"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9477
ETF9477 "Kvantitatiivne femtosekundiline kahe footoni neeldumise spektroskoopia orgaanilistes ja bioloogilistes kromofoorides (1.01.2012−31.12.2014)", Aleksander Rebane, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituut.
ETF9477
Kvantitatiivne femtosekundiline kahe footoni neeldumise spektroskoopia orgaanilistes ja bioloogilistes kromofoorides
Quantitative femtosecond two-photon absorption spectroscopy of organic and biological chromophores
1.01.2012
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP230 Aatomi- ja molekulaarfüüsika 1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)34,0
1. Bio- ja keskkonnateadused1.12. Bio- ja keskkonnateadustega seotud uuringud, näiteks biotehnoloogia, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, biofüüsika, majandus- ja tehnoloogiauuringudT490 Biotehnoloogia 1.5. Bioteadused (bioloogia, botaanika, bakterioloogia, mikrobioloogia, zooloogia, entomoloogia, geneetika, biokeemia, biofüüsika jt33,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP250 Tahke aine: struktuur, termilised ja mehhaanilised omadused, kristallograafia, phase equilibria1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)33,0
AsutusRollPeriood
Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituutkoordinaator01.01.2012−31.12.2014
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201213 706,40 EUR
01.01.2013−31.12.201313 706,40 EUR
01.01.2014−31.12.201413 706,40 EUR
41 119,20 EUR

Antud taotlus hõlmab eksperimentaalseid uuringuid kahe footoni samaaegse neeldumise (2FN) mittelineaarse spektroskoopia vallas rakendatuna orgaanilistele kromofooridele, sh. bioloogilistele pigmentidele. Uuringu eesmärk on töötada välja uudne spektroskoopiline meetod, mis võimaldab kvantitatiivselt määrata 2FN protsessi ristlõikeid absoluutse täpsusega vähemalt 10%. Usaldusväärsed eksperimentallselt mõõdetud 2FN ristlõigete väärtused on aluseks nanomeetri-skaalas elektrivälja tugevuse mõõtmistele, mis omakorda lubab uurida ja maäärata molekulide vahelist elektrostaatilisi vastasmõjusid sh. jõudusid, mis mõjuvad proteiinide sees jm. bioloogiliste nano-süsteemide vahetus ümbruses. Käesoleva taotluse põhieesmärk on välja töötada orgaanilistel värvainetel põhinevad 2FN standardid, millede kahe footoni neeldumise ristlõiked ja ristlõigete valguse lainepikkusest sõltuvus on mõõdetud suure täpsusega, võimaldades seega neid edaspidi rakendada teiste kromofooride 2FN ristlõigete määramiseks võrdlusmeetodi alusel s.h. kasutades laialt levinud 10-100 MHz impulsi kordussagedusega femtosekund lasereid. Praegu kasutuses olevate 2FN standardite täpsus ei ületa 50%, mis ei ole piisav vajalike mõõtmiste teostamiseks. Lisaks on olemasolevad standardid kehtivad piiratud lainepikkuste vahemikus. Antud töö saab olema suure tähtsusega uurijatele terves maailmas, sest annab nende käsutusse vajalikud tugiandmed, mis hetkel puuduvad. Ettepandud eksperimendi jagunevad kolme etapi vahel: (a) Viia lõpule fluorestsenssmeetodil 2FN ristlõigete mõõtmise eksperimendi seade, mille ülesse seadmist on KBFIs alustatud; (b) Teostada 2FN ristlõigete mõõtmised vähemalt 10 erinevast orgaanilisest värvainest koosnevas kromofoooride seerias eesmärgiga saavutada absoluutne täpsus vähemalt 10%; Teha analoogilised mõõtmised fluorestseeruvates proteiinides ja värvainetega interkaleeritud amüloid-proteiinides; (c) Teostada saadud andmete põhjalik kvantitatiivne analüüs; Võrrelda ristlõike sõltuvust laserimpulsite kordussagedusest eesmärgiga selgitada välja metastabiilsete triplet olekute võimalik mõju 2FN ristlõike mõõdetud väärtustele. Antud projekt on tihedalt seotud kahe käimasoleva rahvusvahelise projektiga: (a) European Office of Aerospace Research and Development grant 2FN spektrite teoreetiliseks uurimiseks ja (b) Marie Curie Initial Training Networks (FP7-PEOPLE-2010-ITN) projekt TOPBIO.
We propose experimental study of two photon absorption (2PA) of organic chromophores including biologically important pigments with the goal of developing techniques for quantitative measurement of 2PA cross section values. Reliable experimental 2PA cross sections values with absolute accuracy better than 10% serve as basis for quantifying nanometer-scale molecular environments, including measuring electrostatic fields acting inside proteins and other biologically active nano-systems. The principal goal of the current project is developing new highly accurate 2PA standards that are calibrated with high pulse repetition rate 10-100 MHz mode-locked Titanium-sapphire laser. This regime is important because it is directly compatible with most commonly used femtosecond lasers in 2PA and fluorescence microcopy experiments. Currently used de facto reference standards cannot provide the required accuracy and are also limited by other factors such as narrow spectral range. The work proposed in this project will develop a set of reference standards with at least one order of magnitude improved absolute accuracy, and will be a great benefit to 2PA research community worldwide. Proposed experimental plan follows three objectives: (a) Complete and optimize the experimental setup under development at NICPB for high accuracy 2PA cross section measurement using fluorescence excitation method; (b) Measure absolute 2PA cross sections at a set of fixed wavelengths of a series of at least 10 different organic dyes with absolute accuracy better than 10%; Perform similar measurements with a series of fluorescent proteins and intercalating dyes in peptide amyloid aggregates; (c) Compare the measurements to the values obtained previously from 1 kHz measurements; Determine in which reference compounds the measurement depends on the pulse repetition rate; This project builds on previous work and preliminary results obtained at NICPB and by collaborating groups. It will be augmented by two current internationally-funded projects at NICPB: (a) European Office of Aerospace Research and Development project to investigate theoretical aspects of 2PA and (b) Marie Curie Initial Training Networks (FP7-PEOPLE-2010-ITN) “TwO-Photon absorbers for BIOmedical applications” (TOPBIO).
Projekti eksperimentide eesmärgiks oli töötada va'lja uued 2-fotoonse neeldumise standardid, s.t. võimalikult kõrge täpsusega määrata femtosekundilise 2-fotoonse neeldumis ristlõiked ja nende sõltuvus ergasuse lainepikkusest. Seda laadi andmed on rakedatavad mitme mikroskoopias, mittelinearses spektroskoopias, jm. optiliste materjalide uuringutes. Suure hulga erinevate kromofooride läbivaatamise tulemusena valisime välja viis sobilikku ühendit: Coumarin 153, N,N-Dimethyl-6-propionyl-2-naphthylamine (Prodan), bis-diphynalanimostilbene (BDPAS), fluorestseiin ja rodamiin 6G. Valiku uheks kriteeriumiks oli 2PA ergasuslainepikkus vahemikus 680-1100 nm, mis vastaks moodlukustatud laserite tuunimispiirkonnale. Samuti fluorestsentskiirguse nagu rohelised fluorestseeruvad valgud (GFPs). Teostasime samuti eraldi uurimise, et hinnata referents ainete fotostabiilsust ja lahustuvust ning agregeerumist erinevates lahustites. Eksperimentide läbiviimiseks ehitasime, testisime ja optimiseerisime kaks uut eksperimendiseadet, millest esimene kasutab moodlukustatud Ti:safiir ostsillaatorit ja teine põhineb moodlukustatud valguskiudlaseril ja optilisel parameetrilisele generaatoril. Vajaliku täpsuse saavutamiseks tuvastasime fluorestsentsi signaali ruusõltuvuse langevast footonite voost igal mõõdetud lainepikkusel. Samuti osutus vajalikuks kasutada eraldi katsekonfiguratsuiooni selleks et mõõta 2-footonilise spektri kuju ja 2-footoni neeldumise ristlõiget. Võrreldes mitne sõltumatu katsete tulemusi, saavutasime esimest korda 2-footoni spektraalse kuju mootmise tapsuse ~ 5% ja absoluutsee 2-footoni neeldumise ristlõike täpsuse, ~ 8%. Põhjalik kokkuvõte meie tulemustest artikli kujul on ettevalmistamisel. Aga juba praegu on meie tulemused kasutusel uutes eksperimentides, kus me mõõdame molekulide püsivat elektrilist dipoolmomenti 2-footoni spektroskoopia vahendusel. Voib oodata, et lähemas tulevikus saavad meie tulemused laialdaselt kasutatud veel mitmes eri valdkonnas nagu mikroskoopia, mittelineaarne optika ja molekulide füüsika ja biofüüsika.