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.

המחברים מצהירים שום אינטרס כלכלי מתחרה.

אחד ההיבטים הראשונים שצריך לשקול בעת ביצוע ניסויי FT-IR צעד סריקת זמן נפתר בחלבון הוא ההכנה של מדגם בצורה מתאימה לספקטרוסקופיית IR. קליטת IR מחומרים אחרים מאשר החלבון של עניין צריכה להיות מופחתת, במיוחד כי ממים. הגישה הנפוצה ביותר היא להתאדות המים בכמות גדולה של המדגם כדי ליצור סרט. הסרט יכול להיות rehydrated או על ידי הוספה כמה טיפות של תמיסה מימית או על ידי חשיפת הסרט לאווירה של לחות מבוקרת. הראנו כיצד בשני המקרים זה ניתן להעריך את רמת הלחות שהושגה באמצעות ספקטרוסקופיה קליטת IR (ראה איור 3 ואיור 5). למרות שרמות הלחות שהושגו עשויות להיראות נמוכות בהשוואה לאלו בפתרון, הם למעשה קרובים לאלה שנמצאו בתאים חיים 70, מה שהופך את המחקר של סרטי התייבשות של חלבונים רלוונטיים מבחינה תפקודית. חוץ ממים, זהכמו כן, חשוב לדעת ולשלוט בכמות השומנים בדם או חומר ניקוי במדגם. שניהם צריכים להישמר נמוכים מספיק כדי להיות השפעה ספקטרוסקופיות מופחתת בקליטת IR, אבל גבוהים מספיק כדי לשמור על שלמותה ואת הפונקציונליות של החלבון של עניין. ספקטרוסקופיה צעד סריקה זמן נפתר היא רק בצורה ישירה החלים על חלבונים מראים תגובות הפיכים שיכול להיות מופעלות על ידי אור reproducibly (אך ראה התקדמות בצימוד צעד סריקה עם חילופי חיץ מהירים) 71. בשלב לסרוק את התגובה צריכה להיות לשעתק לפחות ~ 500x, המספר המינימאלי כדי להשלים interferogram מכסה את 1,800-850 -1 סנטימטר באזור 8 -1 סנטימטר ברזולוציה. בפועל, עם זאת, מיצוע נתונים נוסף נדרש בדרך כלל לדחוף את רמת הרעש למטה. לעמדת co-additions/mirror 200 (10 5 חזרות של התגובה) ספקטרום 6.25 הבדל ספיגת μsec רזולוציה יכול להציג STA רעשסטיית ndard בין 2 x 10 -5 ו -2 x 10 -4 לATR ובין 5 x 10 -6 ו3 x 10 -5 לניסוי הילוכים (איור 15). הודות לתפוקת פוטון, ההולכה גבוהה יותר שלה מאפשר ל~ 7 רמות רעש נמוכות יותר מאשר ATR, היבט מרכזי ללימוד בהצלחה דגימות נותנים חלשים קליטת שינויים כגון ChR2. מצד השני, ATR דורש פעמים 5-25 פחות מדגם מאשר ניסוי שידור. היישום של ספקטרוסקופיה FT-IR צעד סריקת הזמן נפתר הוא בעייתי לחלבונים בו מוצגות photocycles איטי: הקלטת interferogram אחרת צעד-סריקה יכולה להיות חסרת מעשיות רבות. פתרונות חלקם כבר הציגו להתמודדות עם מקרים כאלה 72,73, מבוססים לעתים קרובות על שימוש בדגימות להחלפה מרובות כדי לזרז את המדידות במחיר של צריכת חלבון מוגברת ומורכבות ניסיונית 27,74. במקרים מסוימים ניתן לעקוף את הבעיה על ידי לשעברבצטטו את הדוגמא לפני photocycle הושלם לחלוטין. לChR2, עם photocycle דורש לאחר צילום עירור 60 שניות להתאוששות 99%, ההתאוששות ב 4 שניות היא כבר של 80% 48. עם יעילות עירור של 10% לדופק לייזר, 98% ממולקולות ChR2 נמצאים במצב 4 שניות הכהות לאחר צילום עירור, מה שהופך אפשרי לבצע ניסויים בשיעור החזרה לייזר ל0.25 הרץ. עיבוד נתונים הוא היבט טכני סופי הנדרש כדי להשיג את התוצאות הטובות ביותר אפשריות. מיצוע לוגריתמי מפחית רעש ו, גם חשוב, מקטין את הגודל של נתונים ללא עיוותים, חיוני תכונה לניתוח נתונים האחוריים באמצעות פירוק ערך ייחודי או התאמה הגלובלית. מיצוע לוגריתמי הוא, לעומת זאת, לא מאוד מוצלח במיצוע של תנודות בזמן העקבות הנגרמות על ידי תנודות במראה הניידת ומקורות רעש 1 / f אחרים במהלך המדידות (איור 9). תנודות אלו בתחילת המחקריכול לחרוג הרעש בטווח אלפית השנייה ולהשחית את איכות הנתונים. פירוק ערך ייחודי מנצל את היתירות של נתונים כדי להפחית את הרעש, ועם כמה שינויים 57 זה יכול להפחית כמו גם תנודות בתחילת המחקר. לבסוף, חלק הזמן רב יותר ורוב שלב סריקת ניסוי FT-IR זמן נפתר מתאים למשימה של להקות ולפרשנות רפאים והקינטית של נתונים. לbacteriorhodopsin רבים של הלהקות המופיעות בספקטרום הבדל IR הוקצו או לפרש הודות לעבודה המצטברת של קבוצות חוקרת רבות על פני עשרות שנים. לחלבון הרבה פחות למד, כגון channelrhodopsin-2, ניסויי IR הזמן נפתר הוצגו לעיל צריכים להיות מלווה בניסויים מקבילים במוטציות מכוונות אתר ושילוב עם מידע מטכניקות משלימות כדי להגיע לפרשנות מכניסטית 48.

על מנת להבהיר באופן מלא כיצד חלבונים לבצע את תפקידם, הוא נדרש למדוד אותם כפי שהם פועלים, כלומר לאורך נתיב תגובה כי לעתים קרובות כרוך בסדרה של שלבי ביניים ומרחיב צווים שונים של זמן. שלבים עיקריים של תפקוד חלבון מתקיימים לעתים קרובות במייקרו לאלפית שני טווח זמן 1, בפרט שינויי קונפורמציה עמוד השדרה ותגובות העברות פרוטון בחלבונים בממברנה. קריסטלוגרפיה באמצעות קרן רנטגן, ניתן לטעון את עמוד התווך של ביולוגיה מבנית, מספקת צפיפות אלקטרונים (זמן ממוצע) סטטי מגבישי חלבון diffracting היטב, קשה לשמצה לגדול עם חלבוני קרום 2. מודל אטומי 3D יכול להיות בנוי על בסיס צפיפות אלקטרונים, אם כי רק לעתים נדירות, כולל מיקום של אטומי מימן. התקדמות מרשימה בקריסטלוגרפיה באמצעות קרן רנטגן בזמן נפתר, בהסתמך גם על אואה עקיפה 3 או בפולסים רנטגן femtosecond 4, מוסיפה את ממד הזמן למידע המבני הגבוה בHerent לקריסטלוגרפיה באמצעות קרן רנטגן 5. אבל נתעלם אתגרים טכניים ואנליטי, הסריג הגבישי יכול לפגוע שינויי קונפורמציה עמוד השדרה ולשנות דינמיקת חלבון, חסרון בלתי נמנע של שיטות המבוסס על גבישי חלבון 5. כתוצאה מכך, היבטים דינמיים של חלבונים עדיין מכוסים על ידי מיטב שיטות אופטיות, כחלוץ ידי הבזק photolysis 6,7, אם כי עם החסרון הכללי של תובנה מבנית מוגבלת. ספקטרוסקופיה פורייה הפכה אינפרא אדום (FT-IR) משלבת את ההחלטה הזמנית של spectroscopies האופטי עם רגישות רבת ערך למבנה חלבון, התכונה שעברה ניצלה בחקירות מבניות ותפקודיות סטטי אין ספור על חלבוני קרום 8-11. בפרט, ספקטרוסקופיה הבדל FT-IR הוכיחה להיות כלי אידיאלי ללמוד שינויי רפאים זעירים כמעברי חלבון ממצב אחד metastable ל12-19 אחר. Studies על דינמיקת חלבון, מלבד ברמת המולקולה בודדת 20,21, דורש תהליך מפעילה לסנכרון. תגובה היא יזם נוח מהיר ולא פולשני באמצעות אור כהדק, כפי שנעשתה במחקר של חלבונים עם photoreactions המחזורי. אתגר עיקרי הקשורים ללימודים בזמן נפתר הוא השגת הרזולוציה מספיק זמן, תוך שמירה על רזולוציה ספקטרלית טובה ויחס אות לרעש מתאים. חיוני גם הוא כדי לכסות את טווח ספקטרום וזמן רחב דיו. ספקטרוסקופיה FT-IR צעד סריקת זמן נפתר מצטיינת בכל ההיבטים הללו 22, עם דוגמאות שפורסמו מכסות טווחים רחבים של רוח רפאים כמו 3,900-850 -1 סנטימטר ודינמיקת הארכה ~ 9 הזמנות של זמן, עם עד 3.5 -1 סנטימטר רפאים ו30 החלטה זמנית NSEC 23-28. ספקטרומטרים פורייה-להפוך IR להראות רעש מופחת ודיוק פוטומטריה משופר מעל נפיצה אלה 29. Howevאה, במצב ההקלטה מהיר הסריקה הרגילה ספקטרומטרים FT-IR סובלים מרזולוצית זמן מוגבלת ל≥ 5-10 אלפיות שני כתוצאה מהזמן המינימאלי המראה הניידת של אינטרפרומטר דורשת להשלים את סריקה. עם טכניקת צעד הסריקה, בניגוד לכך, התלות של האירוע הדינמי הזמן מנותק ממשך הסריקה של אינטרפרומטר. בקצרה, את מהלכי המראה הניידים בשלבים בדידים ולא סריקה ברציפות כדי להשלים את סריקה. בכל אחד מהשלבים הבאים במראה (הנייד) מוחזק קבוע וחולף נרשם. לפיכך, ברזולוציה הזמן מוגבלת על ידי זמן העלייה של הכספית קדמיום טלוריד-גלאי (MCT), שהוא בדרך כלל בטווח של 10-100 NSEC. בפועל, הטווח הדינמי הגדול של interferogram (המכיל אות אינטנסיבית באותות centerburst וקטנים בכנפיים), דורש לדיגיטציה נאותה ממיר אנלוגי / דיגיטלי (ADC) עם רבים כמו 16-24 חתיכות, מה שמוביל לדגימה שיעור גבוה יותר מאשר לא ~ 200 kHz<html> (Μsec 5) 30. רזולוציה זמן שבריר שנייה יכולה להתבצע על ידי מדידה רק השינויים בinterferogram, שעבורו ADC קצת 8-12 הוא 23,31-33 מספיק. היבטים טכניים 30,34,35 ויישומים 36-38 של שלב סריקת זמן נפתר כבר דנו בפירוט במקום אחר. מטרת התרומה הנוכחית היא לספק פרוטוקול מתאר המעשי של צעד סריקת ספקטרוסקופיה FT-IR זמן נפתר על חלבוני קרום רגישים לאור. הנה, את הביצועים של הטכניקה מוצגים עבור שתי שיטות דגימה: שידור והשתקפות מוחלשת כוללת (ATR). השימוש בATR מאפשר עבודה בנוכחות של מים עודפים, אשר לא רק מבטיחה תנאי לחות מלאים לחלבון, אלא גם מאפשרת שליטה חריפה של ה-pH המדגם והכוח היוני 49,50. ניסויי שלב לסרוק מומחשים בשתי מערכות שנבחרו: bacteriorhodopsin וchannelrhodopsin-2. &gt; Bacteriorhodopsin מונע אור משאבת פרוטון (BR) כבר הנושא למחקרי biophysical רבים במשך יותר מארבעים שנים 39,40, מה שהופך את חלבון הקרום ביותר הבין עד כה. בין הטכניקות הרבות פנו למחקר של ספקטרוסקופיה FT-IR פונקציונלי BR יש מופעל ללא ספק אחת ההשפעות הגדולות ביותר. כלומר, ספקטרוסקופיה FT-IR הייתה מפתח לפתרון הקבוצות מעורבות בהעברת פרוטון על פני הקרום כהיווה מקום אחר 13,41,51. Channelrhodopsin (CHR) הוא יון הערוץ הראשון מגודרת אור המצויים בטבע 42,43. אור עירור של Chr מוביל לפתיחה הזמנית של תעלות יונים. גילויו התיישב את הדרך לפיתוח של optogenetics, שבו תהליכים מולקולריים נשלטים על ידי 44,45 אור. Chr שייך, כמו BR, למשפחתו של rhodopsins חיידקים אבל בניגוד לBR, הרבה פחות ידוע על מנגנון הפעילות שלה 52. ChR2 משלב את תפקידה כioערוץ n עם פעילות פרוטון שאיבת 46,47. לאחרונה, אנחנו מוחלים ספקטרוסקופיה FT-IR צעד סריקת זמן לפתור לפתור תגובות העברת פרוטון תוך חלבון ואת הדינמיקה של חלבוני עמוד השדרה שינויי קונפורמציה בChR2 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

ניטור הדינמיקה של protonation וחלבון שינויי קונפורמציה עמוד השדרה במהלך הפונקציה של חלבון הוא צעד חיוני לקראת הבנת המנגנון שלה. שינויי protonation וקונפורמציה משפיעים על דפוס הרטט של רשתות בצד של חומצות אמיניות ושל אג&quot;ח פפטיד, בהתאמה, אשר שניהם יכולים להיות נחקר על ידי ספקטרוסקופיה הבדל אינפרא אדום (IR). לחלבונים שתפקידם יכולים להיות שוב ושוב וreproducibly מופעל על ידי אור, ניתן לקבל ספקטרום הבדל אינפרא אדום עם רזולוציה המיקרו (משנה) על פני טווח ספקטרום רחב באמצעות טכניקת אינפרא אדום צעד לסרוק ההתמרה פורייה. עם ~ 10 2 -10 3 חזרות של photoreaction, המספר המינימאלי כדי להשלים את סריקה ברזולוציה ספקטרלית סבירה ורוחב פס, את רמת הרעש בספקטרום הבדל קליטה יכולה להיות נמוכה כמו ~ 10-4, מספיק כדי ללכת בקינטיקה של שינויי protonation מחומצת אמינו אחת. נמוך יותרניתן להשיג רמות רעש על ידי מיצוע יותר נתונים ו / או עיבוד מתמטי. כמות החלבון הדרושה לתוצאות אופטימליות היא בין 5-100 מיקרוגרם, תלוי בטכניקת הדגימה בשימוש. בנוגע לדרישות נוספות, החלבון צריך להיות מרוכז ראשונה בחיץ כוח היוני נמוך ולאחר מכן מיובש כדי ליצור סרט. סרט חלבון התייבשות לפני הניסוי, או עם טיפות קטנות של מים או בלחות באטמוספרה מבוקרת. רמת הלחות המושגת (גרם של מים / גרם של חלבון) נמדדה מספקטרום ספיגת IR. כדי להפגין את הטכניקה, למדנו photocycle של bacteriorhodopsin פרוטון משאבה מונע האור בסביבה הסגולה המקורית שלו בממברנה, ושל ערוץ יון channelrhodopsin-2-מגודרת אור solubilized בחומרי ניקוי.

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.

העברת פרוטון והחלבון Dynamics קונפורמציה בחלבונים רגישים לאור בזמן נפתר-Step-לסרוק פורייה-להפוך ספקטרוסקופית אינפרא אדום

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.

חוקר מולקולה בודדת הדבקה על ידי הכוח האטומי ספקטרוסקופיה

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.

איתור והשחזור של פלדיום, מתכות זהב וקובלט ממכרה העירונית באמצעות חיישנים / Adsorbents רומן יעודיים עם נקבוביות-בצורת גלגל עגלה ננומטריים

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.

שילוב של אור ננו-מבני כסף השמנה בתאים סולריים המוקשה Microcrystalline הסיליקון ידי העברת הדפסה

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.

אפיון פליטות לייזר רחוק אינפרה-אדומות והמדידה של התדרים שלהם

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.

חקירת Layer פליטה ספקטרליים Boundary במהלך פולשני חומר בדיקה ב 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.

מתנעים אור בצורה חופשית - ייצור ובקרה של Actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי

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.

האבולוציה של ציפויי-פוליאסטר Nanoparticle סיליקה על משטחים חשופים לאור השמש

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.

Dynamics רקומבינציה ב חומרים פוטו סרט דק באמצעות מוליכות מיקרוגל זמן נפתרה

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.

מדידות של פחמן בקרקע על ידי ניתוח ניוטרון-גמא חשמל סטטי וסריקה מצבי

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.

אנליזה כמותית של אינדוקציה ואקום התכה על-ידי ספקטרוסקופיית לייזר המושרה

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