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.

1。一般的なサンプルの態様及び機器の準備<ol><li>時間分解ステップ走査測定のために装備商用FT-IR分光計を使用する。最良の結果を得るには、振動減結合テーブルの上にFT-IR分光計を配置。 </li><li>数ミリバールに光学区画を避難。乾燥した空気または窒素で試料室をパージします。 </li><li> FT-IR分光計のMCT検出器の前に可視光に対して不透明IR透明材料を配置します。この予防措置は、ステップ·スキャン実験中励起レーザパルスからのアーチファクトを防ぐために不可欠です。注：私たちは、直径25mmのゲルマニウム（Ge）ウィンドウを使用します。その高い屈折率は、望ましくない強度が大きく、反射防止コーティングでGeのフィルタを用いて回避し、失う原因となる。 </li><li>液体窒素でMCT検出器デュワーをクールダウン。注：光起電MCT検出器を使用は、それらの線形応答のphotoconductivesよりも好ましい、したがって、優れたphotometrさICの精度と信頼性をベースライン31,53。 </li><li>均質なタンパク質膜を形成するタンパク質懸濁液を乾燥しながら塩結晶の形成を防止するために低い（&lt;20 mM）のイオン強度の緩衝液中に少なくとも2 mgのタンパク質/ mlの実験に用いたサンプルを予め濃縮する。沈降サンプルについては、（リポソームまたは細胞膜パッチにおいて、例えば 、膜タンパク質）超遠心分離を適用することにより、それらを濃縮する/洗浄する。堆積物（ 例えば 、洗剤可溶化した膜タンパク質）をしないタンパク質のための適切なカットオフのセントリコンを使用してください。 </li><li>最適な結果を得るために使用します。可能な限り純粋でアクティブA）タンパク質製剤を、細胞膜パッチ内またはリポソーム中に再構成するタンパク質のための体重の3≤B）脂質/タンパク質比; C）洗剤可溶化したタンパク質のための体重の1≤洗剤/タンパク質比は。振動バンドタンパク質（ 例えば 、CHAPS）と重複洗剤や脂質の使用は避けてください。 </li></oL&gt; 2。 バクテリオロドプシン上の全反射減衰実験の準備を<ol><li> FT-IR分光計の試料室にATRアクセサリーをマウントします。注：私たちは5アクティブ反射でのZnSe /ダイヤモンドATRを使用しています。その光学特性は、可視光を励起レーザによって影響されるように、このようなATRアクセサリの内部反射素子（IRE）のようなゲルマニウムまたはシリコン等の半導体材料を避ける。 </li><li> 4センチメートル-1従来のラピッドスキャンFT-IR分光法によるクリーンIRE表面の解像度で広い範囲（約4,000-800 cm -1）でエネルギースペクトルを測定します。後の段階で吸収スペクトルを計算するために基準スペクトルとして、このスペクトルを使用する。 </li><li>試料（ 例えば 、pH7.4で4 NaClおよび100 mMののNaPi）を再水和するために後で使用緩衝液20μlとATRのIREの表面を覆う。バッファのIR吸収を測定します。 </li><li>バッファを削除し、IRE表面WIをすすぐ目の水。表面に触れないようにしてください。強烈な空気の流れによってIRE表面から残留液を除去します。 </li><li> IREの表面の上に紫色の膜中のバクテリオロドプシンの〜3μL（BR）（〜6 mgのタンパク質/ mLの脱イオン水中）スプレッド（〜0.2センチメートル2エリア）。フィルムが得られるまで乾燥した空気の穏やかな流れの下でタンパク質懸濁液を乾燥させます。 </li><li> （ 図1参照）の乾燥フィルムの吸収スペクトルを測定する。 </li><li>静かにドライフィルム（ 例えば 、pH7.4で4 NaClおよび100 mMののNaPi）を再水和するために、高いイオン強度の緩衝液を20〜40μlを加える。注：高イオン強度が探査された表面にできるだけ近い（ 図2）と同じくらいのタンパク質を保持することを可能にする、膜フィルムの過剰な膨潤を防止する。 </li><li>水の蒸発を防ぐために蓋付きATRホルダを覆う。必要に応じて、温度制御のために25℃に設定し、循環バスに接続されたカバー·ジャケットを置く。長いphotocycles（＆＃を有するタンパク質62;秒）、温度制御は、ベースライン安定性を高める可能性があります。 </li><li>吸収スペクトルを測定します。緩衝液（ 図3）の吸収スペクトルを差し引くことにより、フィルムの再水和後に表面近傍に残留する試料の割合を推定する。 </li><li>再水和後の5〜20分間隔（ 図4）で吸収スペクトルを記録することによって、フィルムの膨潤の安定化を確認する。この手順は省略可能ですが、推奨される。 </li></ol> 3。界面活性剤で可溶化したチャネルロドプシン2の伝送実験を実施 <ol><li>直径20mmのBaF 2をウィンドウの中央に5のNaCl、5mMのHEPES（pH7.4）でデシルマルトシド（DM）に溶解にChR2（〜10 mgのタンパク質/ ml）を10μlを追加します。 6〜8ミリメートル径（〜200μgの/ cm 2のタンパク質表面密度）をマイクロピペットチップの助けを借りて、それを広げた。 </li><li>フィルムUSIを形成乾燥した空気の穏やかな流れをngの。最良の結果を得るには膜が均一であり、およそ最大の開口部にIRビームのサイズと一致する直径を有していることを確認してください。 </li><li> 3-5で配布グリセロール/水の混合物の3〜5μLを添加することにより、フィルムの水和物は、ドライフィルムを中心に低下して、しっかりと≥1ミリメートルの厚さの平らなシリコーンOリングを使用して第二のウィンドウを閉じます。注：グリセロール/水混合物の比は、窓54との間の相対湿度を制御する。吸湿サンプルについては3月7日または2月8日グリセリン/（w / w）の水の比率を使用しています。グリセロール/水滴が膜タンパク質と直接接触してはいけません。 </li><li>ホルダー内のBaF 2に挟まれた窓を挿入します。水和したフィルムのサイズに一致する穴と、紙等のIR不透明材料、とのサンプル窓を覆うことにより、検出器に到達するのまっすぐ光を防ぐ。サンプルコンパートメント内のホルダーを配置します。 </li><li> 25℃にホルダの温度を制御する温度制御された循環バスに接続された恒温ジャケットによるC。 </li><li>吸収スペクトルを測定します。アミドI領域（〜1,700-1,620 cm -1）での最大吸収が0.6〜1.0の範囲内であることを確認してください。 </li><li>水、DM、代表膜タンパク質（ 図6）のための基準消衰係数スペクトルを用いて、水和フィルムの吸収スペクトルからの質量およびタンパク質/界面活性剤/水のモル比（ 図5）を推定する。 </li><li>水和レベルはステップ·スキャン実験（≥1時間）を実施する前に、安定するまで待ってください。 </li></ol> 4。調整と励起レーザの同期 光サイクルをトリガするために、YAGレーザ（λ= 532nm）を：BR上の実験のために、パルスのNdの第二高調波放射を使用しています。 OPによって提供されるのChR2を含む実験では、λ= 450nmの励起を使用：YAGレーザーの第三高調波のNd（λ= 355 nm）とによって駆動されるticalパラメトリック発振器（OPO）。レーザパルスが二光励起を最小限にするために（〜10ナノ秒）十分に短いことを確認してください。注：レーザパルスのエネルギーはできるだけ一定であるべきである。過渡現象記録装置に接続されたフォトダイオードでレーザの反射を測定し、応答（ 図8）を積分することによって確認されるように我々のセットアップでは、レーザ強度は、平均値の周りの10％≤変動する。 <ol><li>カップルサンプルへのレーザー。パワー·メータを使用して、パルス当たり2〜3ミリジュール/ cm 2のサンプルでのレーザーのエネルギー密度を調整します。 <ol><li> ATRのセットアップでは、ATRの蓋の上に置か光ファイバを使用してください。 </li><li>透過実験のために、試料にレーザーをもたらすためにミラーを使用して、必要に応じて、コリメートレンズのいずれか、またはわずかに試料フィルムサイズ上記直径にレーザ光を発散する。 </li></ol></li><li> LASEを同期させるR分光計によってデータ記録パルス。分光器をトリガする：YAGレーザーのNdエレクトロニクスのQスイッチシンク·アウトTTLパルスを使用してください。それぞれのbRは10 HzおよびChR2を0.25 Hzに：YAGレーザーのNdの励起レートを設定します。 </li><li>レーザー励起速度を制御するパルス遅延発生器（PDG）を使用する場合のNd繰り返し率：YAGレーザは容易に調整できません。 <ol><li> PDG外部トリガ入力に：YAGレーザーのNdランプシンク·アウトに接続します。レーザ発振をトリガするためにYAGレーザ：PDGは、Q-スイッチ同期中のNdの入力にTTLパルス出力を遅延〜190マイクロ秒を提供する。ゲートPDGだけ最後に受け入れトリガ（BrまたはChR2を4秒100ミリ秒）から一定時間後に外部トリガを受け入れます。 </li></ol></li></ol> 5。時間分解ステップスキャンの準備と設定<ol><li>光路にローパス光学フィルタを配置します。 1,800-85で時間分解ステップスキャン測定を行うに0センチメートル-1スペクトル範囲は、1950センチメートル-1を超えると1800センチメートル-1（ 図7）の良好な伝送（&gt;百分の50から80）で、フィルターの不透明を使用しています。 </li><li> ACからDC結合モードに検出器を変更します。注：この調整した後、インターフェログラム信号は、もはや周りのゼロが、DCレベルとして知られている値を中心に振動しません。 </li><li>より高い光子束及び、従って、より良好な信号対ノイズが、検出器の直線性限界内ための分光計の最大の可能なビームアパーチャを使用する。 </li><li>ゼロにインターフェログラムのDCレベルを持参し、アナログデジタル変換された（ADC）のダイナミックレンジをより有効に活用するために、電子ゲインを再調整。前置増幅器によって供給される信号に電圧バイアスを印加することでDCオフセットレベルを達成する。注記：このオプションは、近代的なFT-IR分光計に含まれています。そうでなければ、自家製の外部装置は、前置増幅器とADC 38の間に配置され、代わりに使用することができる。ケアはしてあるこのようなデバイスの電子機器は、高速かつリニアであることを確認する必要がありました。 </li><li> FT-IR分光計のステップ·スキャンメニューを起動します。 1,975.3-0 cmのステップスキャン測定対象のスペクトル帯域幅を設定し-1。少し光フィルタのカットオフを超え、He-Neレーザーの波数（ここでは1月8日目 ）の画分にスペクトル帯域幅を調整します。 </li><li>後の時間で反応速度の歪みを防止するために、任意の高域通過フィルタの電子を無効にします。そのカットオフ周波数が順またはADC（ノイズエイリアシングを低減する）のサンプリングレートを上回る場合、ローパス電子フィルタは有益であり得る。 </li><li> 8センチメートル-1と64 cmのスペクトルと位相解像度を設定し-1であった。前進片面にフェログラム取得モードを設定します。これらのオプションを1フェログラムは約500ポイントが必要です。 </li><li> 160 kHを、 例えば （分析計で利用可能な最高にADCのサンプリング·レートを設定Z、または6.25秒）。 「外部」、 すなわち 、「実験のトリガー」を設定し、レーザーがマスターです。 BR（最大42ミリ）7,000 20,000 ChR2を（最大125ミリ）のために：記録される直線等間隔のデータポイント数を設定します。注：より長い時間スケールは、データ取得38をトリガする波発生器から擬似対数的時間間隔を外部TTLパルスを用いてADCメモリをオーバーフローすることなく覆うことができる、又は内部ADC 31の代用品として二つの平行な過渡レコーダを使用することにより、 32。 </li><li>サンプルの暗状態のための基準として、約100プレトリガーポイントを保存します。注：ミリ秒の時間スケールでは、データの品質は、多くの場合、モバイル·ミラーの変動によって制限されます。 100の上方にプレトリガーポイントを増加させることは、従って、有意なデータ品質を改善することは期待されない。 </li><li>共同加算の回数を設定し、 すなわち 、ミラーPOSITあたりの光反応の平均数イオン。 bRのために、20の同時添加（10 Hzの励起速度での時間を計測する20分）を使用する。 ChR2を2共添加（0.25 Hzの励起速度での時間を計測する70分）を使用するため</li><li> bRのための実験の10倍を繰り返し、ChR2を3つの異なるサンプルフィルム上の35X、ミラー位置ごとに最終的に〜200の共同の追加を持っている。 </li></ol> 6。データ処理<ol><li>最初と最後の測定から得られた光誘起赤外差スペクトルを比較することにより、サンプルの状態を確認してください。差スペクトルの強度は最初の測定の60％を下回る任意の測定値を廃棄することを検討してください。 </li><li>記録された干渉画像を平均。 <ol><li> FTIR分光計からOPUSソフトウェアを使用して、平均して「スペクトル電卓」に追加し、時間分解干渉画像を選択します。 </li><li>インターフェログラムの平均を得るために、「=」をクリックしてください。 注：場合にはインターフェログラムの位相それは平均的な干渉画像またはシングルチャネルスペクトルに無関心で測定中は一定である。一定の位相を計算し、第一の位相スペクトル及び最後に記録されたインターフェログラムを比較することによって確認することができる。 </li></ol></li><li>フーリエ平均化時間分解単一チャネルスペクトルを得るために平均時間分解インターフェログラムの変換を行う。 <ol><li>ステップ6.2.1と同じソフトウェアを使用して、平均した時間分解干渉図形を選択し、「スペクトルと干渉図形」のアイコンをクリックしてください。メルツ位相補正方法、2のゼロ充填率（インストゥルメンタル解像度ごとに2つのデジタル点）、およびアポダイゼーション機能（ 例えば 、三角形、ブラックマン·ハリス3 -利用など）を使用してください。 </li><li>時間分解スペクトルに時間分解干渉画像を変換するために下の「変換」をクリックしてください。 </li></ol></li><li> 「データポイントテーブル」又はA」として時間分解単一チャネルデータをエクスポート; MATLAB」を使ってファイル &quot;OPUSソフトのアイコン&quot;として保存します。外部プログラムでのデータ処理を続行します。 <ol><li>レーザーの前に単一のチャネルスペクトルを平均化し、時間分解吸収差スペクトルを時間分解シングルチャネルのデータを変換します。 </li><li>レーザーの前の100シングル·チャネル·スペクトルの、ε、ノイズ標準偏差を用いて、波数の関数（ 図12）などの差スペクトルにおいて期待されるノイズ標準偏差のベクトルを計算し、平均値、S 0（ν）： ε/ S 0（ν）。 εの値は、連続した単一チャネルスペクトルを減算し、√2で補正標準偏差を計算すると推定される。 </li><li>の利用にはあまりにも騒々しいスペクトル領域を削除する（ たとえば 、1825センチメートル上記-1および850センチメートル下記-1）。 </li><li>準対数的に平均化（ 例えば 、20スペクトル/時間十年）を行います。 appearanデータのCEは改善し、スペクトルの数は、有意な情報がなくて〜10 2に〜10 4から減少します（ 図9）を失った。 </li><li>フーリエ補間を使用して（1ポイント/センチ-1）の点の4倍のスペクトル密度を増加させる（ゼロフィリングを掲示）。 注：私たちは、MATLABで実行されている自家製のプログラムの中で6.4.4に手順6.4.1を実行します。 </li></ol></li><li>特異値分解、SVD（ 図13）で得られた時間分解スペクトル（ 図10A）を処理する。有意なSVDコンポーネント（ 図10B）の限られた数のデータを再構成することによって、データノイズ除去を達成する。注：私たちは、ビルトインの「SVD」機能を使用して、MATLABでSVDを実行します。 </li></ol>

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

タンパク質上の時間分解ステップアンドスキャンFT-IR実験を行う際に考慮が必要な第一の側面の一つは、IR分光法に適した形態での試料の調製である。関心対象のタンパク質以外の物質からIR吸収を低減する必要があり、特に水からの。最も一般的なアプローチは、フィルムを形成するために、試料のバルク水を蒸発させることである。膜は、水溶液の一部滴を加えることにより又は制御された湿度の雰囲気に膜を曝露のいずれかによって再水和することができる。我々は、（ 図3および図5を参照）両方のケースでは、IR吸収分光法を用いて得られた水和レベルを推定することができる方法を示している。得られた水和レベルは、溶液中のものと比較して低い表示される場合がありますが、これらは機能的に関連するタンパク質の水和膜の研究を行う、実際に生きた細胞70に見られるものに近い。水の他に、知っていると、試料中の脂質または界面活性剤の量を制御することも重要である。両方とも、IR吸収を低減分光影響を与えるに十分に低く維持するが、目的のタンパク質の完全性および機能性を維持するのに十分に高くすべきである。 時間分解ステップ·スキャン分光法は、光によって再現可能にトリガできる可逆反応を示すタンパク質に対してのみ素直に適用されます（ただし、迅速なバッファー交換で、ステップ·スキャンをカップリングで進行状況を確認）71。反応工程スキャンにおいては、少なくとも〜500倍には8 cm -1の分解能で1,800-850 cm -1の領域を覆うインターフェログラムを完了するための最小数の再現可能である必要がある。しかし、実際には、付加的なデータ平均化は、一般的に雑音レベルを押し下げるために必要とされる。 200 co-additions/mirror位置（反応の10 5回の繰り返し）の場合は6.25秒解像度吸光度差スペクトルがノイズSTAを表示することができます伝送実験（ 図15）のために-5 2×10〜2×10 -4 ATRのための5×10 -6〜3×10 -5の間ndard偏差。その高い光子スループットのおかげで、トランスミッションは、ATR、成功裏などにChR2などの弱い吸収の変化を与えて、サンプルを研究するための重要な側面よりも〜7低い騒音レベルを可能にします。一方、ATRは伝送実験よりも5から25分のサンプルを必要とします。 時間分解ステップスキャンFT-IR分光法の適用は遅いphotocyclesを表示するタンパク質のための問題である。ステップ·スキャンによりインターフェログラムを記録することは、長い実用的になることができます。一部のソリューションは、多くの場合、増加したタンパク質摂取及び実験27,74複雑さを犠牲にして測定を高速化するために、複数の交換可能なサンプルを使用することに基づいて、このようなケース72,73に対処するために提示されている。場合によっては、元によってこの問題を回避することができる光サイクルを厳密に完了する前にサンプルを引用。 ChR2をするために、99％の回収のための光励起60秒後に必要とする光サイクルで、4秒での回復は、すでに80％の48のである。レーザパルス当たり10％の励起効率で、ChR2を分子の98％が0.25 Hzにレーザ繰り返し率で実験を行うことが可能となる、光励起後に暗状態4秒である。 データ処理は、可能な限り最高の結果を達成するために必要な最後の技術的な側面である。対数平均化は、ノイズを低減し、さらに重要な、歪みなしに特異値分解またはグローバルフィッティングを用いて、事後データ分析のための本質的な特徴をデータのサイズを減少させる。対数平均化は、しかし、測定中の携帯ミラーやその他の1 / fノイズ源（ 図9）の振動に起因する時間の痕跡の変動を平均で非常に成功していない。ベースラインにおけるこれらの変動ミリ秒の範囲内のノイズやデータの破損して品質を超えることができます。特異値分解は、ノイズを減らすためのデータの冗長性を活用し、いくつかの変更57で、それは同様に、ベースラインの変動を低減することができる。 最後に、時間分解ステップスキャンFT-IR実験の困難、最も時間のかかる部分は、バンドの割り当てにし、データのスペクトルと運動の解釈に対応しています。バクテリオロドプシンのIR差スペクトルに現れるバンドの多くは、数十年にわたる多くの研究者集団の累積仕事のおかげで割り当てられるか、または解釈されている。例えば、チャネルロドプシン2としてあまり研究された蛋白質、例えば、上記の時間分解IR実験は、部位特異的変異体に平行実験を伴い、機構的な解釈が48に到達するために相補的技術からの情報と組み合わされる必要がある。

完全タンパク質がその機能を実行する方法を解明するために、それらは、すなわち 、多くの場合、中間体の系列を含み、時間の数桁を拡張反応経路に沿って、動作するように、それらを測定する必要がある。タンパク質機能の重要なステップは、多くの場合、膜タンパク質の特定の骨格コンホメーション変化およびプロトン転送する反応において、時間範囲を1ミリ秒マイクロ秒で起こる。 X線結晶学、構造生物学の間違いなく柱は、膜タンパク質2と一緒に成長することが難しいことで知られ、よく回折するタンパク質結晶から静的な（時間平均）電子密度を提供します。まれに、水素原子の位置を含まないが、3D原子モデルは、電子密度に基づいて構築することができる。ラウエ回折3やフェムト秒X線パルス4のいずれかに依存し、時間分解X線結晶構造解析、の著しい進歩は、高い構造情報の中に、時間次元を追加X線結晶5にコヒーレント。しかし、技術的、分析的な課題はともかく、結晶格子は、バックボーン立体構造変化を損ない、タンパク質力学、タンパク質結晶5に基づく方法の避けられない欠点を変更することができます。限定された構造的な洞察力の全般的な欠点を持つが、フラッシュ光分解6,7によって開拓として、その結果、タンパク質の動的な側面は依然として最高の光学的方法で覆われている。 フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）は、タンパク質の構造、膜タンパク質8-11無数の静的な構造的および機能的な調査において活用最後の機能に貴重な感度の光学分光法の時間分解能を兼ね備えています。具体的には、FT-IR差分光法は、別の12月19日に1準安定状態からのタンパク質遷移などの小さなスペクトルの変化を研究するための理想的なツールであることが証明されています。 Studie単一分子レベル20,21以外でのタンパク質のダイナミクス、上のSは、同期のためのトリガのプロセスを必要とする。巡回光反応によるタンパク質の研究で行ったようにこの反応は、簡便、迅速かつ侵襲的にトリガとして光を使用していないが開始されます。良好なスペクトル分解能および適切な信号対雑音比を維持しながら、時間分解の研究に関連する主要な課題は、十分な時間分解能の達成である。また、十分に広いスペクトルおよび時間的な範囲をカバーすることが不可欠である。時間分解ステップスキャンFT-IR分光法は、公開された例が3,900-850 CMと同じ幅のスペクトル範囲をカバーする-1とダイナミクスは最大3.5センチメートル-1のスペクトルと時間の〜9桁を拡張して、これらの側面22の全てに優れそして30ナノ秒の時間分解能23-28。 フーリエ変換赤外分光計は、分散型のもの29以上のノイズを低減し、改善された測光精度を示している。 HowevER、通常の急速なスキャン記録モードでFT-IR分光計、干渉計の可動ミラーがスキャンを完了するために必要な最小時間の結果として≥5月10日ミリに限ら時間分解能に苦しんでいます。ステップアンドスキャン技術では、対照的に、動的イベントの時間依存性は、干渉計の走査期間から切り離される。簡単に説明すると、個別のステップでモバイルミラーが移動するのではなく、連続してスキャンを完了するためにスキャンする。これらのステップのそれぞれで（移動）ミラーが固定保持され、過渡が記録さ​​れる。従って、時間分解能は10〜100ナノ秒の範囲である水銀カドミウムテルル（MCT）検出器の立ち上がり時間によって制限される。実際には、（翼におけるセンターバーストと小信号中の強いシグナルを含む）インターフェログラムの大きなダイナミックレンジは、サンプリングをもたらす、できるだけ多くのビット16-24などとの適切なデジタルアナログ/デジタル変換器（ADC）のために必要と〜200 kHzのより高くはないレート（5秒）30。ナノ秒の時間分解能は、8〜12ビットのADCで十分である23,31-33れるインターフェログラムの変化のみを測定することによって達成することができる。時間分解ステップ·スキャンの技術的な側面30,34,35とアプリケーション36〜38は、他の場所で詳細に議論されてきた。 電流寄与の目的は、感光性膜タンパク質上の時間分解ステップアンドスキャンFT-IR分光法の実用性を説明するプロトコルを提供することである。透過と全反射減衰（ATR）：ここでは、この技術の性能は、2つのサンプリング方法のために示されている。 ATRの使用は、タンパク質の完全な水和状態を保証するだけでなく、試料のpHおよびイオン強度49,50の急性の制御を可能にするだけでなく、過剰な水の存在下での作業を可能にする。バクテリオロドプシンおよびチャネルロドプシン2：ステップスキャンの実験は、選択された2つのシステム上に示されている。 39,40のための多数の生物物理学的研究の対象となっている。ブロードの機能をFT-IR分光法の研究に適用される多数の技術の中では間違いなく最大の影響の1を与えてきた。すなわち、FT-IR分光法は、他の場所13,41,51占めたように、膜を横切るプロトン移動に関与してグループを解決するための鍵となっています。 チャネルロドプシン（CHR）は、自然界42,43で最初に見つかった光感受性イオンチャネルである。 CHRの光励起は、イオンチャネルの一過性の開口部をもたらす。その発見は、分子プロセスは、光44,45によって制御されている光遺伝学の発展の道を解決した。 CHRがはるかに少ないその機能的機構52について知られている、Brなど、微生物ロドプシンファミリーに限定bRは対照的に、属する。 ChR2をは、IOとしての機能を兼ね備えてプロトンポンプの活性46,47とnチャネル。最近、我々はイントラタンパク質プロトン移動反応およびChR2を48タンパク質骨格コンフォメーション変化のダイナミクスを解決するために、時間分解ステップアンドスキャンFT-IR分光法を適用した。

<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

タンパク質の機能の間にプロトン化し、タンパク質骨格コンフォメーション変化のダイナミクスを監視することは、そのメカニズムを理解するための重要なステップである。プロトン化およびコンフォメーション変化は、赤外線（IR）分光法の差によってプローブすることができ、どちらも、それぞれアミノ酸側鎖のペプチド結合の振動パターンを、影響を与える。その機能は繰り返し再現性と光によって誘発することができるタンパク質については、赤外線技術を変換するステップ·スキャン変換を用いて広いスペクトル範囲にわたって（サブ）マイクロ秒の分解能で赤外差スペクトルを得ることができる。の速度論に従うのに十分な、4 -光反応の〜10 2〜10 3反復で、最小数の合理的なスペクトル分解能及び帯域幅でスキャンを完了するために、吸収差スペクトルにおけるノイズレベルは約10限り低くすることができ単一のアミノ酸からプロトン化に変更されます。下段ノイズレベルは、より多くのデータの平均化および/または数学的に処理することによって達成することができる。最適な結果を得るために必要なタンパク質の量は、使用されるサンプリング技術に応じて、5〜100μgの間である。追加要件に関しては、タンパク質は、最初に低イオン強度緩衝液中で濃縮し、次いで膜を形成するために乾燥する必要がある。タンパク質膜は水のほとんどの小滴または制御大気湿度の下でいずれか、実験前に水和される。得水和レベル（タンパク質の水/ gをg）をIR吸収スペクトルから測られる。テクニックを披露するために、我々は、ネイティブ紫膜環境での光駆動プロトンポンプバクテリオロドプシンの光サイクルを学び、光感受性イオンチャネルチャネルロドプシン2の洗浄剤で可溶化した。

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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.

感光性タンパク質中のプロトン移動とプロテイン立体配座ダイナミクスの時間分解ステップスキャンフーリエ変換赤外分光法により

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

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17.8K ビュー.  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.

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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.

原子間力分光法による単一分子の接着性を調査

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

工学

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.

検出とパラジウムの回収は、都市鉱山からの金やコバルト金属は、ナノスケールワゴンホイール形の細孔を有する指定小説センサ/吸着剤を使用しました

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.

転写印刷により水素化微結晶シリコン太陽電池の光トラッピング銀ナノ構造の統合

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.

遠赤外線レーザーの排出量とその周波数の測定を特徴付けます

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.

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

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.

自由形式のライトアクチュエータ - 顕微鏡スケールでの作製と作動の制御

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.

日光への露出表面上にシリカナノ粒子 - ポリエステルコーティングの進化

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.

時間分解マイクロ波伝導を介して、薄膜太陽電池材料での再結合ダイナミクス

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.

静的スキャン モードで中性子ガンマ解析による土壌炭素の測定

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.

レーザー誘起分解分光法による真空誘導融解の定量分析

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