Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Linie badawcze

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Kontakt w sprawie linii

dr hab. Tomasz Wróbel
tel.: 12 664 41 07
e-mail: tomek.wrobel@uj.edu.pl

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

CIRI - (w budowie) - dawna SOLAIR

Nowa linia badawcza Chemical InfraRed Imaging beamline - CIRI (dawniej 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.

Stanowiska badawcze

Linia pozwoli na badania o bardzo wysokim stopniu zaawansowania użyteczne w wielu dziedzinach nauki, szeroko rozumiana chemia, inżynieria 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).

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

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

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.

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 CIRI 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
  • dr Maciej Roman, Centrum SOLARIS

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.