Az ELKH Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) Növénybiológiai, valamint Biofizikai Intézetének kutatói az ELI-ALPS Lézeres Kutatóintézet munkatársaival együttműködve európai viszonylatban is egyedülálló paraméterekkel rendelkező ultragyors optikai spektroszkópiai mérőrendszert fejlesztettek. A Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH) és az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat (ELKH) támogatásával megvalósult femtobiológiai munkaállomást a fényindukált biológiai folyamatok tanulmányozására hozták létre.
Az MDOS-munkaállomás blokkdiagramja a fő összetevőkkel
A nemlineáris optikai spektroszkópia azon mérési technikák összefoglaló neve, amelyek lézerimpulzusokat használnak a molekulák tulajdonságainak és dinamikus viselkedésének vizsgálatára, különösen a rendkívül gyors, femtoszekundumos (fs) időtartományban (1 fs = 10–15 s) előforduló fényindukált reakciók tanulmányozására. A földi élet szorosan kapcsolódik a Naphoz: nemcsak egyes élőlényeket, például a növényeket táplálja a Nap energiája, amelyet a fotoszintézis folyamatában tárolnak, hanem más biológiai szervezetek is érzékelik és reagálnak a napfényre különböző mechanizmusokon keresztül, különféle fényérzékeny molekulák vagy pigmentek segítségével. Ilyenek lehetnek például az emberek és az állatok szemében lévő rodopszinok vagy a napi ciklusokat, az anyagcserét és a génexpressziót szabályozó különböző enzimek és fotoreceptorok.
A modern biológia rendkívüli gyorsasággal forradalmasítja a szerkezetbiológiát, ami lehetővé teszi a fehérjék szerkezetének atomi részletességű megfigyelését. Egy összetett makromolekula szerkezetének ismerete azonban nem garantálja, hogy meg is értjük a funkcióját. Különösen nehéz megjósolni a fotofizikai folyamatokat, amelyek általában a klasszikus fizika és a kvantumfizika határán mennek végbe. A biológiában a fotoindukált folyamatok fehérjekomplexekben és szuperkomplexekben játszódnak le. Ezek a több millió atomot tartalmazó molekulák túl nagyok a kvantumkémiai számításokhoz, de működésüket lényegében a kvantummechanika szabályozza. A spektroszkópia alkalmazása ezért elengedhetetlen a fotobiológiai reakciók mechanizmusainak megértéséhez, ugyanakkor a biológiai struktúrák mérete és összetettsége miatt ez nagy kihívást jelent.
Multidimenziós optikai spektroszkópiai mérőrendszer CAD-terve
A femtoszekundumos tranziens abszorpció spektroszkópia a fizikai kémia alapvető eszköze. A jól bevált pumpa-próba technika egy nagyon rövid, általában 100 fs körüli vagy annál rövidebb lézerimpulzust („pumpát”) használ a reakció megindítására, gerjesztett állapotba hozva a molekulát. Ezt egy gyenge próbaimpulzus követi, amely felfedi a rendszerben bekövetkezett változásokat. A pumpaimpulzust általában egy meghatározott hullámhosszra állítják be, hogy egy adott pigmentet vagy molekulaállapotot gerjesszenek, míg a próba lehet széles sávú is, ezáltal szélesebb spektrális tartományt képes lefedni. Az eltelt idő függvényében így rögzített tranziensabszorpció-spektrumok segítségével a reakció közbenső termékei és a reakcióidők femtoszekundumtól másodpercig terjedő vagy akár még hosszabb időskálán azonosíthatók.
Femtoszekundumos multidimenziós optikai spektroszkópiai mérőrendszer
A tranziens abszorpció mérési módszernek van egy eredendő korlátja abban az értelemben, hogy az optikai impulzusok spektrális és időbeli szélességét a Fourier-transzformációs limit köti össze, azaz minél rövidebbek az impulzusok időben, annál szélesebb a hullámhossztartományuk, és fordítva. Emiatt a rendkívül rövid pumpaimpulzusok hullámhossz szerinti felbontása nem lehetséges. A kétdimenziós elektronikus, illetve tágabb értelemben a multidimenziós optikai spektroszkópia ‒ 2DES, illetve MDOS ‒ megoldást kínál ennek megkerülésére azáltal, hogy a tranziens abszorpciót széles sávú impulzusok sorozatával méri a pumpa- és próbaimpulzusok frekvenciájának függvényében, amelyek tetszőlegesen rövidek lehetnek. A technika különösen előnyös összetett biológiai rendszerek vizsgálatára, amelyek számos, egymással kölcsönhatásban lévő pigmentmolekulát és többlépcsős fényindukált reakciót tartalmaznak, sok köztes állapottal.
Szuperkontinuum-nyaláb reflexiói a fáziskorrigáló („csörpölt”) tükrökön
A 2DES, illetve az MDOS technikát csaknem két évtizeddel ezelőtt dolgozták ki. A 2DES-rendszer viszonylagos összetettsége és magas költsége miatt azonban csak néhány laboratóriumban érhető el. Az ELI-ALPS MDOS-munkaállomását olyan végfelhasználói munkaállomásként fejlesztették ki, amely nyitva áll a hazai és a külföldi kutatók előtt, hogy különféle ultragyors optikai spektroszkópiai méréseket végezzenek, beleértve a tranziens abszorpciómérést, a 2DES-t és a magasabb rendű MDOS-t. A műszer két kiemelkedő jellemzője az ultraszéles sávú szuperkontinuum-impulzusok használata és a nagy ismétlési gyakoriságú detektálás. A berendezést az ELI nagy ismétlési frekvenciájú HR-lézere (High-Repetition-rate Laser) hajtja, amelynek körülbelül 100 wattos optikai teljesítménye egy nagyságrenddel nagyobb, mint egy tipikus laboratóriumi femtoszekundumos lézerrendszeré. A munkaállomáson a kutatók a HR-lézer nagy energiájú impulzusait felhasználva nemlineáris optikai konverziót végeznek abból a célból, hogy 20 fs-nál rövidebb fehér fény szuperkontinuum impulzusokat keltsenek, amelyek spektrálisan a látható és a közeli infravörös tartományt fedik le. Ezután egy „impulzusformáló” eszköz tetszőleges spektrális és időbeli alakzatú impulzussorozatot hoz létre. Ez nagyfokú rugalmasságot biztosít a különböző mérési technikák alkalmazására különböző típusú és széles hullámhossztartományban elnyelő anyagokon. A nagy ismétlési gyakoriságú detektálás ugyanakkor akár két nagyságrenddel is lerövidítheti az adatgyűjtéshez szükséges időt, és lehetővé teszi a nagyon alacsony impulzusenergiájú kísérletek elvégzését, amelyek gyakran szükségesek biológiai mintáknál. Az MDOS-munkaállomás jelenleg tesztelési és optimalizálási fázisban van, külső felhasználókat kiszolgáló rendszeres működését 2023-ban kezdi meg.