This work was supported by grants from the Deutsche Forschungsgemeinschaft to J.H. (FOR-1279, SFB-1078, B3). We thank Tom Resler and Bj&#246;rk S&#252;ss for helpful comments.

الكتاب تعلن أي مصلحة مالية المتنافسة.

واحدة من أولى الجوانب التي يحتاج الاعتبار عند تنفيذ الخطوة المسح تجارب حل الوقت FT-IR على البروتين هو إعداد عينة في شكل مناسب لأطياف الأشعة تحت الحمراء. امتصاص الأشعة تحت الحمراء من المواد الأخرى من البروتين من الفائدة يجب أن يتم تخفيض، خصوصا أن من المياه. النهج الأكثر شيوعا هو لتتبخر الماء الجزء الأكبر من العينة لتشكيل الفيلم. الفيلم يمكن ممهى إما عن طريق إضافة بعض قطرات من محلول مائي أو من خلال تعريض الفيلم لجو من الرطوبة التي تسيطر عليها. أظهرنا كيف في كلتا الحالتين فمن الممكن لتقدير مستوى الترطيب التي تم الحصول عليها عن طريق الأشعة تحت الحمراء طيف الامتصاص (انظر الشكل 3 والشكل 5). على الرغم من أن مستويات الترطيب التي تم الحصول عليها قد تظهر منخفضة مقارنة مع تلك الموجودة في الحل، فهي في الواقع على مقربة من تلك الموجودة في الخلايا الحية 70، مما يجعل الدراسة من الأفلام رطب من البروتينات ذات الصلة وظيفيا. إلى جانب الماء، فإنهالمهم أيضا أن نعرف والسيطرة على كمية من الدهون أو المنظفات في العينة. كلا يجب أن تبقى منخفضة بما يكفي ليكون لها تأثير الطيفية انخفاض في امتصاص الأشعة تحت الحمراء، ولكن مرتفعة بما يكفي للحفاظ على سلامة وظيفة البروتين من الفائدة. الوقت حل من خطوة والمسح الطيفي هو فقط قابلة للتطبيق بشكل مباشر إلى البروتينات تظهر ردود الفعل عكسها التي يمكن أن تسبب بتكاثر من الضوء (ولكن نرى تقدما في اقتران خطوة المسح مع تبادل عازلة السريع) 71. في خطوة مسح يحتاج رد فعل لتكون قابلة للتكرار على الأقل ~ 500X، والحد الأدنى لعدد لاستكمال للتداخل تغطي 1،800-850 سم -1 في المنطقة 8 سم -1 القرار. في الممارسة العملية، ومع ذلك، مطلوب المتوسط ​​عموما بيانات إضافية لدفع مستوى الضوضاء إلى أسفل. 200 موقف co-additions/mirror (10 5 التكرار من رد فعل) طائفة 6.25 μsec القرار الفرق الامتصاصية يمكن عرض ستا الضوضاءالانحراف ndard بين 2 × 10 -5 و 2 × 10 -4 لATR وبين 5 × 10 -6 و 3 × 10 -5 لتجربة الإرسال (الشكل 15). وذلك بفضل ارتفاع الفوتون الإنتاجية، انتقال يسمح ل~ 7 مستويات الضوضاء أقل من ATR، أحد الجوانب الرئيسية لدراسة عينات إعطاء التغييرات امتصاص ضعيفة مثل ChR2 بنجاح. من ناحية أخرى، يتطلب ATR 5-25 مرات العينة أقل من تجربة الإرسال. تطبيق خطوات الفحص FT-IR الطيفي وقت حل إشكالية للبروتينات بطيئة عرض photocycles: يمكن للتداخل مسجلا خطوة المسح تصبح غير عملية طويلة. وقدمت بعض الحلول للتعامل مع مثل هذه الحالات 72،73، غالبا ما تقوم على استخدام عينات صرف متعددة لتسريع القياسات على حساب زيادة استهلاك البروتين والتعقيد التجريبية 27،74. في بعض الحالات من الممكن للتحايل على هذه المشكلة عن طريق السابقنقلا عن العينة قبل اكتمال photocycle بدقة. لChR2، مع photocycle تتطلب بعد الصور الإثارة 60 ثانية لاسترداد 99٪، فإن الانتعاش في 4 ثانية هو بالفعل من 80٪ 48. مع كفاءة الإثارة من 10٪ لكل نبضة ليزر، و 98٪ من الجزيئات ChR2 في الظلام الدولة 4 ثانية بعد الصور الإثارة، مما يجعل من الممكن إجراء تجارب بمعدل تكرار الليزر إلى 0.25 هرتز. معالجة البيانات هو أحد الجوانب التقنية النهائية اللازمة لتحقيق أفضل النتائج الممكنة. المتوسط ​​لوغاريتمي يقلل من الضوضاء، والمهم أيضا، ويقلل من حجم البيانات دون تشوهات، وهي الميزة الأساسية لتحليل البيانات الخلفية باستخدام تجزئ القيمة المفرد أو تركيب العالمي. المتوسط ​​لوغاريتمي هو، ومع ذلك، لم تكن ناجحة جدا في المتوسط ​​من تقلبات في الوقت-آثار الناجمة عن التذبذبات في المرآة المحمولة وغيرها من مصادر الضوضاء 1 / و خلال القياسات (الشكل 9). هذه التقلبات في خط الأساسيمكن أن يتجاوز الضجيج في نطاق ميلي ثانية واحدة وإفساد نوعية البيانات. تجزئ القيمة المفرد يستفيد من التكرار من البيانات للحد من الضوضاء، ومع بعض التعديلات 57 أنها يمكن أن تقلل أيضا تقلبات في الأساس. أخيرا، والأكثر استهلاكا للوقت والجزء الأصعب من خطوة المسح التجربة وقت حل FT-IR يتوافق مع تخصيص نطاقات وتفسير الطيفية والحركية للبيانات. لجرثومي العديد من العصابات التي تظهر في الأشعة تحت الحمراء الفرق الأطياف تم تعيينها أو تفسيرها بفضل العمل المتراكم من العديد من الجماعات الباحث على مدى عقود. لبروتين أقل بكثير مدروسة، مثل channelrhodopsin-2، تحتاج التجارب IR-حلها الوقت المعروضة أعلاه لتكون مصحوبة تجارب موازية على المسوخ الموجه الموقع وجنبا إلى جنب مع المعلومات من تقنيات تكميلية للتوصل إلى تفسير الآلية 48.

لتوضيح تماما كيف البروتينات أداء وظيفتها، هو مطلوب منها لقياس منهم وهم يعملون، أي على طول مسار رد الفعل الذي غالبا ما ينطوي على سلسلة من السلع الوسيطة وتمتد عدة أوامر من الزمن. الخطوات الرئيسية في وظيفة البروتين غالبا ما تحدث في ميكروثانية إلى ميلي ثانية واحدة الوقت مجموعة 1، ولا سيما العمود الفقري التغييرات متعلق بتكوين ونقل بروتون ردود الفعل في البروتينات الغشاء. البلورات بالأشعة السينية، يمكن القول إن عمود البيولوجيا البنيوية، ويوفر ثابت (متوسط ​​الوقت) كثافة الإلكترون من الانعراج جيدا بلورات البروتين، والمعروف أن من الصعب تنمو مع بروتينات الغشاء 2. يمكن بناء نموذج الذرية 3D على أساس كثافة الإلكترون، على الرغم من ونادرا ما بما في ذلك موقع ذرات الهيدروجين. تقدما ملحوظا في وقت حل البلورات بالأشعة السينية، والاعتماد إما على لاو حيود 3 أو الفيمتو ثانية على نبضات أشعة X 4، يضيف البعد الزمني للمعلومات هيكلية عالية فيالمتأصلة في البلورات بالأشعة السينية 5. ولكن وضع جانبا التحديات التقنية والتحليلية، شعرية الكريستال يمكن أن يضعف العمود الفقري التغييرات متعلق بتكوين وتغيير ديناميات البروتين، وهي القصور التي لا يمكن تجنبها من الأساليب القائمة على بلورات البروتين 5. بالتالي، والجوانب الديناميكية للبروتينات لا تزال أفضل تغطيها وسائل بصرية، ورائدها فلاش التحلل الضوئي 6،7، على الرغم من العيب العامة البصيرة الهيكلية محدودة. فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء تتحول (FT-IR) يجمع بين القرار الزماني للspectroscopies البصرية مع حساسية قيمة لبنية البروتين، والميزة الأخيرة استغلالها في التحقيقات الهيكلية والوظيفية ثابتة لا تعد ولا تحصى على بروتينات الغشاء 8-11. على وجه الخصوص، وقد ثبت FT-IR الفرق التحليل الطيفي لتكون أداة مثالية لدراسة التغيرات الطيفية صغيرة باعتبارها تعبر البروتين من الدولة متبدل الاستقرار إلى 12-19 آخر. Studieتتطلب ق على ديناميات البروتين، بخلاف على مستوى جزيء واحد 20،21، وهي عملية تحريك للتزامن. وشرع في رد فعل سريع ومريح لا جراحية باستخدام الضوء كما الزناد، كما فعلت في دراسة البروتينات مع photoreactions دوري. ويتمثل أحد التحديات الرئيسية المرتبطة دراسات حل الوقت هو تحقيق القرار الوقت الكافي مع الحفاظ على القرار الطيفية جيدة ونسبة مناسبة إشارة إلى الضوضاء. كما هو ضروري لتغطية مجموعة والطيفية والزمانية واسعة بما فيه الكفاية. وقت حل الخطوة المسح FT-IR الطيفي تتفوق في كل من هذه الجوانب 22، مع أمثلة نشرت تغطي نطاقات طيفية واسعة كما 3،900-850 سم -1 وديناميكية تمتد ~ 9 أوامر من الزمن، مع ما يصل الى 3.5 سم -1 الطيفية و30 القرار الزماني NSEC 23-28. تظهر الطيف فورييه، تحويل الأشعة تحت الحمراء انخفاض الضوضاء وتحسين دقة الضوئية أكثر منها التشتت 29. Howevإيه، في وضع التسجيل السريع المسح العادي الطيف FT-IR-تعاني من وقت القرار يقتصر على ≥ 5-10 ميللي ثانية نتيجة الحد الأدنى من الوقت المرآة المحمول من تداخل يتطلب لإكمال المسح الضوئي. مع تقنية المسح الضوئي خطوة، في المقابل، يتم فصله الاعتماد وقت الحدث ديناميكية من مدة المسح للتداخل. لفترة وجيزة، والتحركات مرآة المحمول في خطوات منفصلة بدلا من المسح الضوئي بشكل مستمر لإكمال المسح الضوئي. في كل خطوة من هذه الخطوات هو عقد (المحمول) مرآة ثابتة ويتم تسجيل عابرة. وبالتالي، فإن دقة الوقت ويحد من الوقت صعود الزئبق والكادميوم-تلوريد (MCT) كاشف، والذي هو عادة في حدود 10-100 NSEC. في الممارسة العملية، ومجموعة ديناميكية كبيرة للللتداخل (التي تحتوي على إشارة مكثفة في إشارات centerburst والصغيرة في الأجنحة)، ويتطلب لرقمنة السليم التناظرية / المحول الرقمي (ADC) مع ما يصل الى 16-24 بت، مما يؤدي إلى أخذ العينات معدلات يست أعلى من 200 كيلو هرتز ~<html> (5 μsec) 30. النانوسيكند وقت القرار يمكن أن يتحقق فقط من خلال قياس التغيرات في للتداخل، والتي قليلا ADC 8-12 كافية 23،31-33. وقد نوقشت الجوانب التقنية والتطبيقات 30،34،35 36-38 من وقت حل خطوة تفحص بالتفصيل في مكان آخر. الغرض من المساهمة الحالية هو توفير بروتوكول اصفا العملية لوقت حل الخطوة المسح FT-IR الطيفي على بروتينات غشاء حساس. هنا، يظهر أداء تقنية لأخذ العينات طريقتين: انتقال وانعكاس مجموع الموهن (ATR). استخدام ATR يسمح العمل في وجود المياه الزائدة، والتي تضمن ليس فقط الظروف ترطيب كامل للبروتين ولكنه يسمح أيضا السيطرة حاد في درجة الحموضة العينة والقوة الأيونية 49،50. ويوضح تجارب المسح الضوئي خطوة على نظامين المختارة: جرثومي وchannelrhodopsin-2. &gt; وكانت مدفوعة للضوء جرثومي مضخة البروتون (BR) موضوع العديد من الدراسات الفيزيائية الحيوية لأكثر من أربعين سنة 39،40، مما يجعل من البروتين غشاء أفضل مفهومة حتى الآن. من بين العديد من التقنيات التطبيقية لدراسة وظائف BR FT-IR الطيفي بذلت القول إن واحدة من أكبر الآثار. وهي كانت FT-IR الطيفي مفتاح حل الجماعات المتورطة في نقل بروتون عبر غشاء كما شكلت مكان آخر 13،41،51. Channelrhodopsin (مركز حقوق الانسان) هو بوابات أول ضوء ايون القناة الموجودة في الطبيعة 42،43. الإثارة ضوء مركز حقوق الانسان يؤدي إلى فتح عابرة للقناة أيون. اكتشافه استقر الطريق لتطوير optogenetics، حيث يتم التحكم في العمليات الجزيئية من الضوء 44،45. مركز حقوق الانسان ينتمي، كما BR، لأسرة rhodopsins الميكروبية ولكن على النقيض من غرفة واحدة، كما هو معروف أقل بكثير عن آلية وظيفية 52. ChR2 يجمع بين وظيفته باعتباره الإعلام والتوعيةن قناة مع النشاط بروتون ضخ 46،47. في الآونة الأخيرة، طبقنا الخطوة المسح FT-IR-الطيفي حل الوقت للحل داخل البروتين ردود الفعل نقل بروتون وديناميات البروتين العمود الفقري في التشكل التغييرات ChR2 48.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="750">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:248px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="37">
			<td height="37" style="height:37px;width:216px;">FT-IR spectrometer</td>
			<td style="width:248px;">Bruker</td>
			<td style="width:119px;">Vertex 80v</td>
			<td>Equipped with photovoltaic-MCT detector, an external global, and an oil-free pump. Firmware 2.3.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">BaF2 windows</td>
			<td style="width:248px;">korth Kristalle</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">diamond ATR accesory</td>
			<td style="width:248px;">Smiths detection</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Nine-reflection DuraDisk</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">thermostatic bath</td>
			<td style="width:248px;">Julabo&#160;</td>
			<td style="width:119px;">F25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">vibration decoupled table</td>
			<td style="width:248px;">OPTA</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Pulsed Nd:YAG laser with a second harmonic generator</td>
			<td style="width:248px;">Continuum electro-Optics</td>
			<td style="width:119px;">Minilite&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Optical parametric oscillator (OPO)</td>
			<td style="width:248px;">OPTA</td>
			<td style="width:119px;">BBO-355-VIS/IR S/N 1009</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Digital delay/pulse generator&#160;</td>
			<td style="width:248px;">Stanford Research Systems</td>
			<td style="width:119px;">DG535</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Pulsed Nd:YAG laser with a third harmonic generator</td>
			<td style="width:248px;">Spectra-Physics</td>
			<td style="width:119px;">Quanta-Ray</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Various optical mirrors and lenses</td>
			<td style="width:248px;">ThorLabs</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">OPUS 7.0&#160;</td>
			<td style="width:248px;">Bruker</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Software to control Vertex 80v spectrometer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Matlab run time</td>
			<td style="width:248px;">Mathworks</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Used to run home-made executable programs to preprocess the data</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

proton transfer and protein conformation dynamics in photosensitive proteins by time-resolved step-scan fourier-transform infrared spectroscopy

رصد ديناميات أيون الهيدروجين الموجب والبروتين العمود الفقري التغييرات التشكل خلال وظيفة البروتين هو خطوة أساسية نحو فهم آلية عمله. أيون الهيدروجين الموجب ومتعلق بتكوين التغييرات تؤثر على نمط الاهتزاز من السلاسل الجانبية الأحماض الأمينية والسندات الببتيد، على التوالي، وكلاهما يمكن بحثها من خلال الأشعة تحت الحمراء (IR) الفرق التحليل الطيفي. للبروتينات وظيفتها يمكن أن تكون متكررة وبتكاثر الناجمة عن الضوء، فمن الممكن الحصول على الأشعة تحت الحمراء مع اختلاف الأطياف (الفرعية) القرار ميكروثانية على نطاق واسع الطيفي باستخدام خطوة تفحص تحويل فورييه تقنية الأشعة تحت الحمراء. مع ~ 10 2 -10 3 التكرار من تفاعل ضوئي، الحد الأدنى من عدد لإكمال المسح في القرار الطيفية معقولة وعرض النطاق الترددي، ومستوى الضوضاء في الفرق الأطياف امتصاص يمكن أن تكون منخفضة مثل ~ 10 - 4، كافية لمتابعة حركية التغييرات أيون الهيدروجين الموجب من حمض أميني واحد. أدنىمستويات الضوضاء يمكن أن يتحقق عن طريق طرح المزيد المتوسط ​​البيانات و / أو المعالجة الرياضية. كمية البروتين المطلوبة لتحقيق النتائج المثلى ما بين 5-100 ميكروغرام، اعتمادا على تقنية أخذ العينات المستخدمة. بشأن متطلبات إضافية، يحتاج البروتين لأن تتركز أولا في انخفاض القوة الأيونية عازلة ومن ثم تجفيفها لتشكيل الفيلم. ورطب الفيلم البروتين قبل التجربة، إما مع قطرات صغيرة من الماء أو الرطوبة في الغلاف الجوي تحت رقابة. يقاس على تحقيق مستوى الماء (غرام من الماء / غرام من البروتين) من امتصاص الطيف تحت الحمراء. لتسليط الضوء على التقنية، درسنا photocycle من يحركها ضوء جرثومي مضخة البروتون في البيئة غشاء الأرجواني الأصلي لها، وعلى ضوء بوابات قناة ايون channelrhodopsin-2 solubilized في صناعة المنظفات.

Watch this Scientific Journal Video about Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy at JoVE.com

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

Key steps of protein function, in particular backbone conformational changes and proton transfer reactions, often take place in the microsecond to millisecond time scale. These dynamical processes can be studied by time-resolved step-scan Fourier-transform infrared spectroscopy, in particular for proteins whose function is triggered by light.

نقل بروتون والبروتين التشكل حيوية في وقت حساس البروتينات عن طريق حل خطوة المسح الضوئي فورييه، تحويل الأشعة تحت الحمراء الطيفي

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

proton-transfer-protein-conformation-dynamics-photosensitive-proteins

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

The Fourier Transform

SCIENTISTS IN ACTION

17.8K Views.  Freie Universität Berlin. Key steps of protein function, in particular backbone conformational changes and proton transfer reactions, often take place in the microsecond to millisecond time scale. These dynamical processes can be studied by time-resolved step-scan Fourier-transform infrared spectroscopy, in particular for proteins whose function is triggered by light.

Video: Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. At the same time the AFM tip is passivated to prevent unspecific interactions between the tip and the substrate, which is a prerequisite to study single molecules attached to the AFM tip. Analyses to determine the adhesion force, the adhesion length, and the free energy of these molecules on solid surfaces and bio-interfaces are shortly presented and external references for further reading are provided. Example molecules are the poly(amino acid) polytyrosine, the graft polymer PI-g-PS and the phospholipid POPE (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine). These molecules are desorbed from different surfaces like CH3-SAMs, hydrogen terminated diamond and supported lipid bilayers under various solvent conditions. Finally, the advantages of force spectroscopic single molecule experiments are discussed including means to decide if truly a single molecule has been studied in the experiment.

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

التحقيق احدة جزيء التصاق بواسطة القوة الذرية الطيفي

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in industrialized countries. Here, the development of optical mesosensors/adsorbents (MSAs) for efficient recognition and selective recovery of Pd(II), Au(III), and Co(II) from urban mine was achieved. A simple, general method for preparing MSAs based on using high-order mesoporous monolithic scaffolds was described. Hierarchical cubic Ia3d wagon-wheel-shaped MSAs were fabricated by anchoring chelating agents (colorants) into three-dimensional pores and micrometric particle surfaces of the mesoporous monolithic scaffolds. Findings show, for the first time, evidence of controlled optical recognition of Pd(II), Au(III), and Co(II) ions and a highly selective system for recovery of Pd(II) ions (up to ~95%) in ores and industrial wastes. Furthermore, the controlled assessment processes described herein involve evaluation of intrinsic properties (e.g., visual signal change, long-term stability, adsorption efficiency, extraordinary sensitivity, selectivity, and reusability); thus, expensive, sophisticated instruments are not required. Results show evidence that MSAs will attract worldwide attention as a promising technological means of recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals.

Because of the importance and extensive use of palladium, gold and cobalt metals in high-technology equipment, their recovery and recycling constitute an important industrial challenge. The metal recovery system described herein is a simple, low-cost means for the effective detection, removal, and recovery of these metals from the urban mine.

كشف واستعادة البلاديوم والذهب والكوبالت المعادن من منجم الحضري عن طريق مجسات رواية / الممتزات مخصصة للمع النانو المسامات على شكل عجلة عربة

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

دمج ضوء الاصطياد الفضة النانوية في مهدرج الجريزوفولفين سيليكون الخلايا الشمسية عن طريق التحويل الطباعة

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Characterizing Far-infrared Laser Emissions and the Measurement of Their Frequencies

The generation and subsequent measurement of far-infrared radiation has found numerous applications in high-resolution spectroscopy, radio astronomy, and Terahertz imaging. For about 45 years, the generation of coherent, far-infrared radiation has been accomplished using the optically pumped molecular laser. Once far-infrared laser radiation is detected, the frequencies of these laser emissions are measured using a three-laser heterodyne technique. With this technique, the unknown frequency from the optically pumped molecular laser is mixed with the difference frequency between two stabilized, infrared reference frequencies. These reference frequencies are generated by independent carbon dioxide lasers, each stabilized using the fluorescence signal from an external, low pressure reference cell. The resulting beat between the known and unknown laser frequencies is monitored by a metal-insulator-metal point contact diode detector whose output is observed on a spectrum analyzer. The beat frequency between these laser emissions is subsequently measured and combined with the known reference frequencies to extrapolate the unknown far-infrared laser frequency. The resulting one-sigma fractional uncertainty for laser frequencies measured with this technique is &#177; 5 parts in 107. Accurately determining the frequency of far-infrared laser emissions is critical as they are often used as a reference for other measurements, as in the high-resolution spectroscopic investigations of free radicals using laser magnetic resonance. As part of this investigation, difluoromethane, CH2F2, was used as the far-infrared laser medium. In all, eight far-infrared laser frequencies were measured for the first time with frequencies ranging from 0.359 to 1.273 THz. Three of these laser emissions were discovered during this investigation and are reported with their optimal operating pressure, polarization with respect to the CO2 pump laser, and strength.

We describe the generation of far-infrared radiation using an optically pumped molecular laser along with the measurement of their frequencies with heterodyne techniques. The experimental system and techniques are demonstrated using difluoromethane (CH2F2) as the laser medium whose results include three new laser emissions and eight measured laser frequencies.

تميز الانبعاثات ليزر الأشعة تحت الحمراء البعيدة وقياس تردداتها

The generation and subsequent measurement of far-infrared radiation has found numerous applications in high-resolution spectroscopy, radio astronomy, and ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

الانبعاثات الطيفية الحدود التحقيق طبقة خلال صيغة الجر اختبار المواد في Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted researchers&#39; attention in many fields. Most of the studies focused on macroscopic LCE structures (films, fibers) and their miniaturization is still in its infancy. Recently developed lithography techniques, e.g., mask exposure and replica molding, only allow for creating 2D structures on LCE thin films. Direct laser writing (DLW) opens access to truly 3D fabrication in the microscopic scale. However, controlling the actuation topology and dynamics at the same length scale remains a challenge.
In this paper we report on a method to control the liquid crystal (LC) molecular alignment in the LCE microstructures of arbitrary three-dimensional shape. This was made possible by a combination of direct laser writing for both the LCE structures as well as for micrograting patterns inducing local LC alignment. Several types of grating patterns were used to introduce different LC alignments, which can be subsequently patterned into the LCE structures. This protocol allows one to obtain LCE microstructures with engineered alignments able to perform multiple opto-mechanical actuation, thus being capable of multiple functionalities. Applications can be foreseen in the fields of tunable photonics, micro-robotics, lab-on-chip technology and others.

Free-form Light Actuators &amp;#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.

المحركات الخفيفة ذات شكل حر - تصنيع ومراقبة يشتغل في مقياس المجهري

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

The Evolution of Silica Nanoparticle-polyester Coatings on Surfaces Exposed to Sunlight

Corrosion of metallic surfaces is prevalent in the environment and is of great concern in many areas, including the military, transport, aviation, building and food industries, amongst others. Polyester and coatings containing both polyester and silica nanoparticles (SiO2NPs) have been widely used to protect steel substrata from corrosion. In this study, we utilized X-ray photoelectron spectroscopy, attenuated total reflection infrared micro-spectroscopy, water contact angle measurements, optical profiling and atomic force microscopy to provide an insight into how exposure to sunlight can cause changes in the micro- and nanoscale integrity of the coatings. No significant change in surface micro-topography was detected using optical profilometry, however, statistically significant nanoscale changes to the surface were detected using atomic force microscopy. Analysis of the X-ray photoelectron spectroscopy and attenuated total reflection infrared micro-spectroscopy data revealed that degradation of the ester groups had occurred through exposure to ultraviolet light to form COO&#903;, -H2C&#903;, -O&#903;, -CO&#903; radicals. During the degradation process, CO and CO2 were also produced.

Two types of surfaces, polyester-coated steel and polyester coated with a layer of silica nanoparticles, were studied. Both surfaces were exposed to sunlight, which was found to cause substantial changes in the chemistry and nanoscale topography of the surface.

تطور السيليكا طلاءات الجسيمات النانوية البوليستر على السطوح المعرضة لأشعة الشمس

Corrosion of metallic surfaces is prevalent in the environment and is of great concern in many areas, including the military, transport, aviation, ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

إعادة التركيب حيوية في الأغشية الرقيقة المواد الضوئية عن طريق وحلها الوقت ميكروويف التوصيل

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of gamma rays created when neutrons interact with soil elements. The main parts of the INS system are a pulsed neutron generator, NaI(Tl) gamma detectors, split electronics to separate gamma spectra due to INS and thermo-neutron capture (TNC) processes, and software for gamma spectra acquisition and data processing. This method has several advantages over other methods in that it is a non-destructive in situ method that measures the average carbon content in large soil volumes, is negligibly impacted by local sharp changes in soil carbon, and can be used in stationary or scanning modes. The result of the INS method is the carbon content from a site with a footprint of ~2.5 - 3 m2 in the stationary regime, or the average carbon content of the traversed area in the scanning regime. The measurement range of the current INS system is &#62;1.5 carbon weight % (standard deviation &#177; 0.3 w%) in the upper 10 cm soil layer for a 1 hmeasurement.

Here, we present the protocol for in situ measurement of soil carbon using the neutron-gamma technique for single point measurements (static mode) or field averages (scanning mode). We also describe system construction and elaborate data treatment procedures.

قياسات كربون في التربة بتحليل النيوترون-غاما في ثابت والمسح الضوئي وسائط

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

Quantitative Analysis of Vacuum Induction Melting by Laser-induced Breakdown Spectroscopy

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves several steps, include drawing samples, cooling, cutting, transport to the laboratory, and analysis. The whole analysis process requires more than 30 minutes, which hinders on-line process control. Laser-induced breakdown spectroscopy is an excellent on-line analysis method that can satisfy the requirements of vacuum induction melting because it is fast and noncontact and does not require sample preparation. The experimental facility uses a lamp-pumped Q-switched laser to ablate melted liquid steel with an output energy of 80 mJ, a frequency of 5 Hz, a FWHM pulse width of 20 ns, and a working wavelength of 1,064 nm. A multi-channel linear charge coupled device (CCD) spectrometer is used to measure the emission spectrum in real time, with a spectral range from 190 to 600 nm and a resolution of 0.06 nm at a wavelength of 200 nm. The protocol includes several steps: standard alloy sample preparation and an ingredient test, smelting of standard samples and determination of the laser breakdown spectrum, and construction of the elements concentration quantitative analysis curve of each element. To realize the concentration analysis of unknown samples, the spectrum of a sample also needs to be measured and disposed with the same process. The composition of all main elements in the melted alloy can be quantitatively analyzed with an internal standard method. The calibration curve shows that the limit of detection of most metal elements ranges from 20-250 ppm. The concentration of elements, such as Ti, Mo, Nb, V, and Cu, can be lower than 100 ppm, and the concentrations of Cr, Al, Co, Fe, Mn, C, and Si range from 100-200 ppm. The R2 of some calibration curves can exceed 0.94.

During vacuum induction melting, laser-induced breakdown spectroscopy is used to perform real-time quantitative analysis of the main-ingredient elements of a molten alloy.

التحليل الكمي لذوبان الفراغ التعريفي عن طريق الليزر التي يسببها انهيار الطيفي

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves ...