Femtosekunden 2D-IR Spektrometer
Final Report Abstract
Mit den im Rahmen des Forschungsgroßgerätes beantragten Komponenten wurde ein 2D-IR Spektroskopiesystem aufgebaut, das einen Messplatz in Reflexionsgeometrie und einen Messplatz in Transmissionsgeometrie zur Verfügung stellt. An beiden Messplätzen ist neben IR Anregung auch Anregung im Sichtbaren oder UV möglich, so dass auch entsprechende Pump-Probe Experimente durchgeführt werden können. Dazu wurden 5 optisch-parametrische Verstärker sowie weitere Aufbauten für nichtlineare Konversionsprozesse konstruiert um unterschiedliche Spektralbereiche abzudecken. Es stehen nun Pulse vom UV (260 nm) bis in den THz-Bereich (0.1 THz) zur Verfügung. Es wurde ein 2D-IR Messplatz für Messungen in Reflexionsgeometrie konstruiert, eine Methode, die bisher nur in einer weiteren Arbeitsgruppe etabliert war. Eine für 2D-IR Messungen geeignete streuarme spektroelektrochemische Messzelle wurde entwickelt, bei der die reflektierende Oberfläche gleichzeitig die Arbeitselektrode der Zelle darstellt. Die Elektrode wird in optischer Qualität durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellt. Die Probe befindet sich in einem dünnen Film über der Elektrode, so dass schnelle Äquilibrierung nach Potentialänderungen und die rasche Durchführung von Redoxcyclen ermöglicht werden. So konnten erstmals Femtosekunden-2D-IR Spektren unter Kontrolle des Redoxpotentials gewonnen werden. An Ferro-/Ferricyanid als Modellsystem wurde der Einfluss des Redoxzustandes auf die Schwingungsrelaxation gemessen. 2D-IR Spektroelektrochemie an einem redoxaktiven Protein wurde für Cytochrom C erfolgreich demonstriert. Durch Redoxcyclen konnten redoxinduzierte 2D-IR Differenzspektren gewonnen werden. Ähnlich wie in der redoxinduzierten (1D) FTIR Differenzspektroskopie wurde eine große Anzahl Differenzbanden gefunden. 2D-Kreuzsignale wurden beobachtet zwischen Kofaktor und Proteinrückgrat sowie zwischen Banden des Amid I Bereiches, die zuvor weiter auseinanderliegenden Teilen des Proteins zugeordnet wurden. Diese Resultate zeigen, dass die bisherige Interpretation der FTIR Differenzspektren grundlegend überprüft werden muss. Während diese 2D-IR Messungen noch mit einem schmalbandigen, durchstimmbaren IR Pump-Puls durchgeführt wurden, wurde inzwischen die Spektroelektrochemie in Reflexion auch mit Fourier-Transform-2D-IR Spektroskopie realisiert, die eine höhere Zeit und Frequenzauflösung ermöglicht. Beim Messplatz für Pump-Probe und 2D-IR Spektroskopie in Transmission lag der Fokus auf der Verbesserung von Signal-zu-Rausch Verhältnis, Frequenzauflösung und Zeitauflösung gegenüber dem alten Setup der Arbeitsgruppe. Höhere Frequenzauflösung wurde erreicht durch Implementierung der Fourier-Transform 2D-IR Methode sowie durch einen IR-Detektor mit mehr Elementen. Die Fourier-Transform 2D-IR Methode stellt ebenfalls eine höhere Zeitauflösung zur Verfügung, als die bisher verwendete 2D-IR Methode. Ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnisses wurde unter anderem erreicht durch den rauschärmeren Laser, eine neue Detektionselektronik, höhere IR Intensität, sowie eine höhere Repetitionsrate, die eine bessere Mittelung der Daten erlaubt. Diese Verbesserungen eröffnen neue Möglichkeiten beispielsweise bei unseren Projekten mit nichtkanonischen Aminosäuren als IR-Proteinlabel. Mit dem neuen Messaufbau gelang es IR Pump-Probe und 2D-IR Spektren des SCN Labels (cyanyliertes Cystein) im Protein, die mit dem alten Aufbau an der Grenze des Machbaren waren und wochenlange Versuche erforderten, routinemäßig in wenigen Stunden in deutlich besserer Datenqualität zu messen. In einer Studie an SCN-gelabelten Mutanten des Photorezeptors PYP haben wir Schwingungslebensdauern von bis zu 70 ps gemessen, die dieses Label für die 2D-IR Spektroskopie der Proteindynamik höchst interessant machen. Messungen an Grundzustand und Signaling State von PYP in D2O und H2O Puffer zeigen Änderungen der Schwingungslebensdauer, die Rückschlüsse darauf zulässt ob das Label mehr oder weniger Lösungsmittel ausgesetzt ist. Das SCN-Label kommt schon seit einigen Jahren als nützliches Label in der FTIR Spektroskopie zum Einsatz, mit dem neuen Aufbau konnten wir es nun auch für die nichtlineare IR Spektroskopie etablieren. Durch die deutliche Verbesserung der Datenqualität ermöglicht der neue Transmissionsmessaufbau so zuvor nicht durchführbare Projekte. Zudem stellt er auch für weniger anspruchsvolle Messungen eine wichtige Erweiterung der Messkapazität für neue Projekte und Kooperationen dar. Das System wird darüber hinaus für weitere Methodenentwicklung genutzt. Ein Ziel ist es die Detektion der 2D-Experimente in andere Spektralbereiche auszudehnen. In Kooperation mit Hartmut Roskos, Frankfurt, wurde das Spektroskopiesystem um einen Aufbau erweitert, der Detektion im THz Bereich erlaubt. Erste mid-IR-Pump/THz-Probe Experimente an Festkörpern und Flüssigkeiten wurden demonstriert, auch 2D- IR/THz Experimente und Vis-Pump/THz-Probe Experimente werden demnächst möglich sein.
Publications
- A spectroelectrochemical cell for ultrafast 2D-IR spectroscopy, Rev. Sci. Instr. Rev. Sci. Instrum. 86, 083102 (2015)
Youssef El Khoury, Luuk J. G. W. van Wilderen, Tim Vogt, Ernst Winter, Jens Bredenbeck
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4927533) - Ultrafast 2D-IR spectroelectrochemistry of flavin mononucleotide, J. Chem. Phys. J. Chem. Phys. 142, 212416 (2015)
Youssef El Khoury, Luuk J. G. W. van Wilderen, Jens Bredenbeck
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4916916)
