Анизотропная терагерцовая микроспектроскопия

Анизотропная терагерцовая микроспектроскопия ( АТМ ) — это спектроскопический метод, в котором молекулярные колебания в анизотропном материале исследуются короткими импульсами терагерцового излучения, электрическое поле которого линейно поляризовано параллельно поверхности материала. Метод был продемонстрирован в исследованиях с участием монокристаллов сахарозы, фруктозы, щавелевой кислоты и молекулярных белковых кристаллов , в которых пространственная ориентация молекулярных колебаний представляет интерес.

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

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

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

На сегодняшний день методы ATM используют спектроскопию THz во временной области (THz-TDS) из-за исторической нехватки мощных источников THz и высокочувствительных детекторов THz, работающих при комнатной температуре. Многие представляющие интерес образцы содержат большое количество воды, которая сильно поглощает излучение THz, поэтому требуется очень сильный источник THz. Это требование усугубляется при попытке использовать высокочувствительные детекторы THz, которые обычно требуют переохлаждения до температур жидкого гелия. Хуже того, необходимость переохлаждения этих детекторов сделала обнаружение THz недоступным для многих исследователей по всему миру из-за недавнего резкого повышения цен на жидкий гелий из-за его дефицита.

Чтобы обойти препятствия для обнаружения ТГц, используется THz-TDS, поскольку для этого требуются общедоступные инфракрасные детекторы, чувствительные в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра — чаще всего около длины волны 800 нм. В этом случае электрооптический (ЭО) кристалл, такой как нитрид галлия (GaN), теллурид цинка (ZnTe), обычно используется для обнаружения изменений в ТГц свете после того, как он прошел через образец. Поляризационные свойства синхронизированного инфракрасного пучка света, проходящего через ЭО кристалл, изменяются. Это изменение поляризации обнаруживается инфракрасным детектором, называемым сбалансированным детектором, который сравнивает величину двух перпендикулярных поляризационных компонентов инфракрасного пучка.

До тех пор, пока не будут реализованы более мощные источники ТГц-излучения, обеспечивающие широкий частотный диапазон, и более чувствительные детекторы ТГц-излучения, работающие при комнатной температуре, метод ТГц-TDS останется надежным методом для АТМ.

Методы THz-TDS, используемые в ATM, можно разделить на две категории: вращающийся образец и неподвижный образец. Исторически первый метод включал вращение образца в фокусе луча THz, в то время как детектор располагался далеко от образца в дальнем поле . Однако по многим механическим причинам предпочтительнее метод неподвижного образца. В ATM со стационарным образцом поляризованный луч THz вращается на 360° в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча, и обычно использует схему обнаружения в ближнем поле, в которой образец устанавливается в прямом контакте с кристаллом EO, который впоследствии анализируется инфракрасным лучом в конфигурации THz-TDS.

Оригинальные методы ATM включают в себя вращение образца в фокусной точке линейно поляризованного ТГц-луча с использованием механически вращаемого крепления образца. По этой причине конфигурация обычно представляет собой прибор дальнего поля, в котором сбалансированный детектор (чувствительный к инфракрасному свету) размещается на значительном расстоянии от образца. В конфигурации терагерцовой спектроскопии во временной области как инфракрасный, так и ТГц-лучи передаются через электрооптический (ЭО) кристалл, такой как ZnTe или GaP. Здесь инфракрасный луч обнаруживает изменение двулучепреломления ЭО-кристалла из-за ТГц-луча. Когда образец помещается в ТГц-луч, поляризованный ТГц-луч возмущается, и результирующая степень двулучепреломления в ЭО-кристалле изменяется. Результирующее возмущение инфракрасного луча воспринимается сбалансированным детектором.

Вращающийся образец ATM очень полезен для больших образцов (от 0,1 до 1 см). Однако при измерении таких образцов, как кристаллы белка, которые должны быть изолированы внутри камеры гидратации, например, образец не может быть легко повернут. Кроме того, сложно поддерживать одинаковое положение вращающегося образца в точной фокусной точке терагерцового луча.

АТМ, разработанный с вращающимся образцом, обычно представляет собой конфигурацию измерения в дальней зоне с использованием стратегии спектроскопии во временной области.

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

Генерируемый ТГц-луч обычно получает большую часть мощности NIR, чтобы максимизировать мощность ТГц-света, обычно генерируемого импульсной фотопроводящей антенной. Генерируемый ТГц-свет собирается через гиперполусферическую кремниевую линзу и передается на внеосевое параболическое зеркало, которое коллимирует ТГц-луч для поляризации ТГц-поляризатором, который часто изготавливается из простой проволочной сетки . Затем линейно поляризованный ТГц-луч фокусируется вторым внеосевым параболическим зеркалом на образец. ТГц-луч, прошедший через образец, снова собирается третьим внеосевым параболическим зеркалом, коллимируется на четвертое параболическое зеркало, которое затем фокусирует луч на электрооптический (ЭО) кристалл, двулучепреломление которого нарушается силой ТГц-луча.

Зондирующий луч NIR пропускается через кристалл EO для зондирования индуцированной степени двупреломления, вызванного лучом THz, и передается в модуль обнаружения, который часто состоит из пластины NIR четвертьволновой волны, призмы Волластона, которая пространственно разделяет ортогональные состояния поляризации зондирующего луча на два оптических пути, которые индивидуально детектируются на сбалансированном детекторе. Результирующий сигнал, сообщаемый сбалансированным детектором, является мерой разницы в величине этих двух ортогональных компонентов зондирующего луча NIR и, следовательно, прямой корреляцией степени двупреломления, индуцированного в кристалле EO лучом THz, прошедшим через образец.

Ранее называемый «идеальным ATM» и «ATM с переменной поляризацией» ^[2], стационарный образец ATM (SSATM) включает в себя вращение линейно поляризованного состояния терагерцового пучка в конфигурации спектроскопии во временной области (TDS) параллельно исследуемому образцу материала. В конфигурации SSATM поляризация терагерцового пучка поворачивается на 360° в плоскости, перпендикулярной направлению распространения пучка. Измерения анизотропии образца проводятся при нескольких углах поляризации терагерцового пучка.

Было продемонстрировано по крайней мере два метода достижения вращения поляризации ТГц для SSATM: 1) с использованием пластины четвертьволновой частоты ТГц (THz-QWP) вместе с инфракрасным поляризатором ^[3] и 2) с помощью вращения фотопроводящей антенны. ^[4]

В случае использования THz-QWP и инфракрасного поляризатора величина измеряемого сигнала, , где — временная задержка между генерацией THz и обнаруженными импульсами в системе THz-TDS, зависит от относительного угла поляризации THz-света и угла поляризации сверхбыстрого ближнего инфракрасного (NIR) зондирующего луча, , на образце по соотношению ^[5] Цель состоит в том, чтобы поддерживать одинаковую величину THz-электрического поля на образце для всех углов измерения, . Это требует регулировки для каждого .${\displaystyle {\rm {Sig}}(\tau ,\alpha _{\rm {THz}},\phi _{\rm {NIR}})}$${\displaystyle \тау}$${\displaystyle \alpha _{\rm {ТГц}}}$${\displaystyle \phi _{\rm {NIR}}}$$${\displaystyle {\rm {Sig}}(\tau ,\alpha _{\rm {THz}},\phi _{\rm {NIR}})\propto \left|\left[\cos(\alpha _{\rm {THz}})\sin(2\phi _{\rm {NIR}})+2\sin(\alpha _{\rm {THz}})\cos(2\phi _{\rm {NIR}})\right]\right|.}$$${\displaystyle \alpha _{\rm {ТГц}}}$${\displaystyle \phi _{\rm {NIR}}}$${\displaystyle \alpha _{\rm {ТГц}}}$

Прибор SSATM обычно проектируется в конфигурации спектроскопии во временной области, в которой инфракрасный лазерный луч высокой мощности разделяется на два оптических пути с помощью светоделителя.

Первый оптический путь часто получает большую часть оптической мощности лазера для максимизации выходной мощности генерируемого ТГц света. ТГц свет часто генерируется с помощью импульсной фотопроводящей антенны, собирается гиперполусферической кремниевой линзой, коллимируется с помощью внеосевого параболического зеркала, которое затем пропускается через ТГц поляризатор, сделанный круглым с помощью четвертьволновой пластины ТГц, построенной из двух плоских зеркал и прямоугольной кремниевой призмы с высоким сопротивлением, для формирования циркулярно поляризованного света. Второй ТГц поляризатор выбирает из циркулярно поляризованного ТГц света угол, под которым производится каждое измерение, как только свет достигает образца, расположенного в фокусной точке луча и установленного в прямом контакте с электрооптическим кристаллом, часто изготовленным либо из ZnTe, либо из GaP.

Второй оптический путь включает зеркало ретрорефлектора, установленное на этапе задержки, которое регулирует время пролета луча NIR для соответствия времени задержки, , терагерцового света на образце. Луч NIR линейно поляризован и прерывист на частоте, подходящей для обнаружения, направлен на кристалл EO для измерения изменения его двупреломления из-за степени поглощения терагерцового света образцом. Луч NIR отражается интерфейсом образец/кристалл EO и направляется на модуль обнаружения, который часто состоит из четвертьволновой пластины NIR, призмы Волластона, которая пространственно выбирает перпендикулярные состояния поляризации света по направлению к двум детекторам в сбалансированном детекторе. Обнаруженный сигнал является мерой разницы величины двух перпендикулярных состояний поляризации и соответствует степени двупреломления, индуцированного в кристалле EO терагерцовым светом, возмущенным образцом.${\displaystyle \тау}$

Одна из стратегий обеспечения полного вращения ТГц-поляризации на 360° при одинаковой величине электрического поля на образце заключается в создании кругового состояния поляризации, а затем выборе определенных линейных состояний поляризации из кругово-поляризованного пучка с помощью ТГц-поляризатора.

Состояние круговой поляризации может быть создано четвертьволновой пластиной, однако обычные оптические волновые пластины обычно предназначены для видимой, ближней и средней инфракрасной областей электромагнитного спектра. Четвертьволновая пластина, предназначенная для использования в диапазоне частот ТГц, состоит из прямоугольной кремниевой призмы вместе с металлизированными плоскими зеркалами в качестве входа/выхода. В частности, кремниевая призма действует аналогично ромбу Френеля с одним полным внутренним отражением на более длинной грани призмы и является пассивным широкополосным компонентом, который допускает широкую частотную развертку во время измерений.

К некоторым преимуществам АТМ по сравнению с другими родственными методами микроспектроскопии относятся ориентация терагерцового электрического поля на образце и возможность легкого измерения материалов, чувствительных к условиям окружающей среды, таким как гидратация, криоохлаждение и вакуумирование.

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

Живые организмы обычно состоят из большого количества воды. Многие анизотропные материалы, представляющие интерес, являются биологическими по своей природе и, как таковые, требуют гидратации во время спектроскопических измерений. Хотя в последнее время сообщалось о некоторых ограниченных новых методах измерения свойств материалов внутри гидратированной камеры для образцов, основным требованием к конструкции ATM является то, что материал доступен через окно, прозрачное для терагерцового света, например, кварц. Аналогичным образом, образцы, требующие криоохлаждения или вакуумной среды низкого давления, легко исследуются в ATM с использованием прозрачных для терагерцового света оконных материалов.

Анизотропная терагерцовая микроспектроскопия (АТМ) нашла применение в структурной биологии и молекулярной дактилоскопии ДНК и белков. ^[8] Этот метод также подходит для открытия лекарств и изучения свойств терагерцовой частоты тонкопленочных твердотельных материалов.

Особое внимание уделяется молекулярным движениям в белках , где многие структурные изменения происходят на частотах в терагерцовом диапазоне спектра (от 0,3 ТГц до 3 ТГц). Эти структурные изменения включают шарнирные движения , в которых две области молекул соединены вместе гибкой молекулярной структурой, которая изгибается подобно механическому шарниру или локтю . ATM обладает уникальной способностью измерять пространственное направление, в котором происходят шарнирные движения, благодаря использованию линейно поляризованных электрических полей.

ATM уникально подходит для измерения резонансных молекулярных колебаний в белках. ^[9] Молекулярные движения в белках происходят с частотами в терагерцовом диапазоне спектра (от 0,3 ТГц до 3 ТГц). Эти структурные изменения включают шарнирные движения , в которых две области молекул соединены вместе гибким образом, который изгибается как механический шарнир или сустав , и другие конформационные изменения, которые происходят в системах белковых молекул.

Молекулы белка обычно окружены молекулами воды и расположены в случайных ориентациях. По этой причине обычно размещают молекулы белка в кристаллической форме таким образом, чтобы их ориентация была одинаковой. В частности, в кристалле белка диполь всех молекул белка естественным образом выровнен. Это позволяет нам проводить микроспектроскопию с поляризованным ТГц-светом и определять пространственную ориентацию колебаний внутри молекул.