Az NKFIH és az ELKH által fi­nanszírozott együttműkö­dé­si projekt keretében a Szegedi Biológiai Kutatóközpont és az ELI-ALPS kifejlesztett egy fem­to­biológiai munkaállomást a fényindukált biológiai folyamatok tanulmányozására ultragyors, nemlineáris optikai spektroszkópiai módszerekkel.

Az MDOS munkaállomás blokkdiagramja a fő összetevőkkel 1. A HR lézerforrás 1 mJ, 30 fs, 1030 nm impulzusokat biztosít, 100 kHz-es frekvenciával. 2. A szuperkontinuum-keltés kripton nemesgázzal töltött kamrában, femtoszekundumos lézer nyalábprofiljában kialakuló filamentációval történik. 3. A csoportsebesség-diszperziót egy csörpölt tükörpár kompenzálja, hogy <20 fs-os impulzust hozzunk létre. 4. A nyaláb egy kis részét kicsatoljuk, és próbanyalábként használjuk, miután átküldtük egy optikai késleltető állomáson. 5. A „pumpa”-nyalábot egy speciálisan ultraszéles sávú, nagy ismétlési frekvenciájú impulzusokhoz tervezett impulzusformálón küldjük át. 6. A „próba”- és a „pumpa”-nyalábokat off-axis parabolatükrökkel fókuszáljuk a mintára. 7. A mintán áthaladt próbanyalábot egy 30 cm-es képalkotó spektrográfban bontjuk spektrális komponenseire. 8. A jelet egy nagy sebességű vonaldetektor kamera rögzíti, amely szinkronizáltan működik a lézerrel és az impulzusformálóval.

A nemlineáris optikai spektroszkópia azon mérési technikák családja, amelyek lézerimpulzusokat használnak a mo­lekulák tulajdonságainak és dinamikus viselkedésének vizsgálatára, különösen a fényindukált reakciókra, amelyek rendkívül gyorsak lehetnek – femtoszekundumos (fs) időtartományban (1 fs = 10^–15 s) fordulnak elő. A földi élet szorosan kapcsolódik a Naphoz; nemcsak a Nap energiája táplálja, amelyet a foto­szintézis folyamatában tárolnak, hanem a biológiai szervezetek is érzékelik és reagálnak a napfényre különböző me­chanizmusokon keresztül, különféle fény­érzékeny molekulák vagy pigmentek segítségével. Ezek lehetnek a növények zöld színét adó és a napfény energiáját begyűjtő klorofillok, vagy az emberek és állatok szemében lévő rodopszinok, vagy a napi ciklusokat, anyagcserét vagy génexpressziót szabályozó különböző en­zimek és fotoreceptorok.

A modern biológia hihetetlen gyorsasággal forradalmasítja a szerkezetbiológiát, amely lehetővé teszi számunkra, hogy a fehérjék szerkezetét atomi részletességgel lássuk. Egy összetett makromolekula szerkezetének ismerete azonban nem garantálja, hogy meg is értjük a funkcióját. Különösen nehéz megjósolni a fotofizikai folyamatokat, amelyek általában két fizikai terület – 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. Éppen ezért a spektroszkópia elengedhetetlen a fotobiológiai reakciók mechanizmusainak megértéséhez; ugyanakkor a biológiai struktúrák mérete és összetettsége miatt is nagy kihívást jelent.

Multidimenziós optikai spektroszkópiai mérőrendszer CAD terve.

A femtoszekundumos tranziens abszorpció spektroszkópia a fizikai kémia alapvető eszköze. A jól bevált pumpapróba 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 „próba”-impulzus követi, amely felfedi a rendszerben bekövetkezett változásokat. Általában a pumpaimpulzust egy meghatározott hullámhosszra állítják be, hogy egy adott pigmentet vagy molekulaállapotot gerjesszenek, míg a próba lehet széles sávú is, ezáltal szélesebb spektrális tartományt lefedve. Az eltelt idő függvényében így rögzített tranziens abszorpció spektrumok segítségével azonosíthatók a reakció közbenső termékei és a reakcióidők femtoszekundumtól másodpercig vagy akár még hosszabb időskálán.

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 frek­ven­ciatartományuk (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 szélessávú 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.

A 2DES (illetve az MDOS) nem új technika, csaknem két évtizeddel ezelőtt dolgozták ki. A 2DES-rendszer vi­szonylagos összetettsége és költsége miatt azonban csak néhány laboratóriumban érhető el. Az ELI-ALPS MDOS munkaállomását olyan végfelhasz­ná­lói munkaállomásként fejlesztették ki, amely nyitva áll a hazai és 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 HR lézere hajtja – egy nagy ismétlési sebességű impulzuslézer, amelynek optikai teljesítménye körülbelül 100 watt –, egy nagyságrenddel nagyobb, mint egy tipikus laboratóriumi femtoszekundumos lézerrendszer. A munkaállomáson nemlineáris optikai konverziót végzünk a HR lézer nagy energiájú impulzusait felhasználva, hogy 20 fs-nál rövidebb fehér fény szuperkontinuum impulzusokat keltsünk, amelyek spektrálisan a látható és közeli infravörös tartományt fedik le. Egy „impulzusformáló” eszköz ezután tetszőle­ges spektrális és időbeli alakzatú impulzussorozatot hoz létre. Ez hihetetlen rugalmasságot tesz lehetővé 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.

Szuperkontinuum nyaláb reflexiói a fáziskorrigáló („csörpölt”) tükrökön.

Az MDOS munkaállomás jelenleg tesztelési és optimalizálási fázisban van, és 2023-ban kezdi meg rendszeres működését külső felhasználókkal.•