中紅外光譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超快時(shí)間分辨中紅外光譜測量領(lǐng)域，尤其是涉及一種中紅外光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]蛋白質(zhì)科學(xué)是21世紀(jì)人類科學(xué)發(fā)展最快也是最熱門的科學(xué)。紅外光譜技術(shù)由于其包含有大量的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于蛋白質(zhì)科學(xué)研宄。目前，采用紅外光譜技術(shù)研宄蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化主要有兩個(gè)領(lǐng)域:蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)變化及蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化。紅外光譜技術(shù)研宄蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)變化主要依賴于傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)。它可以給出蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)信息，但無法給出蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)信息。
[0003]為了研宄蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化，人們發(fā)展了反應(yīng)-停留法，脈沖升溫法和激光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的方法用于引發(fā)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。反應(yīng)-停留法具有至少微秒量級的死時(shí)間，很難達(dá)到納秒量級的時(shí)間分辨。而激光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的方法，需要在蛋白溶液中加入用于激光激發(fā)的物質(zhì)，對蛋白質(zhì)有一定損傷。而激光脈沖升溫法因?yàn)橹患訜岬鞍踪|(zhì)溶液而對蛋白質(zhì)幾乎沒有損傷，成為了誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變化的較具優(yōu)勢的方法。受限于激光技術(shù)，當(dāng)前快速升溫時(shí)間分辨紅外光譜技術(shù)，多采用調(diào)Q NdiYAG激光器輸出的1064nm激光經(jīng)過高壓氫氣池產(chǎn)生1900nm的激光的方法來產(chǎn)生重水升溫的脈沖源。這種方法由于需要經(jīng)過一個(gè)拉曼頻移的非線性過程，導(dǎo)致所產(chǎn)生的1900nm的激光，光斑質(zhì)量比較差，且空間抖動(dòng)非常大，系統(tǒng)的長期工作穩(wěn)定性也較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在提供一種可以利用脈沖升溫實(shí)現(xiàn)納秒時(shí)間分辨的中紅外光譜儀，可以實(shí)現(xiàn)高精度的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的測量。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種中紅外光譜儀，用于測量蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化，該中紅外光譜儀包括:寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器，用于向待測蛋白質(zhì)溶液發(fā)出中紅外探測激光；納秒調(diào)Q鈥激光器，用于發(fā)出泵浦激光以加熱待測蛋白質(zhì)溶液；泵浦探測光路系統(tǒng)，用于探測透過待測蛋白質(zhì)溶液后的中紅外探測激光的強(qiáng)度；以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用來采集來自泵浦探測光路系統(tǒng)所探測的強(qiáng)度的數(shù)據(jù)；納秒調(diào)Q鈥激光器發(fā)出的泵浦激光形成在樣品池上的光斑直徑為2mm。
[0006]進(jìn)一步地，泵浦探測光路系統(tǒng)包括依次設(shè)置的光路部分、探測器、放大器和濾波器。
[0007]進(jìn)一步地，探測器為液氮制冷型高速碲鎘汞探測器；放大器為DC-lOOMHz放大器。
[0008]進(jìn)一步地，寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器的輸出波長為5.2 μπι?6.2 μπι。
[0009]進(jìn)一步地，調(diào)Q鈥激光器的輸出脈寬為50ns，輸出波長為2080nm。
[0010]進(jìn)一步地，該中紅外光譜儀還包括用于放置待測蛋白質(zhì)溶液的樣品池，樣品池具有用于放置參比樣重水的第一區(qū)域和用于放置含待測蛋白質(zhì)溶液的重水溶液的第二區(qū)域。
[0011]進(jìn)一步地，樣品池為旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，并通過其旋轉(zhuǎn)使得第一區(qū)域和第二區(qū)域均能接收到寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器發(fā)出的中紅外探測激光和納秒調(diào)Q鈥激光器發(fā)出的泵浦激光。
[0012]寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器發(fā)出的中紅外探測激光形成在樣品池上的光斑直徑為 0.4mmο
[0013]進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括8位高速采集卡，最小分辨為0.36mV。
[0014]進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置成以納秒到秒時(shí)間量級的降采樣模式采集數(shù)據(jù)。
[0015]本發(fā)明的有益效果:采用本發(fā)明提供的納秒脈沖升溫時(shí)間分辨中紅外光譜儀，可以準(zhǔn)確測量蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化的瞬態(tài)紅外光譜數(shù)據(jù)和蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力學(xué)信息，其紅外光譜數(shù)據(jù)精度可以達(dá)到1X10_40D。其中，采用高穩(wěn)定性低溫流動(dòng)式寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器作為探測光探測蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)信息，可以實(shí)現(xiàn)寬的中紅外光譜測量，完全覆蓋蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)酰胺I ’的吸收。采用納秒短脈沖調(diào)Q鈥激光器，可以作為泵浦激光直接對含有蛋白質(zhì)的重水溶液進(jìn)行納秒時(shí)間的升溫，具有對重水溶液加熱的縱向均勻、橫向均勻以及長時(shí)間的穩(wěn)定加熱等優(yōu)點(diǎn)。采用泵浦探測光路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對樣品的泵浦探測過程，具有操作方便且系統(tǒng)穩(wěn)定，有效減少了雜散光等優(yōu)勢。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)納秒時(shí)間到秒時(shí)間的高速數(shù)據(jù)采集。
[0016]根據(jù)下文結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。
【附圖說明】
[0017]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所采用的納秒脈沖升溫時(shí)間分辨中紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖2為本發(fā)明本發(fā)明實(shí)施例中所采用的高穩(wěn)定性低溫流動(dòng)式寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明典型實(shí)施例的納秒短脈沖調(diào)Q鈥激光器的光學(xué)腔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中采用降采樣的方式數(shù)據(jù)采集的長時(shí)間結(jié)果示意圖；
[0022]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中瞬間升溫時(shí)重水溶液在1645CHT1處的吸光度動(dòng)態(tài)變化曲線示意圖；
[0023]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中瞬間升溫時(shí)重水溶液和含細(xì)胞色素C蛋白重水溶液在1645CHT1處的吸光度動(dòng)態(tài)變化曲線圖；
[0024]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中重水溶液在1645CHT1處的吸光度的動(dòng)態(tài)精度示意圖；
[0025]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中瞬間升溫時(shí)細(xì)胞色素C蛋白在1645CHT1處的吸光度動(dòng)態(tài)變化示意圖；以及
[0026]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中瞬間升溫2微秒之后的細(xì)胞色素C的瞬態(tài)光譜示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，本發(fā)明提供的利用脈沖升溫可以實(shí)現(xiàn)納秒時(shí)間分辨的中紅外光譜儀主要包括寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器10、納秒短脈沖調(diào)Q鈥激光器20、泵浦探測光路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)40。本發(fā)明的中紅外光譜儀可以準(zhǔn)確測量蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化的瞬態(tài)紅外光譜數(shù)據(jù)和蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力學(xué)信息，其紅外光譜數(shù)據(jù)精度可以達(dá)到1X10_40D。
[0028]下面分別對中紅外光譜儀的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)介紹:
[0029]高穩(wěn)定性低溫流動(dòng)式寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器10用于向待測蛋白質(zhì)發(fā)出中紅外探測激光，以探測待測蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)信息，可以實(shí)現(xiàn)寬的中紅外光譜測量，完全覆蓋蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的吸收。具體地，該寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器10采用液氮冷卻的含有固定配比的氦氣、氮?dú)?、一氧化碳和氧氣的混合氣體作為激光介質(zhì)，氣體的配比根據(jù)所需波長范圍的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖2所示，工作時(shí)，經(jīng)由電子流量計(jì)混合好的氣體進(jìn)入石英管通道。石英管通道連接石英螺旋管的一端為氣體輸入端，另一端為連接有真空泵的出氣端。由電子閥控和真空泵(圖中未顯示)來實(shí)現(xiàn)氣體的穩(wěn)定流動(dòng)，工作時(shí)氣壓約為26.5ton.。工作氣體由液氮進(jìn)行冷卻。
[0030]在探測蛋白結(jié)構(gòu)變化方面，可以直接用于探測蛋白二級結(jié)構(gòu)的紅外激光器，主要有鉛鹽激光器和一氧化碳(CO)激光器及最近新出的量子級聯(lián)激光器。相對于鉛鹽激光器和量子級聯(lián)激光器而言，一氧化碳(CO)激光器10具有寬光譜輸出，可以完全覆蓋蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)酰胺I’帶的紅外指征的優(yōu)點(diǎn)。
[0031]圖2為高穩(wěn)定性低溫流動(dòng)式寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器的基本結(jié)構(gòu)。該寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器10采用雙向高壓電泵浦作為激光的激勵(lì)方式。高壓電泵浦的具體結(jié)構(gòu)為:激光腔兩端是陽極，兩個(gè)陽極共用中間的陰極。陰陽極之間的電壓約為7KV。激光腔的一端為r = 5m的鍍金凹面鏡，一端為電動(dòng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)光柵。光柵結(jié)合垂直于光柵表面放置的鍍金平面鏡及相應(yīng)的光路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在光柵轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，輸出激光的波長變化但輸出激光的方向不發(fā)生變化。R= 5m的凹面金鏡端鏡，用于對紅外光進(jìn)行全反射。該凹面金鏡裝在一個(gè)可以電動(dòng)微調(diào)的鏡架上，以便于對激光的光腔進(jìn)行微調(diào)。
[0032]該激光器巧妙地采用了光柵作為激光器的輸出鏡。光柵的I級光返回到激光腔，O級光輸出，輸出效率約為10%。為了使輸出光的方向不發(fā)生變化，在光學(xué)上進(jìn)行了一些設(shè)計(jì):將光柵與一片平面金鏡垂直放置，并將二者固定在同一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)上。光柵與平面金鏡同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的光的方向的偏折由與其一起轉(zhuǎn)動(dòng)的平面金鏡補(bǔ)償回來，從而保證了光的出射方向不會(huì)發(fā)生變化。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用可以進(jìn)行溫控的瑛鋼管來保證激光器腔長的穩(wěn)定。激光器的配氣系統(tǒng)，光柵控制及高壓控制都由Iabview程序控制電子學(xué)元件實(shí)現(xiàn)。
[0033]采用本發(fā)明的高穩(wěn)定性低溫流動(dòng)式寬頻可調(diào)諧一氧化碳激光器10，具有如下性能:1)在1580cm_1~ 19800^1范圍內(nèi)輸出能量大于1mw ；2)波長間隔約為4cm ；3)短時(shí)間的穩(wěn)定性為千分之一，說明可調(diào)諧一氧化碳激光器10的激光輸出比較穩(wěn)定；4)長時(shí)間的抖動(dòng)< 20 %，說明其工作氣流及電壓的長期穩(wěn)定。
[0034]納秒短脈沖調(diào)Q鈥激光器20可以作為泵浦光對含有蛋白質(zhì)的重水溶液進(jìn)行納秒時(shí)間的升溫，具有對重水溶液加熱的縱向和橫向均勻以及長時(shí)間的穩(wěn)定加熱等優(yōu)點(diǎn)，可以直接對重水進(jìn)行脈沖升溫。圖3為納秒短脈沖調(diào)Q Ho激光器20光學(xué)腔的結(jié)構(gòu)圖。激光腔米用平平腔結(jié)構(gòu)，一端為全反鏡21，一端為輸出效率為20%的輸出親合鏡22。納秒短脈沖調(diào)Q鈥激光器采用摻雜有1.5% Cr，5.8% Tm，0.35% Ho元素的Cr，Tm，Ho: YAG晶體作為激光晶體23，閃光燈24作為泵浦源。電光調(diào)Q晶體為！La3Ga5S114 (LGS)晶體25，采用退壓式調(diào)Q工作模式。起偏器為布儒斯特角放置的一對氧化鋁(Al2O3)晶體26，用λ/4石英波片27來調(diào)制熱退偏效應(yīng)。閃光燈電源以及調(diào)Q晶體采用的電源(二者圖中均無示出)均來源于商業(yè)采購。激光晶體的水冷由控溫精度為0.1度的大功率水冷機(jī)(圖中未示出)實(shí)現(xiàn)，工作時(shí)水冷機(jī)水