (2008) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19093546 [49] M. D. King, T. M. Korter: Noncovalent Interactions between Modified Cytosine and Guanine DNA Base Pair Mimics Investigated by Terahertz Spectroscopy and Solid-State Density Functional Theory, J. Phys. Chem. A, 115, 14391–14396 (2011) http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp208883t [50] http://www1.lsbu.ac.uk/water/


74

Irodalomjegyzék

[51] Ph. Wernet, D. Nordland, U. Bergmann, M. Cavalleri, M. Odelius, H. Ogasawara, L. Å. Naslund, T. K. Hirsch, L. Ojamae, P. Glatzel, L. G. M. Pettersson, A. Nilsson: The structure of the first coordination shell in liquid water, Science, 304, 995-999 (2004) [52] M. Sonoda, N. H. Moreira, L. Martínez, F. W. Favero, S. M. Vechi, L. R. Martins, M. S. Skaf: A Review on the Dynamics of Water, Brazilian Journal of Physics, 34, 3-15 (2004) [53] http://www.exobiologie.fr/index.php/vulgarisation/chimie-vulgarisation/the-role-ofwater-in-the-structure-and-function-of-biological-macromolecules [54] D. M. Leitner, M. Gruebele, M. Havenith: Solvation dynamics of biomolecules: modeling and terahertz experiments, HFSP Journal, 2(6), 314–323 (2008) [55] A. Bergner, U. Heugen, E. Bründermann, G. Schwaab, M. Havenith, D. R. Chamberlin, E. Haller: New p-Ge THz Laser Spectrometer for the Study of Solutions: THz Absorption Spectroscopy of Water, Rev. Sci. Instr., 76, 063110 (2005) [56] C. Ronne, L. Thrane, P. O. Åstrand, A. Wallqvist, K. V. Mikkelsen, S. Kieding: Investigation of the temperature dependence of dielectric relaxation in liquid water by THz reflection spectroscopy and molecular dynamics simulation, J. Chem. Phys., 107, 5319-5333 (1997) [57] E. Bründermann, B. Born, S. Funkner, M. Krüger, M. Havenith: Terahertz spectroscopic techniques for the study of proteins in aqueous solutions, Proceedings of SPIE, 7215, 72150E1–72150E9 (2009) [58] B. Born, M. Havenith: Terahertz Dance of Proteins and Sugars with Water, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 30, 1245-1254 (2009) [59] B. Born, S. J. Kim, S. Ebbinghaus, M. Gruebele, M. Havenith: Terahertz dance of water with proteins: The effect of protein flexibility on the dynamical hydration shell of ubiquitin, Faraday Discussion 140: Water. From Interfaces to the Bulk, 161-173 (2009) [60] http://www.hfsp.org/frontier-science/hfsp-success-stories/water-and-biologicalmolecules-probed-terahertz-spectroscopy [61] S. Funkner, G. Niehues, D. A. Schmidt, M. Heyden, G. Schwaab, K. M. Callahan, D. J. Tobias, M. Havenith: Watching the Low-Frequency Motions in Aqueous Salt Solutions: The Terahertz Vibrational Signatures of Hydrated Ions, J. Am. Chem. Soc., 134, 1030-1035 (2012)


75

Terahertzes spektroszkópia a biológiában

Recommend Documents