Nowa linia badawcza Solaris Advanced IR Beamline - SOLAIR umożliwi wykorzystanie w badaniach materiałowych promieniowania podczerwonego w bardzo szerokim zakresie, od bliskiej (FIR) do dalekiej podczerwieni (NIR).

Tak szeroki zakres spektralny na jednym urządzeniu jest bardzo rzadko spotykany i pozwoli na podjęcie nowej jakości prac badawczych, rozwojowych i aplikacyjnych w biomedycynie, nanotechnologii, nauk o środowisku i wielu innych dziedzinach nauki. Planowana długość fali ekstrahowanego promieniowania to 0.2 – 500 µm.

Parametry linii

Źródłem promieniowania dla linii pracującej w zakresie podczerwieni jest magnes zakrzywiający. Schemat układu optycznego przedstawiono na rysunku 1A. Wiązka elektronów biegnie w komorze próżniowej (VK1), w której znajduje się pierwsze płaskie lustro (M1). Służy ono do ekstrakcji promieniowania w zakresie podczerwieni z promieniowania synchrotronowego. W celu uzyskania założonego rozkładu intensywności promieniowania IR na lustrze M1, jak przedstawiono na rysunku 1B, odległość lustra od początku pola magnetycznego wyniesie około 800 mm, przy jednoczesnym zachowaniu 14 mm dystansu od wiązki elektronów.

Źródłem promieniowania w zakresie podczerwieni jest pole magnesu zakrzywiającego (BMR od ang. Bending Magnet Radiation) oraz brzeg pola przy wejściu do magnesu (ER od ang. Edge radiation). Przykładowy rozkład intensywności promieniowania podczerwonego dla dwóch długości fali – w zakresie średniej (10 µm, czyli 1000 cm-1) i dalekiej podczerwieni (200 µm, czyli 50 cm-1) przedstawiono na rysunku 1B. Dwa poziome paski z dwoma maksimami pochodzą od BMR (10 µm). Charakterystyczne pierścienie z wysoką intensywnością to ER. W tym przypadku źródłem jest interferencja promieniowania podczerwonego, które emituje elektron. Znajduje się on w dwóch polach magnetycznych, czyli na początku i końcu sekcji prostej. W przypadku liczby falowej 50 cm-1 źródłem intensywności promieniowania jest ER, w przypadku drugiej z przykładowych długości fali (1000 cm-1) na intensywność wpływają zarówno BMR jak i ER.

Płaskie lustro M1 przedstawione schematycznie na rysunku 1B będzie posiadać 2 mm szczelinę w pozycji 0, o układzie horyzontalnym. Celem modyfikacji jest przepuszczenie wysokoenergetycznego promieniowania X do odpowiedniego absorbera. Pozwoli to na ochronę lustra M1 przed zniszczeniem przez promieniowanie o bardzo wysokiej energii.

Za komorą VK1 będzie znajdować się układ pięciu kolejnych luster M2 – M6 (schemat na rysunku 1A). Promieniowanie podczerwone odbite pod odpowiednim kątem przez lustro M1 kierowane będzie na układ. Dostosowana krzywizna pięciu luster i odbicie promieniowania pod odpowiednim kątem pozwoli na korekcję aberracji chromatycznych, a następnie pokierowanie wiązki ku wyjściu z pierścienia akumulacyjnego i linii końcowych. Na zamieszczonym schemacie przedstawiono dodatkowy element układu – diamentowe okienko próżniowe (CVD od ang. Diamond Vacuum Window) umiejscowione pomiędzy lustrami M4 i M5, czyli w obszarze pierwszego skupienia wiązki promieniowania podczerwonego.

Wokół układu aż do okienka CVD będzie utrzymywana wysoka próżnia o parametrach wspólnych z próżnią w pierścieniu akumulacyjnym. W kolejnym etapie, czyli za elementem CVD, wiązka będzie przesyłana w otoczeniu niskiej próżni. Stacje robocze będą znajdować się około 5 m od ostatniego lustra M6. Rozkład całkowitej intensywność wiązki promieniowania podczerwonego w tym miejscu przedstawiono na rysunku 1C. Plany budowanej linii badawczej SOLAIR zakładają, że wiązka będzie doprowadzana do czterech stacji końcowych dzięki zastosowaniu rozdzielaczy wiązki (ang. Beam Splitter).

Układ optyczny zaprojektowany w ten sposób pozwoli na otrzymanie promieniowania o szerokim zakresie spektralnym (od bliskiej do dalekiej podczerwieni), które będzie się charakteryzować bardzo dużą intensywnością oraz wysokim stopniem korekcji aberracji chromatycznych.

 

Rysunek 1. Schemat układu optycznego z lustrami M1 do M6 do ekstrakcji promieniowania podczerwonego dla linii SOLAIR (A), przekroje wiązki za lustrem M1 (B) oraz za lustrem M6 (C).

Stanowiska badawcze

Linia pozwoli na badania o bardzo wysokim stopniu zaawansowania użyteczne w wielu dziedzinach nauki, szeroko rozumiana chemia, inżynierii materiałowa, biologia i inne. Rozdzielenie wiązki pozwoli na udostępnienie aż czterech stanowisk badawczych o różnych zastosowaniach.

• Pierwszym planowanym stanowiskiem jest mikroskop pracujący w zakresie promieniowania podczerwonego (FT-IR) z detektorem matrycowym (FPA z ang. Focal Plane Array). Zastosowanie macierzy detektorów możliwe dzięki użyciu promieniowania synchrotronowego pozwoli na znaczne skrócenie czasu obrazowania w porównaniu do klasycznego mapowania IR.
• Kolejne stanowisko będzie wyposażone w mikroskop umożliwiający nanospektroskopię (tzw. Nano-FT-IR). Udostępniony zostanie mikroskop AFM-sSNOM-FT-IR działający z użyciem promieniowania o szerokim zakresie. Składa się  ze spektrometru FT-IR oraz sprzężonego mikroskopu sił atomowych (AFM) i skaningowej mikroskopii pola bliskiego (SNOM).

Wybrane zastosowania

• Pierwszy przykład prezentuje zastosowanie mikroskopii w podczerwieni do badania rozwoju choroby Alzheimera (rysunek 2). Badano dystrybucję struktur drugorzędowych białek w mysim mózgu. W specjalnie stworzonym modelu zwierzęcym do badania postępu rozwoju choroby dzięki mikroskopii FT-IR zaobserwowano tworzenie się płytki amyloidowej we wczesnym etapie. Zamieszczony przykład bardzo dobrze przedstawia zalety obrazowania FT-IR z zastosowaniem promieniowania synchrotronowego. Naukowcom udało się zmierzyć przestrzenne zmiany konformacji białek wraz z postępowaniem choroby dzięki wysokiej czułości biochemicznej metody. Wymagało to uzyskania bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzennej koniecznej do zlokalizowania ognisk powstawania płytki. Dodatkową zaletą wykorzystanej metody mikroskopowej jest jej niedestrukcyjny charakter.

Rysunek 2. Mapy intergracji FT-IR dla regionu widmowego β-harmonijki przy 1635-1620 cm-1 do wizualizacji intensywność absorpcji dla zawartości β-harmonijki w skrawkach mózgu Tg19959 (górne panele) i myszy typu dzikiego (dolne panele) i pasek skali (50 μm) (a). Uśrednione i znormalizowane drugie pochodne pasma absorpcyjnego amidu I (b i c). Uśrednione i znormalizowane drugie pochodne widm FT-IR pobranych z obszarów o podwyższonej zawartości arkusza β na odpowiednich mapach μFT-IR (d). Nakładanie się drugiej pochodnej odpowiadającej myszom Tg19959 w różnym wieku wyraźniej pokazuje postępujący wzrost zawartości β wraz z wiekiem (e). Dla porównania podobne nakładanie się drugich pochodnych odpowiadających myszom typu dzikiego (f). Analiza statystyczna zawartości arkusza β mierzona jako średnia stosunku intensywności pików między 1635 a 1620 cm-1 (β-harmonijka) do 1665 cm-1 (α-helisa) u myszy Tg19959 i myszy typu dzikiego jako funkcja wieku (g). Reprodukcja z O. Klementieva, K. Willén, I. Martinsson, B. Israelsson, A. Engdahl, J. Cladera, P. Uvdal, G.K. Gouras, Pre-plaque conformational changes in Alzheimer’s disease-linked Aβ and APP, Nat. Commun. 8 (2017) 1–9. doi:10.1038/ncomms14726

 

• Drugi przykład to połączenie spektroskopii FT-IR z mikroskopią sił atomowych (AFM) pozwala na uzyskanie jeszcze większej rozdzielczości przestrzennej (rysunek 3). Metoda jest obarczona możliwością deformacji lub uszkodzenia próbki.

Rysunek 3. Szerokopasmowe promieniowanie podczerwone z synchrotronu skupia się na metalowej końcówce, która ściśle ogranicza pola w swoim wierzchołku w celu dalszej interakcji z powierzchnią próbki w standardowym trybie AFM. Mapa topograficzna AFM (1 na1 μm) odpowiednio nieskazitelnych perowskitów CsFAMA (A i E). Odpowiednie obrazy szerokopasmowe w podczerwieni ujawniają heterogeniczność w aktywności oscylacyjnej (B i F). Widma punktowe Nano-FTIR (D i H) z regionów oznaczonych liczbami w (A), (B), (E) i (F). Charakterystyczny tryb oscylacji FA pojawia się tylko w ziarnach o słabszej odpowiedzi szerokopasmowej IR. Skala 200 nm. Zaadaptowane z R. Szostak, J.C. Silva, S.H. Turren-Cruz, M.M. Soares, R.O. Freitas, A. Hagfeldt, H.C.N. Tolentino, A.F. Nogueira, Nanoscale mapping of chemical composition in organic-inorganic hybrid perovskite films, Sci. Adv. 5 (2019) 2–9. doi:10.1126/sciadv.aaw6619.

Zalety promieniowania synchrotronowego

Dwa charakterystyczne dla promieniowania synchrotronowego cechy, czyli szeroki zakres spektralny oraz wysoka intensywność w układzie konfokalnym, umożliwiają obrazowanie w zakresie IR w jakości niemożliwej do uzyskania przy zastosowaniu konwencjonalnych źródeł termicznych takich jak Globar. Typowa apertura rzędu 10 na 10 µm skutkuje otrzymaniem wiązki o dziesięciokrotnie niższej intensywności niż w przypadku synchrotronu.

Promieniowanie synchrotronowe pozwala na uzyskanie najlepszej rozdzielczości przestrzennej mapowania IR także w strefie limitu dyfrakcji. Dodatkowo umożliwia sprzężenie spektroskopii z AFM. Szeroki zakres spektralny pozwala także na wykonanie badań w dalekiej podczerwieni. W tych systemach konwencjonalnych brakuje źródeł o dużej intensywności dla dalekiej podczerwieni. Linia SOLAIR umożliwi obrazowanie w nanoskali w zakresie poniżej 800 cm^-1, niemożliwym do osiągnięcia z użyciem konwencjonalnych źródeł promieniowania.

Zespół linii badawczej:

• dr hab. Tomasz Wróbel (Kierownik), Centrum SOLARIS
• mgr Danuta Liberda, Centrum SOLARIS
• mgr inż. Paulina Kozioł, Centrum SOLARIS
• dr inż. Karolina Kosowska, Centrum SOLARIS

Linia powstaje w ścisłej współpracy z Wydziałem Chemii UJ oraz Instytutem Fizyki Jądrowej PAN, reprezentowanymi przez:

• dr hab. Kamilla Małek, prof. UJ, Uniwersytet Jagielloński
• prof. dr hab. Wojciech Kwiatek, Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk

Podsumowanie parametrów linii

Źródło: magnes zakrzywiający
Zakres energii fotonów: 500 meV – 12,5 meV (4000 cm^-1 – 100 cm^-1)
Polaryzacja promieniowania: liniowa, kołowa
Stanowiska badawcze: IR z FPA oraz AFM-IR-sSNOM
Techniki badawcze: mikroskopia i obrazowanie IR (również z detektorem FPA), obrazowanie AFM-IR-sSNOM identyfikujące skład chemiczny materiałów o różnym pochodzeniu od skali nanometrycznej do rzędu centymetrów.

Linia SOLAIR jest w fazie konstrukcji, a jej uruchomienie planowane jest w 2023 roku.