Принос от М. О. Скъли

проектиране

Резюме

Въздушните замърсители, например бактериални спори, обикновено се анализират чрез отнемащи време микроскопски, химически и биологични анализи. Текущите изследвания на лазерните спектроскопски детектори в реално време на такива замърсители се основават например на резонансна флуоресценция. Настоящият подход произтича от скорошни експерименти, при които атомите и молекулите се получават от един (или повече) кохерентни лазери и се сондират от друг набор от лазери. Създаването и използването на максимално кохерентно трептене в макромолекули с огромен брой степени на свобода е предизвикателство. По-специално краткото време за дефазиране и бързите вътрешни коефициенти на преобразуване са основни пречки. Адиабатните техники за бързо преминаване и способността за генериране на гребени на фазово-кохерентни фемтосекундни импулси предоставят инструменти за генериране и използване на максимална квантова кохерентност в големи молекули и биополимери. Ние наричаме тази техника FAST CARS (фемтосекундни адаптивни спектроскопски техники за кохерентна анти-Стоксова Раманова спектроскопия) и настоящата статия предлага и анализира начини, по които тя може да се използва за бързо идентифициране на предварително избрани молекули в реално време.

Има спешна нужда от бърз анализ на химични и биологични неизвестни, като биоаерозоли. През последното десетилетие беше постигнат значителен напредък към тази цел. Техники като флуоресцентна спектроскопия (1, 2) и UV резонансна Раманова спектроскопия (3–7) са успешно приложени за идентифициране на биополимери, бактерии и биоаерозоли.

Понастоящем се проектират полеви устройства (1), които ще включват етап на оптичен предварителен избор, базиран например на флуоресцентно излъчване, както е показано на фиг. 1. Ако измерването на флуоресценцията не дава правилния подпис, тогава тази частица се игнорира. През повечето време частицата ще бъде безинтересна прахова частица; когато обаче се запише съвпадение на сигнатурата, тогава частицата се избира за специален биологичен анализ (виж фиг. 1б). Сравнително простият етап на флуоресценция може много бързо да сортира някои от неинтересните частици, докато по-трудоемките био-тестове ще се използват само за „заподозрените“.

(а) Излъчването с ултравиолетово възбуждане повишава молекулите от основно състояние до колектор на възбудено състояние. Този колектор с възбудено състояние се разпада до основното състояние чрез нерадиационни процеси до по-нисък колектор, който след това се разпада чрез видима или UV флуоресценция. (б) Сценарий, при който UV лазер взаимодейства с прахови частици и биосфери, които представляват интерес. Когато например се облъчи бактериална спора, ще се излъчи флуоресценция, сигнализираща, че тази конкретна система ще бъде допълнително тествана. По принцип неинтересните частици се отклоняват по един начин; но когато се осъществи флуоресценция, частиците се отклоняват в друга посока и тези частици след това се подлагат на допълнителни биологични тестове. (в) Засенчената област показва обхвата на сигнала за флуоресцентния спектър на редица биологични проби, Bacillus subtilis, Bacillus thuringiensis, Escherichia coli и Staphylococcus aureus. Не е възможно да се направи разлика между различните проби въз основа на такова измерване (вж. Справка 2 за повече подробности).

Добрата новина за резонансната флуоресцентна техника е, че тя е бърза и проста. Лошата новина е, че въпреки че може да различи праха и бактериалните спори, не може да прави разлика между спорите и много други органични биоаерозоли (вж. Фиг. 1в).

Въпреки окуражаващия успех на гореспоменатите проучвания, все още има интерес към други подходи и инструменти за бързо идентифициране на химични и биологични вещества. За цитат от скорошно проучване (8):

„Настоящите [базирани на флуоресценция] прототипи са голямо подобрение спрямо по-ранните отстоящи системи, но те все още не могат последователно да идентифицират специфични организми поради сходството на техните емисионни спектри. Усъвършенстваните техники за обработка на сигнала могат да подобрят идентификацията. "

Резонансните Раманови спектри обещават, че са специфични за спори, както е показано на Фиг. 2б. Това е добрата новина, лошата е, че Раманов сигнал е слаб и отнема няколко минути, за да се съберат данните от фиг. 2б. Тъй като проходът в комплект, като този на фиг. 1б, е голям, оптичното разпитване на частица трябва да бъде по същество моментално.

(а) Резонансно раманово разсейване, при което лъчението ν1 възбужда атома от | c> до | a> и излъчването на Стокс излъчва поемане на молекулата от | a> до | b>. (b) Подробности за ултравиолетовия резонансен спектър на Раман за спори на B. megaterium (следа 1), Bacillus c. (следа 2) и калциев дипиколинат (следа 3), всички възбудени при 242 nm; адаптиран от изх. 4 (вж. Също фиг. 6). (в) По-физическа картина на Раманово разсейване, при която единична двуатомна молекула, състояща се от тежко ядро ​​и лек атом, разпръсква падащо лазерно лъчение с честота ν1. Вибрационните степени на свобода, свързани с двуатомната молекула, са изобразени тук като възникващи с амплитуда R0, трептяща с честота ω. Разсеяното излъчване от тази вибрираща молекула е с честота ν2 = ν1 - ω за излъчването на Стокс.

Тогава въпросът е: Можем ли да увеличим резонансната сила на Раманов сигнал и по този начин да намалим времето за разпит на частица? Ако е така, тогава техниката може да бъде полезна и в различни сценарии за откриване.

Отговорът на въпроса от предходния параграф е квалифициран да. Можем да подобрим Рамановия сигнал чрез увеличаване на кохерентната амплитуда на молекулярно трептене R0, посочена на фиг. 2в. По същество това означава максимизиране на квантовата кохерентност между вибрационните състояния | b> и | c> на фиг. 2а.

Нашата гледна точка произтича от изследвания в областта на лазерната физика и квантовата оптика, които са се концентрирали върху използването и максимизирането на квантовата кохерентност. Същността на тези изследвания е наблюдението, че ансамбъл от атоми или молекули в кохерентна суперпозиция на състояния представлява в действителен смисъл ново състояние на материята, подходящо наречено фазониум (9-11).

По-специално, ние отбелязваме, че материята в термодинамично равновесие няма фазова кохерентност между електроните в молекулите, съставляващи ансамбъла. Това се обсъжда подробно по-късно. Когато става дума за кохерентна суперпозиция на квантовите състояния, нещата са съвсем различни и въз основа на тези наблюдения много интересни и противоположни понятия вече са лабораторна реалност. Те включват генерация без инверсия (12–15), електромагнитно индуцирана прозрачност (16, 17), светлина със свръхбавни групови скорости от порядъка на 10 m/sec (18–23) и генериране на ултра-къси импулси на светлина на базата на фазирани молекулярни състояния (24, 25).

Друга нововъзникваща технология, централна за настоящата статия, е вълнуващият напредък в областта на фемтосекундния квантов контрол на молекулярната динамика, първоначално предложен от Джудсън и Рабиц (26). Този напредък е описан и разгледан в статиите на Kosloff et al. (27), Warren et al. (28), Гордън и Райс (29), Заре (30), Rabitz et al. (31) и Brixner et al. (32). Друга свързана работа по квантово кохерентно управление включва квантовия интерференционен подход на Брумер и Шапиро (33), техниката във времевата област (помпа-изхвърляне), предложена от Tannor et al. (34) и подхода на стимулираното адиабатично преминаване на Раман (STIRAP) на Bergmann et al. (35) за генериране на последователност от кохерентни лазерни импулси. Предходните изследвания ни учат как да произвеждаме импулси с произволна контролируема зависимост от амплитуда и честота от времето. Всъщност способността за извайване на импулси от фемтосекундния импулсен формиращ механизъм осигурява важен нов инструмент за цялата оптика [виж пионерските произведения на Heritage et al. (36), Weiner et al. (37), Wefers и Nelson (38) и Weiner (39)].

Обещаващ подход е да се използват алгоритми за обучение, така че да не са необходими познания за повърхностите на молекулярната потенциална енергия и матричните елементи между повърхностите. Прецизните честоти на таксономичните маркери може да не са известни априори; въпреки това, чрез използване на импулсен преобразувател, свързан със система за обратна връзка, могат да бъдат разкрити сложни спектри.

По този начин сега имаме на разположение техники за контрол на влаковете на фазово-кохерентни фемтосекундни импулси, така че да максимизираме молекулярната кохерентност. Този процес ни позволява да увеличим Рамановия сигнал, като същевременно намалим нежелания флуоресцентен фон, който има много общо с CARS спектроскопията (40) на фиг. 3, но със съществени разлики, както сега обсъждаме.

(а) Обикновена резонансна Раманова спектроскопия, при която задвижващият лазер с амплитуда ɛ1 генерира слабо сигнально поле с амплитуда ɛ2. Падащият сигнал се състои от един импулс при ν1, а структурата на импулса след взаимодействие с молекулярната среда се състои от два импулса при ν1 и ν2. (б) Кохерентният Раманов процес, свързан с CARS, е изобразен, в който две полета с честота 1> и 2> са инцидентни с амплитуди ɛ1 и ɛ2. Показва се третото излъчено анти-Стоксово сигнально поле с честота ν3. в) конфигурация БЪРЗИ АВТОМОБИЛИ, при която се предвижда максимална кохерентна Раманова спектроскопия. Импулсите за подготовка ɛ1 и ɛ2 подготвят максимална съгласуваност между състоянията | b> и | c>. След това сондата лазер ɛ3 взаимодейства с тази колебателна молекулна конфигурация и се генерира анти-Стоксово излъчване.

След като заявихме нашите цели и нашия подход към постигането на тези цели, ние подчертаваме, че настоящата статия по същество представлява инженерно начинание. Предлагаме да разгледаме в значителна степен текущата работа в областта на квантовата кохерентност и квантовия контрол, както беше споменато по-рано. Например, внимателните експерименти и анализ на групата във Вюрцбург за генериране и сондиране на кохерентност на основно състояние в молекулите на порфирин (41) чрез фемтосекунди-CARS (fs-CARS) са много подходящи за нашите съображения. Въпреки това, съгласуваността на основното състояние при тези експерименти не е максимална. В друг набор от красиви експерименти (42) те изследват селективното възбуждане на полимери на диацетилен чрез fs-CARS. Те контролират времето, фазата и честотата (чуруликане) на техните импулси за подготовка. В тези експерименти беше необходимо да се съсредоточи вниманието върху развитието на молекулярната динамика на възбудено състояние. Надяваме се да избегнем това усложнение, както е обяснено по-късно.

Може би най-близо до нашия подход е скорошната съвместна работа на групите Гархинг Макс-Планк и Вюрцбург (43). Техният доклад е отличен пример за експеримент БЪРЗИ КОЛА. Те обаче се концентрират върху създаването на силно възбудени състояния на „вибрационното движение на определена връзка“. Прилагането на тяхната техника за получаване на максимална кохерентност между състоянията | b> и | c> на фиг. 2а в специфичен вибрационен режим на тяхната молекула би представлявало голям интерес за нас и е в ход.

И накрая, искаме да насочим вниманието на читателя към полезната колекция от статии в скорошно специално издание на Journal of Raman Spectroscopy, посветено на fs-CARS (44). По същия начин неотдавнашната работа на Силбербърг и колегите (45, 46), в която те показват, че е възможно да се възбуди едно от двете близки нива на Раман, дори когато те са много в широкия fs импулсен спектър, е друг отличен пример за силата на техниката БЪРЗИ АВТОМОБИЛИ.

Настоящата работа се фокусира върху използването на максимално фазово-кохерентен ансамбъл от молекули, т.е.молекулен фазооний, за подобряване на Рамановите подписи. Това ще бъде постигнато чрез внимателно адаптиране на кохерентен импулс, предназначен да подготви молекулата с максимална кохерентност на основното състояние. Такъв импулс е нещо като „мелодия“, предназначена да подготви определена молекула. След като познаем тази молекулярна мелодия, можем да я използваме, за да приведем в движение тази конкретна молекула и това колебателно движение се открива от друг импулс; това е протоколът FAST CARS, изобразен на фиг. 3в.

В следващия раздел се разглежда състоянието на Раманова спектроскопия, приложена върху биологични спори. След това сравняваме различни видове Раманова спектроскопия с едно око с последните успешни приложения на квантовата кохерентност в лазерната физика и квантовата оптика. След това представяме няколко експериментални схеми за прилагане на тези съображения за бързото идентифициране на макромолекулите като цяло и по-специално на биологичните спори. И накрая, ние предлагаме няколко сценария, при които БЪРЗИТЕ АВТОМОБИЛИ могат да бъдат полезни при бързото откриване на бактериални спори. Посочените различни приложения могат да бъдат намерени в нашата разширена статия, която е публикувана като подкрепяща информация на уебсайта на PNAS, www.pnas.org. Както беше посочено по-рано, настоящата статия е инженерен научен анализ на обещаващ подход към проблема с откриването на бактериални спори.

Пико-преглед на Раманова спектроскопия, приложена към бактериални спори

Бактериалната спора е невероятна форма на живот. Спорите на възраст от хиляди години са жизнеспособни. Един учебник (48) съобщава, че „ендоспорите, захванати в кехлибар в продължение на 25 милиона години, покълват, когато се поставят в хранителни среди“.

Ключът към това невероятно дълголетие е наличието на дипиколинова киселина (DPA) и нейната сол калциев дипиколинат в живата сърцевина, която съдържа ДНК, РНК и протеин, както е показано на фиг.