超稳定飞秒助剂助力二维红外光谱在生物膜和表面活性剂的天博体育中国官方网站中实现高输出数据
综述
Carlos Baiz 教授（德克萨斯大学奥斯汀分校）的实验室天博体育中国官方网站人员正在天博体育中国官方网站亲水/静止界面的动力学，以了解生物膜和工业表面活性剂的功能。它们的使用基于Astrella 超快激光战士的二维红外传感器，这套装置不仅操作性强，稳定性高，而且效率高，可提供大量实验数据。
抗菌的生物膜和工业表面活性剂
Baiz教授解释了他的天博体育中国官方网站动机：“表面活性剂和胎儿膜的传统天博体育中国官方网站针对的都是单一类型的。传统天博体育中国官方网站结果并不完全适用于无菌的生物膜。例如，生物膜包含数百甚至数千种不同的基质。现在我们知道，生物自然倾向向高效率发展，所以这种出乎意料的化学多样性无疑具有重要的目的。我们天博体育中国官方网站了膜异质性在控制细胞功能的蛋白质折叠过程中所起的作用。”他补充说，类似的化学多样性也存在于用于油剂恢复和润滑等工业活性表面领域。无论这些表面活性剂是来自石化资源还是生物资源（如巴拿马油），都是通过分子链长度、功能团等对它们进行表征。
“二维光谱学的原理很好理解，但实施起来往往非常复杂。”
条形码的独特能力
二维红外光谱是Baiz课题组在其天博体育中国官方网站中经常使用的工具之一。二维光谱学的原理很好理解，但实施起来往往非常复杂。在传统的（一维）红外吸收光谱中，通常使用FTIR（傅里叶变换光谱仪）在不同频率的吸收峰测量样品。这吸收峰对应不同的分子振动。在二维红外光谱中，通过两个红外光谱源（称为泵光和红外光）测量样品的吸收峰。然后将数据强度为两个频率坐标轴的二维高线图。如图1所示，颜色强度表示信号强度。 [1]
为什么这样？复杂的实验方法可以获得其他方法测不出来的结果存在？非对角峰的表明这两种分子振动是耦合振动（消耗一个或多个原子，或者在某种化学满足中紧密相连）。例如，峰形揭示了同时而不是均匀的展宽成分，这反过来又提供了分子与周围环境连通的动态信息。还可以通过建模提取其他更详细的信息。
虽然数据是在频域中的缺乏，但大多数二维光谱检测是使用超快激光脉冲在时域中实验，如图1所示，样品由所涉及频率的两个飞秒泵脉冲激发。然后重复扫描两个泵浦脉冲之间的延迟，目的是探测脉冲进行傅里叶变换到频域中。（如图）。探测脉冲也包含所有相关频率的中飞秒。该脉冲穿过样品之后，将分散在仪器上，检测其频率。由于光谱是利用激光脉冲进行测量的，因此可以控制泵浦和探测脉冲之间的延迟，来天博体育中国官方网站不同的影响因子，例如相干时间。
图1：经二维红外光谱测量，一对宽带中红外泵浦脉冲在样品中引起振动相干性。短暂延迟后，第三加个宽带脉冲以产生三阶信号。Baiz 实验室供图。
具有多种功能的稳定实验系统
Baiz指出，“二维红外光谱已被充分证明是探测膜中氢键动力学的优越方法。亲水/最终决定差异了界面性质，与主体相比，界面处的氢键更容易受到破坏。”Baiz补充说，二维红外光谱在他的天博体育中国官方网站中的另一个优势是可以从绘图基(C=O)伸缩振动中获得相对相对的信号。大多数常见的光栅都有这些蚀刻基，它们是与水形成氢键的关键因素，因此，这项技术非常适用于各种光栅的天博体育中国官方网站。 [2-3]
这个二维红外光装置中的激光源使用是连贯高意的Astrella，以及一个可聚焦的光学参量放大器（Coherent高意生产的带有NDFG功能的TOPAS Prime）。Astrella标准化激光放大器，可产生100 fs脉冲，中心波长距800 nm。OPA/NDFG对激光脉冲的波长可在整个中红外范围内进行光源。在Baiz装置中，它通常被聚焦到5.7到6.2微米之间的中心宽度，对应于 1750-1580 cm-1 的频率，以适应底座和蛋白质中的酰胺基的拉伸振动。100 fs 脉冲宽度提供了足够的光谱范围，可同时估测调色剂酰胺基化合物和蛋白质酰胺基化合物。
“二维红外光已被充分证明探测是碱性膜中氢键动力学的出色方法。”
同时具备空间和时间解析
图 2 截图了 Baiz 实验室中使用的二维红外光谱装置的主要部件。超快二维红外实验台阶，他们使用定制设备产生激光脉冲。由于是在不同的光路中产生的脉冲，这对实验的光路工作带来了巨大的挑战。今天，像 Baiz 那样的天博体育中国官方网站人员使用商业化的脉冲整形器（PhaseTech Spectroscopy Inc. 的 ） Quickshape）来生成密集的激励脉冲，并且所有脉冲都在同一个光路中产生，从而大大简化了实验。
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图2：2D红外光谱装置主要部件地图。Coherent高意Astrella系统包含Vitara振荡器、Revolution泵激光器和钛宝石放大器。延迟信号发生器用于生成电子定时脉冲以同步化。Baiz实验室提供图。
激光器的稳定性可支持长时间的数据采集
Astrella经过Coherent高意使用HALT/HASS测试，实现了无与伦比的稳定性和可靠性。HALT表示高加速寿命测试，HASS表示高加速筛选。Baiz将Astrella的稳定性视为实验成功的关键出色因素。
这是实验中样本需要通常16-24小时的数据采集，因为激光输出都必须在整个实验过程中保持稳定。数据采集时间长的原因是信号强度低。他解释说：“二维红外光信号很弱，红外跃迁的振动强度通常远低于电子跃迁。另外，我们使用同位素替换；将异质混合中的幼儿园作为天博体育中国官方网站时间对象，我们碳用13标记该基线，将其C=O伸缩基频降低。因此，如果目标基线占基线的5%，那就意味着信号强度进一步下降。如果我们要进行时间依赖的天博体育中国官方网站，那么实验的持续时间会变得更长。”
操作快捷性大幅降低疫情对白子实验室的影响
白子实验室的多名学生和博士后共同使用一套二维红外光谱装置，这使得星辰的长期可靠性和操作便捷性与输出稳定性同样重要。Baiz 解释说：“学生可以使用连续系统装置装置。为了使这种安排能够顺利、公平地执行，我们需要合理安排它的使用需求。借助 Astrella，我们实现了这个目标。特别是，我们发现激光可以实现每周 7 天，每天 24 小时连续运行，不用担心它会出现意外。我们还满足了满意的服务合同，虽然激光出现问题的概率很低，但只要遇到任何激光问题时，我们都可以立即得到支持。”Baiz说，Astrella的易用性让他的学生能够把所有精力都集中在他们的实验上，根本不需要激光器。在2020年疫情期间，这对于保证实验室工作效率至关重要。他指出：“学校每次只能一个人做实验。因此，对于超快激光放大器没有多少使用经验的低年级学生来说，必须在没有直接帮助或监督的情况下进行独立工作。然而，这种人员限制并降低了我们实验室的工作效率，仅在2020年，我们就提交了10篇论文。”
从这些二维红外天博体育中国官方网站中获得的独特信息
图3显示了二维红外光谱获得了一些令人兴奋的结果，以显示了基底膜中嵌入的蛋白质的模拟过程。传统观点认为内部结构通常在外部排除水。但来自同位素标记的二维红外光谱实验的数据表明，膜核心内部有显着的水渗透。此照片来自膜中两亲性亲性的分子动力学（MD）模拟。我们注意到，即使在一根（多层基链）区域约1 nm 的深度，水分子也可以与主链氢形成键。观察起见，将周围的基准显示为半透明，仅显示周围的水分子。基准头基的平均位置以虚线表示。
“大学限制每次只能有一个人在实验室工作。因此，对于超快激光二极管没有多少使用经验的低年级学生来说，必须在没有直接帮助或监督的情况下独立工作。”
图3：眼球环境中的水渗透。
Baiz实验室供图。
总结
二维红外光谱学是一种天博体育中国官方网站化学单键的强大技术。技术简单性和系统可靠性的进步，特别是一体化超快激光器的进步，意味着现在天博体育中国官方网站实验室可以将其作为一种线索分析的方法，具有与FTIR等成熟的常规方法相同的操作简便性和可靠性。
参考文献
[1] Flanagan、Jennifer C.、Mason L. Valentine 和 Carlos R. Baiz。 “脂水界面的超快动力学。”化学天博体育中国官方网站报告 53.9 (2020): 1860-1868.
[2] Flanagan、Jennifer C.、Alfredo E. Cardenas 和 Carlos R. Baiz。 “脂-水界面的超快光谱：跨膜拥挤驱动氢键动力学。”物理化学快报杂志 11.10 (2020): 4093-4098.
[3] 弗拉纳根、詹妮弗·C. 和卡洛斯·R. 拜兹。 “位点特异性肽探针检测脂质膜中埋藏的水。”生物物理学杂志116.9（2019）：1692-1700。
[4] Flanagan、Jennifer C. 和 Carlos R. Baiz。