物理所研制高精度脈沖升溫-納秒時(shí)間分辨中紅外瞬態(tài)光譜儀

　　“十年磨一劍，不敢試鋒芒。再磨十年劍。泰山石敢擋。”每一位從事實(shí)驗(yàn)研究的科研人員都?jí)粝胧种杏幸话牙?，能夠和俠客一樣在科學(xué)的天地里縱橫天下，快意恩仇。然而當(dāng)看準(zhǔn)一個(gè)研究方向后，手頭不可能都有現(xiàn)成的設(shè)備，尤其是遇到國(guó)外設(shè)有技術(shù)壁壘的時(shí)候。

　　5月27日，Review　of　Scientific　Instruments發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院物理研究所軟物質(zhì)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室翁羽翔研究組的一篇題為A　Q-switched　Ho:YAG　laser　assisted　nanosecond　time-resolved　T-jump　transient　mid-IR　absorbance　spectroscopy　with　high　sensitivity 的儀器研制論文，便是一項(xiàng)磨劍之作。

　　蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)信息是理解其生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。為此國(guó)際上發(fā)展多種蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，各有千秋。脈沖升溫-納秒時(shí)間分辨瞬態(tài)紅外光譜便是其中的一種，相比較而言，該方法的特點(diǎn)是具有高的時(shí)間分辨率。其中涉及的關(guān)鍵設(shè)備之一為可調(diào)諧連續(xù)工作中紅外激光源，用于蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變化的紅外指紋光譜指認(rèn)。由于其在軍事用途方面的敏感性，在2009年之前一直屬于對(duì)華出口限制物資。

　　翁羽翔研究組長(zhǎng)期致力于脈沖升溫納秒時(shí)間分辨紅外光譜技術(shù)的發(fā)展及其在蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用研究。該課題組與大連理工大學(xué)教授于清旭開(kāi)展長(zhǎng)期合作，于2005年建立了基于國(guó)內(nèi)一氧化碳?xì)怏w中紅外激光技術(shù)的寬譜帶脈沖升溫-時(shí)間分辨瞬態(tài)光譜儀(測(cè)量精度為千分之一的吸光度差10^-3ΔOD　,Chin.　Phys.　2005,　14,　2484)，并用于蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的研究，取得了系列成果(Biophysical　Journal, 2007, 93,　2756-2766;　2009,　97,　2811-2819;　Scientific　Reports,　2014,　4, 4834)。在前期大量工作的基礎(chǔ)上，該課題組意識(shí)到只有將已有設(shè)備的測(cè)量精度再提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，即到達(dá)萬(wàn)分之一的吸光度差(10^-4ΔOD)之后才能滿足普適性要求，由此對(duì)脈沖升溫光源和一氧化碳?xì)怏w紅外激光光源提出更高的要求。　

　　為此該課題組在2008年申請(qǐng)了中科院科研裝備研制項(xiàng)目，提出研制新一代具有國(guó)際先進(jìn)水平的脈沖升溫-納秒時(shí)間分辨中紅外吸收差光譜儀；包括研制高穩(wěn)定連續(xù)輸出可調(diào)諧一氧化碳中紅外激光探測(cè)光源，以及研制新型的脈沖激光加熱光源，即空間模式穩(wěn)定、輸出能量穩(wěn)定的納秒調(diào)Q的Ho:YAG脈沖近紅外激光光源(2.1微米,與中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員吳先友合作)。該設(shè)備對(duì)蛋白質(zhì)細(xì)胞色素c的脈沖升溫-時(shí)間分辨中紅外光譜測(cè)量結(jié)果表明，在蛋白質(zhì)酰胺I'光譜范圍(1600-1700　cm^-1)內(nèi)達(dá)到的平均測(cè)量精度為2×10^-4ΔOD　。該指標(biāo)目前領(lǐng)先于國(guó)際上同類設(shè)備。論文第一作者為物理所博士研究生李得勇，署名單位為中科院物理所、安徽光機(jī)所和大連理工大學(xué)，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。

　　該工作的意義在于，通過(guò)對(duì)高性能設(shè)備的自主研發(fā)，不僅能夠滿足基礎(chǔ)研究的需求，同時(shí)還帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)特種激光技術(shù)的發(fā)展。

　　此項(xiàng)工作得到了中科院科研裝備研制項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。

圖：脈沖升溫誘導(dǎo)的細(xì)胞色素c在重水中溫度由25℃階躍到35℃、溫度跳躍2微秒后在酰胺I'內(nèi)的瞬態(tài)吸收譜。作為比較，實(shí)線為35℃和25℃間測(cè)得的傅里葉紅外吸收差譜。