Name: photoelectron imaging of anions illustrated by 310 nm detachment of f−
Uploaded: 2018-07-27T14:45:00.000+00:00
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この材料はチェ - 1566157 下の国立科学財団によってサポートされる作業に基づいてください。

注: 一般的な実験的プロトコルが表示ここでは、WUSTL 楽器に固有。表 1-2の図 4 aで F−イメージの特定の計測器設定を見つけることが。
1. イオンの生成
<ol><li>陰イオンを生成するには、バッキング ガスまたはパルスのノズルの後ろに (F−O2の psig。 40) のガスの混合物を適用し、10 Hz でノズルを操作します。<ol>
<li>デジタル遅延ジェネレーター 1 (DDG1) チャネル (A1) のノズル期間を設定し、放電にガスを注入するパルス ノズル ドライバーをトリガーします。</li>
		<li>高電圧放電パルス V1 を適用します。タイミングとパルス持続時間は、DDG1 にチャンネル C (C1) によって制御されます。</li>
		<li>O2ガスのエスケープは、増加研究室火災のリスクにつながる可能性、すべてガス管線がタイトなリークであることを確認します。高ガス圧は、ガスラインの失敗につながることができます、ので、最高使用圧力以下の圧力が保たれることを確認します。電源を正しく接地、オフにケーブルがされていることを確認、または除去します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. イオン抽出・分離・検出
<ol><li>ソースから陰イオンを抽出するには、イオン抽出プレートに高圧抽出パルス (V2) を適用します。<ol>
<li>タイミングと DDG1 チャネル D (D1) を使用してイオン抽出パルスの期間を設定します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>陰イオンの質量スペクトルを監視するためには、イオン モードに楽器を入れてください。<ol>
<li>検出器の電圧ディバイダーを Mcp の撮像検出器に接続します。</li>
		<li>電圧 V11 を検出器の陽極 (蛍光体スクリーン) に適用されます。</li>
		<li>イオン検出器電圧デバイダ出力をオシロ スコープのチャンネル 1 の入力に接続します。</li>
		<li>圧入力に MCP の電源を接続し、徐々 に電圧を上げます。入力電圧 V9 は、V7 をエントリ側と MCP の出口側に V8 に提供します。 注意: は、Mcp の最大許容電圧を超えていません。</li>
	</ol>
</li>
	<li>飛行時間型質量分析法による陰イオンを分離します。<ol>
<li>加速スタック電圧 V3 を設定します。</li>
		<li>DDG1 チャンネル E (E1) を使用すると、タイミングと潜在的なスイッチ高電圧パルス (V3) の期間を設定します。</li>
		<li>外部トリガーからオシロ スコープ DDG1 チャネル F (F1) TOF MS の時間単位を設定します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>放電と抽出パルス大きさ (V1 ・ V2)、放電、抽出、潜在的なスイッチおよびノズル タイミングとを通じて A E イオン オシロ スコープで信号を生成する DDG1 に期間を調整します。</li>
</ol>3. イオン収量と解像度最適化。
注: 3.1 と 3.2 の手順は、最適な解像度とイオン収率を取得する繰り返し繰り返しする必要があります。(表 1-2表示結果] セクションに示されている F−画像の生成に使用される設定)。
<ol><li>特定の種の陰イオンの数を最適化するため、イオン ソースの設定を調整します。<ol>
<li>ボンベのレギュレーターを使用してノズルの後ろに O2ガスの圧力を調整します。</li>
		<li>操作 (A1) のパルス ノズル期間を調整します。</li>
		<li>放電パルス電圧 (V1) の大きさを調整します。</li>
		<li>タイミングと放電パルス電圧 (C1) の期間を調整します。</li>
		<li>タイミングとイオン抽出パルス (D1) の期間を調整します。</li>
		<li>潜在的なスイッチは高電圧 (E1) に期間を調整します。</li>
		<li>アインツェル レンズ (V4) の中心的な要素の電圧を調整します。オシロ スコープ上のイオンのピーク強度で増やす必要があります。 注意: を確認 O2圧力を最高使用圧力以下に保持します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>質量スペクトル解像度とイオンの分離を最適化する TOF MS 設定を調整します。<ol>
<li>ワイリー マクラーレン焦点を達成するためにイオン抽出電圧 (V2) を調整します。オシロ スコープ上のイオン ピークを絞り込む必要があります。</li>
		<li>加速スタック電圧 V3 を調整します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 光電子生産および検出
<ol><li>分光計をイメージング モードに切り替えます。<ol>
<li>イオン検出器電圧ディバイダーをゼロ (V9) への電圧を減らします。</li>
		<li>MCPs からイオン検出器の電圧ディバイダーを外します。</li>
		<li>MCP とイメージング イメージングの高電圧パルス電源装置を接続します。</li>
		<li>イメージングの Mcp にイメージングの高電圧パルスを接続します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>蛍光体スクリーン (V11) と Mcp (V9) に恒久的な電圧を適用されます。</li>
	<li>VMI レンズ内のイオンの到着時間をナノ秒 (ns) 色素レーザーのレーザー パルスの到着時刻を同期します。<ol>
<li>高速フォト ダイオードをオシロ スコープのチャンネル 2 に接続します。</li>
		<li>Nd:YAG レーザー フラッシュ ランプと DDG2 チャンネル H (H2) を用いた Q スイッチを外部トリガーと G (G2)。レーザーのトリガー (H2) フォト ダイオード出力はの近くにまでのタイミングが、目的のイオン信号の前を調整します。</li>
		<li>イメージング リペラー (V5) や抽出 (V6) 電極に電圧を適用します。</li>
		<li>長時間露光にカメラを設定し、レーザーのトリガー (H2) をパソコンの画面で観測された電子検出イベントの数を最大化するタイミングを調整します。 注意: クラス IV レーザー放射は永久に視力を損傷します。適切な眼の保護を着用します。身に着けているときにも、梁に直接見ていない目の保護。鏡面反射を避けるため。</li>
	</ol>
</li>
	<li>光電子生産ウィンドウ内で電子信号を増幅する光パルスの到着に合わせてタイムアウト MCP に高電圧パルスを適用します。<ol>
<li>イメージングのパルス電圧 (V10) を設定します。</li>
		<li>イメージングのパルス タイミングとイメージングのパルスは光子パルスの到着時間に中央に配置されるような DDG2 チャネル F (F2) を使用して期間を設定します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5 画像の中心
<ol><li>短い露出にカメラを設定します。<ol>
<li>DDG2 チャネル E (E2) を使用して実験サイクルの開始時を開くに CCD カメラをトリガーします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>バック グラウンド減算の画像を収集します。<ol>
<li>レーザー パルスの関心の陰に一致する、複数のフレームを収集します。</li>
		<li>任意の陰に一致していないレーザー パルスといくつかのフレームを収集します。</li>
		<li>偶然を偶然に収集したフレームから収集したフレームを減算します。</li>
		<li>5.2 のステップを繰り返し、イメージを蓄積します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>イメージング リペラー (V5) と抽出 (V6) 電極の電圧を調整します。5.2 のステップを繰り返すことによって、新しいイメージを生成します。画像の特徴は、その最も狭いとき最高の集光条件を実現します。</li>
</ol>6. 画像コレクション
<ol><li>短い露出モードでカメラ、centroided コレクションに切り替えます。</li>
	<li>サブピクセルの解像度の画像を蓄積する最適のフォーカス条件で 5.2 手順を繰り返します。</li>
</ol>7. データの抽出
注: このセクションで実行されるデータ操作は、MatLab のプラットフォームで具体的に書かれたプログラムを使用して実行します。
<ol><li>反転の中心を見つけるイメージの固有の対称性を使用して、画像の重心 (強度) を決定することによって画像の中心を見つけるか (低信号対雑音) の場合繰り返しスペクトルの遷移の幅を最小限に抑える異なる試験センターを選択します。<ol>
<li>逆アベルは、3次元速度分布を回復イメージを変換します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>光電子スペクトルを生成します。<ol>
<li>すべて半径の角度の機能として強度を統合 (これは、半径方向スペクトルと、それゆえ運動量または速度ドメイン)。実際にこれはすべて半径上の総和によって実現されます。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57989/57989eq01v2.jpg"> たくさんは放射状の強度、I(r,θ) は点 r、θ での強度。</li>
		<li>知られている江部の遷移と同じ条件下で記録された画像との比較による電子の運動エネルギーのスペクトラムをキャリブレーションします。 ひねり出す = eKEcal (r/研究cal) ×2 営む場所refが参照スペクトルの知られている転移の運動エネルギー、rrefは、この移行に対応する画像のリング半径ひねり出す実験で半径 r に関連付けられている運動エネルギーは、イメージ。</li>
		<li>放射状のスペクトルをヤコビ変換によるエネルギー ドメインに変換します。特定の r に対応するエネルギーは 7.2.2 のように決定されます。たくさんの強度は √eKE で割った値します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>電子の角度分布。<ol>
<li>スペクトルの遷移を選択します。</li>
		<li>小さな角度範囲が異なるため転移と θ に対してプロットに関連付けられた放射状範囲を統合します。実習で統合により総和範囲 r0 -すべて半径上に半値幅/2 + 半値幅/2。 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57989/57989eq02v2.jpg"> I(θ) は角度の強度、r0 は最大の遷移の半径値、半値幅は半値全幅遷移の放射状範囲にわたって。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

著者ない競合する金銭的な利益やその他の利害の関係があります。

2 つの要因は、特に記述プロトコルの成功にとって重要です。最高の可能な速度のマッピング条件を決定する必要がありより重要な目的の陰イオンの十分なと比較的時間不変の収量を生成する必要があります。VMI の手順に焦点を当て、に関する鮮明な (最も狭い) 像を与える条件を決定するための画像解析とタンデムで 5.2 と 5.3 の手順を繰り返す必要があります。一度特定のシステムのため?...

陰イオン光電子イメージング1光電子分光法の変形であり、原子・分子の電子構造の強力なプローブと中性種と電子の相互作用を表します。得られる情報はバインドの理解の開発に不可欠と準安定 (電子・分子の散乱光の共振) 負のイオン状態、化学的還元と解離添付プロセス イオン分子の戸口状態相互作用。さらに、結果を提供高レベル第一原理計算の重要なテスト理論、特に非常に対処する設計相関システムまたは非定常状態。
イオンの生成、質量分析法と粒子2,3,4電子プローブ敏感に (および小さい分子振動の) 構造のイメージング技術を兼ね備えています。陰イオン種の操作により飛行質量分析法 (TOF MS) の時間を介して大量良好です。可視/近紫外線 (UV) の光子が十分に精力的なテーブル トップ レーザー光源の使用を許可する、余分な電子を削除します。陰イオンの使用の付加的な利益は、photoexcite 低地の不安定な陰イオンの状態にされる電子および中性原子/分子強く相互作用エネルギー体制を表す機能です。速度マップ画像5 (VMI) の使用制服検出効率、低電子運動エネルギーでさえ、すべて放出光電子を監視し、同時に大きさと粒子の速度の方向を明らかにします。
実験の結果、光電子スペクトル (親陰イオン内部エネルギー分布の詳細) と娘の中立的な内部状態のエネルギーと光電子の角度分布を含む光電子イメージ (関連、電子軌道離脱前)。技術の特に興味深いアプリケーションは、fs 時間分解研究で発見されます。初期の超高速のレーザー パルス (ポンプ) を解離性陰イオンの電子状態に励起し、2 番目は一時的超短パルス (プローブ) を遅延し、興奮して陰イオンから電子を切り離します。ポンプ プローブ時間差制御原子の運動のタイム スケールのシステムのエネルギー状態とシステムの軌道の性質の変化の進化に依存します。例は、私の光解離2−その他の interhalogen 種6,7,8,9、断片化および/または電子ホテル私−·uracil1012,,11,13私−·thymine13,14、私−·adenine15、私−·nitromethane16、 17と私−·acetonitrile17クラスター イオンと CuO2−光励起後の Cu−原子陰イオンの生産のためこれまで予想以上に長いタイム スケールの啓示18。
図 1は、セントルイス (WUSTL) 陰イオン光電子イメージング分光計19のワシントン大学を示しています。計測器は、差動排気型の 3 つの領域で構成されます。10−5 Torr の圧力で動作し、放電イオン源20と静電型イオン抽出プレート ソース室でイオンが生成されます。イオンは、ワイリー マクラーレン TOF MS21 (TOF チューブ内の圧力は 10− 8 Torr) の質量で区切られます。イオンの検出とプローブは、VMI レンズ5と荷電粒子検出器を含む検出領域 (10− 9 Torr の圧力) で行われます。楽器の主要なコンポーネントは概略図 1b灰色の領域が真空システムに含まれるすべての要素を表すに示します。放電にパルスのノズルからガスを導入します。高い入口圧力を相殺するため真空油拡散ポンプを使用してソース チャンバーが維持されます。放電領域は、図 2 aで詳細に示されています。高電位差は、テフロンのスペーサーのシリーズがノズルの顔から絶縁されている電極間に適用されます。実際には、テフロンはフッ素原子の後で示されている結果のソースとして機能します。
放電は、陰イオン、陽イオンおよび中性種の混合物を生成します。イオン抽出プレート、イオン加速スタック、潜在的なスイッチ、マイクロ チャンネル プレート (MCP) (図 1 b) を形成する 2 つの m (負) の電圧パルスのイオン抽出プレートへの応用によって長いワイリー マクラーレン TOF さんイオンを抽出し、その後全てのイオンは同じ運動エネルギーに加速しました。アインツェル レンズ小さくイオンビームの空間の断面抽出パルス振幅の変化は VMI のレンズでその到着時間を当てています。陰イオンは、潜在的なスイッチ22、質量識別子としてのタイミングは、機能を使用してグランドに再度参照されました。陰イオン選択を実現するには、可視/近紫外線の光子パルスの到着の VMI レンズの陰イオンの到着時刻を同期します。イオンの分離・検出領域イメージング検出器を保護するのにオイル無料ターボポンプを使用します。
陰イオンおよび光子光電子シュタインメッツ固体、イオン ・ レーザーのビーム間の重複を表す空間のボリューム全体を生成する対話します。VMI レンズ (図 2 b) は、検出器をすべて光電子に到達し、光電子の運動量の空間分布が維持されることを確保するための目的は 3 つのオープン電極で構成されています。これを達成するには、ようになり、原点の空間のポイントに関係なく同じ初期速度ベクトルと電子の検出は検出器上の同じ点で抽出、そしてリペラーに異電圧が適用されます。検出器は、電子乗算器として機能するシェブロン一致の Mcp のセットで構成されます。各チャンネルは、ゲインのローカライズと最初のインパクトの位置を維持する少数のミクロン オーダーの直径を有する。MCPs の後ろの蛍光体スクリーンは、電荷結合素子 (CCD) カメラを使用して記録されている光のフラッシュとして増幅電子パルスで位置を示します。
タイミングと必要な各種の電圧パルスの期間は、デジタル遅延ジェネレーター (イージス、図 3) のペアを使用して制御されます。全体の実験は、10 Hz の繰返し速度とショット毎ごとに繰り返されます。各ショットのイオン、光子のいくつかのカメラのフレームごとのいくつかの検出イベントの生産をやり取りします。数千のフレームは、イメージに蓄積されます。イメージの中心は運動量空間の原点を表し、したがって中心 (r) からの距離は電子の速度に比例。角度 θ (光子の分極方向) を基準にして電子の速度の方向を表します。イメージには、検出イベント密度の分布が含まれています。したがって、それも表示できます (特定の時点) の電子の検出のための確率密度を表す。イメージを表す波動関数 (ψ) の生まれの解釈を呼び出す | ψ |2光電子23。
3 D 電子の確率密度は放射線の電気ベクトル (εp) では、情報の結果としてスクランブル偏波について円筒対称です。数学的に元の分布の再構成を実現24,25,26,27。復興に (電子) の半径方向分布が適切なヤコビ変換のアプリケーションを介してエネルギー ドメインに変換運動量 (速度) ドメイン光電子スペクトル。
イメージ分光器 (図 1) をこれらの実験で使用される陰イオン光電子は、特注計測器28です。プロトコルの表 1と表 2に設定、F−生産とその光電子分布のイメージングは、この楽器に固有です。デザインのいくつかの同様のバージョンが様々 な研究所6,29,30,31,32,33,34で使用されます。,35,36,37,38,39,40,41,42, がない 2 つの楽器は、そっくりです。さらに、機器の設定、強く相互依存と条件、機器寸法の小さな変化に非常に敏感。

<table><tbody><tr><td>Digital Delay Generators</td><td>Berkeley Nucleonics Corp.</td><td>565-8c</td><td>DDG1</td></tr><tr><td>Digital Delay Generators</td><td>Berkeley Nucleonics Corp.</td><td>577-8c</td><td>DDG2</td></tr><tr><td>HV Power Supplies</td><td>Stanford Research Systems</td><td>PS325</td><td>V3</td></tr><tr><td>HV Power Supplies</td><td>Stanford Research Systems</td><td>PS325</td><td>V2</td></tr><tr><td>HV Power Supplies</td><td>Stanford Research Systems</td><td>PS325</td><td>V5</td></tr><tr><td>HV Power Supplies</td><td>Burle Inc.</td><td>PF1053</td><td>V9</td></tr><tr><td>HV Power Supplies</td><td>Burle Inc.</td><td>PF1053</td><td>V4</td></tr><tr><td>HV Power Supplies</td><td>Burle Inc.</td><td>PF1053</td><td>V10</td></tr><tr><td>HV Power Supplies</td><td>Burle Inc.</td><td>PF1054</td><td>V9,V11</td></tr><tr><td>HV Power Supplies</td><td>Bertan</td><td>205B-05R</td><td>V6</td></tr><tr><td>HV Pulsers</td><td>Directed Energy Inc.</td><td>PVX-4150</td><td>V2</td></tr><tr><td>HV Pulsers</td><td>Directed Energy Inc.</td><td>PVX-4140</td><td>V1</td></tr><tr><td>HV Pulsers</td><td>Directed Energy Inc.</td><td>PVX-4140</td><td>V11</td></tr><tr><td>HV Pulsers</td><td>Directed Energy Inc.</td><td>PVX-4140</td><td>V3</td></tr><tr><td>Pulsed Nozzle Driver</td><td>Parker Hannifin (General Valve)</td><td>Iota-One</td><td></td></tr><tr><td>Pulsed Nozzle</td><td>Parker Hannifin (General Valve)</td><td>Series 9</td><td></td></tr><tr><td>Camera</td><td>Imperx</td><td>VGA120</td><td></td></tr><tr><td>Imaging Detector</td><td>Beam Imaging Systems</td><td>BOS40</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>LeCroy</td><td>Wavejet 334</td><td></td></tr><tr><td>Photodiode</td><td>ThorLabs</td><td>DET10A</td><td></td></tr><tr><td>Diffusion Pump</td><td>Leybold</td><td>DIP 8000</td><td></td></tr><tr><td>2&amp;times;Turbo Pump</td><td>Leybold</td><td>TMP361</td><td></td></tr><tr><td>Rotary Pump</td><td>Leybold</td><td>D40B</td><td></td></tr><tr><td>2&amp;times;Rotary Pump</td><td>Leybold</td><td>D16B</td><td></td></tr><tr><td>Oxygen Gas</td><td>Praxair</td><td>OX 5.0RS</td><td></td></tr><tr><td>Tunable Laser</td><td>Spectra Physics Sirah Dye Laser</td><td>Cobra-Stretch</td><td></td></tr><tr><td>Pump laser for Dye Laser</td><td>Sepctra Physics Nd:YAG</td><td>INDI-10</td><td></td></tr></tbody></table>

photoelectron imaging of anions illustrated by 310 nm detachment of f&#8722;

陰イオン光電子イメージングは、バインドされたマイナス イオン、中性種と非連結電子中性分子との相互作用のエネルギー状態の研究のため非常に効率的な方法です。最新の真空中でアニオン生成技術分子、原子の広い範囲への適用を許可して陰イオン システムをクラスターします。これらは区切られ、飛行時間質量分析を使用して選択します。電子は、直線偏光の光子 (写真剥離) 赤外線-赤から近紫外線に励起エネルギーを準備ができてアクセスを提供する卓上型レーザー光源を使用して削除されます。イメージング レンズおよび位置敏感検出器を意味する原理、検出器に達するすべての光電子、マップされている速度と光電子の検出と検出効率はすべて運動エネルギーで統一されています。逆行列アベル変換を用いて数学的復興を介して画像から抽出した光電子スペクトルでは、陰イオン内部エネルギー状態分布及び結果として生じる中立的なエネルギー状態の詳細を明らかにします。低電子運動エネルギーで一般的な解像度はいくつか millielectron ボルト,すなわち, 分子種またはスピン-軌道原子の分裂の振動レベルに異なる順序エネルギー レベルでの違いを明らかにするため十分です。逆アベル変換から抽出した光電子角度分布より詳細な電子構造の調査を許可するバインドされた電子軌道の署名を表します。角度分布とスペクトルも発信電子励起後の残留の中性種との相互作用の詳細をエンコードします。技術は原子陰イオン (F−) にアプリケーションによって示されているが、分子陰イオン分光法の測定、(散乱実験に代わる) として低陰イオンの共鳴とフェムト秒 (の研究にも適用することができます。fs) 時分割陰イオンの動的な進化の研究。

Centroiding43カメラの 640 × 480 画素 CCD アレイ上のデータ記録、6400 × 4800 のグリッドの解像度が可能です。ただし、角度分布とスペクトルの抽出には逆アベル比較的スムーズに変化する画像の輝度を必要とするデータの変換が含まれます。妥協案として centroided のデータが「ビン分割」ポイントの n × n 個のブロックを合計しています。同様の治療も結?...

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Photoelectron Imaging of Anions Illustrated by 310 Nm Detachment of F&#8722;

ここでは、陰イオン種の光電子イメージングのためのプロトコルを提案する.マップ速度光電子イメージング、陰イオンと中性のエネルギー レベル、陰イオンおよび中立的な構造の詳細と陰イオンの電子状態の性質を提供することを使用して真空中で生成され、質量分析法による分離は陰イオンがプローブされます。

F− 310 Nm 剥離によって示されている陰イオンの光電子イメージング

Anion photoelectron imaging is a very efficient method for the study of energy states of bound negative ions, neutral species and interactions of unbound ...

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8.6K ビュー.  Washington University in St. Louis. ここでは、陰イオン種の光電子イメージングのためのプロトコルを提案する.マップ速度光電子イメージング、陰イオンと中性のエネルギー レベル、陰イオンおよび中立的な構造の詳細と陰イオンの電子状態の性質を提供することを使用して真空中で生成され、質量分析法による分離は陰イオンがプローブされます。

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Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging (ECCI) in a scanning electron microscope (SEM). ECCI allows for imaging of defects and crystallographic features under specific diffraction conditions, similar to that possible via plan-view transmission electron microscopy (PV-TEM). A particular advantage of the ECCI technique is that it requires little to no sample preparation, and indeed can use large area, as-produced samples, making it a considerably higher throughput characterization method than TEM. Similar to TEM, different diffraction conditions can be obtained with ECCI by tilting and rotating the sample in the SEM. This capability enables the selective imaging of specific defects, such as misfit dislocations at the GaP/Si interface, with high contrast levels, which are determined by the standard invisibility criteria. An example application of this technique is described wherein ECCI imaging is used to determine the critical thickness for dislocation nucleation for GaP-on-Si by imaging a range of samples with various GaP epilayer thicknesses. Examples of ECCI micrographs of additional defect types, including threading dislocations and a stacking fault, are provided as demonstration of its broad, TEM-like applicability. Ultimately, the combination of TEM-like capabilities &#8211; high spatial resolution and richness of microstructural data &#8211; with the convenience and speed of SEM, position ECCI as a powerful tool for the rapid characterization of crystalline materials.

The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

迅速なIII-Vヘテロ特徴付けのための電子チャネリングコントラストイメージング

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

工学

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due to their long coherence time and their capability to manipulate and detect individual quantum bits (qubits). In more recent years, microfabricated surface ion traps have received more attention for large-scale integrated qubit platforms. This paper presents a microfabrication methodology for ion traps using micro-electro-mechanical system (MEMS) technology, including the fabrication method for a 14 &#181;m-thick dielectric layer and metal overhang structures atop the dielectric layer. In addition, an experimental procedure for trapping ytterbium (Yb) ions of isotope 174 (174Yb+) using 369.5 nm, 399 nm, and 935 nm diode lasers is described. These methodologies and procedures involve many scientific and engineering disciplines, and this paper first presents the detailed experimental procedures. The methods discussed in this paper can easily be extended to the trapping of Yb ions of isotope 171 (171Yb+) and to the manipulation of qubits.

This paper presents a microfabrication methodology for surface ion traps, as well as a detailed experimental procedure for trapping ytterbium ions in a room-temperature environment.

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

An Experimental Protocol for Femtosecond NIR/UV - XUV Pump-Probe Experiments with Free-Electron Lasers

This protocol describes key steps in performing and analyzing femtosecond pump-probe experiments that combine a femtosecond optical laser with a free-electron laser. This includes methods to establish the spatial and temporal overlap between the optical and free-electron laser pulses during the experiment, as well as important aspects of the data analysis, such as corrections for arrival time jitter, which are necessary to obtain high-quality pump-probe data sets with the best possible temporal resolution. These methods are demonstrated for an exemplary experiment performed at the FLASH (Free-electron LASer Hamburg) free-electron laser in order to study ultrafast photochemistry in gas-phase molecules by means of velocity map ion imaging. However, most of the strategies are also applicable to similar pump-probe experiments using other targets or other experimental techniques.

This protocol describes the key steps for performing and analyzing pump-probe experiments combining a femtosecond optical laser with a free-electron laser in order to study ultrafast photochemical reactions in gas-phase molecules.

実験的プロトコル フェムト秒近赤外/紫外-自由電子レーザーによる XUV ポンプ ・ プローブ実験

This protocol describes key steps in performing and analyzing femtosecond pump-probe experiments that combine a femtosecond optical laser with a ...

化学

Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational spectroscopy and time-resolved electron diffraction. Liquid crystal phase is an important state of matter that exists between the solid and liquid phases and it is common in natural systems as well as in organic electronics. Liquid crystals are orientationally ordered but loosely packed, and therefore, the internal conformations and alignments of the molecular components of LCs can be modified by external stimuli. Although advanced time-resolved diffraction techniques have revealed picosecond-scale molecular dynamics of single crystals and polycrystals, direct observations of packing structures and ultrafast dynamics of soft materials have been hampered by blurry diffraction patterns. Here, we report time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffractometry to acquire ultrafast snapshots of a columnar LC material bearing a photoactive core moiety. Differential-detection analyses of the combination of time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffraction are powerful tools for characterizing structures and photoinduced dynamics of soft materials.

Here, we present the protocols of differential-detection analyses of time-resolved infrared vibrational spectroscopy and electron diffraction which enable observations of the deformations of local structures around photoexcited molecules in a columnar liquid crystal, giving an atomic perspective on the relationship between the structure and the dynamics of this photoactive material.

光応答性液晶の構造ダイナミクスを観察する手法

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational ...

Single Molecule Fluorescence Microscopy on Planar Supported Bilayers

In the course of a single decade single molecule microscopy has changed from being a secluded domain shared merely by physicists with a strong background in optics and laser physics to a discipline that is now enjoying vivid attention by life-scientists of all venues 1. This is because single molecule imaging has the unique potential to reveal protein behavior in situ in living cells and uncover cellular organization with unprecedented resolution below the diffraction limit of visible light 2. Glass-supported planar lipid bilayers (SLBs) are a powerful tool to bring cells otherwise growing in suspension in close enough proximity to the glass slide so that they can be readily imaged in noise-reduced Total Internal Reflection illumination mode 3,4. They are very useful to study the protein dynamics in plasma membrane-associated events as diverse as cell-cell contact formation, endocytosis, exocytosis and immune recognition. Simple procedures are presented how to generate highly mobile protein-functionalized SLBs in a reproducible manner, how to determine protein mobility within and how to measure protein densities with the use of single molecule detection. It is shown how to construct a cost-efficient single molecule microscopy system with TIRF illumination capabilities and how to operate it in the experiment.

Preparation of protein-functionalized planar glass-supported lipid bilayers, determination of protein mobility within and measurement of protein densities is shown here. A roadmap to building a noise-reduced Total Internal Reflection microscope is outlined, which allows visualizing single bilayer-resident fluorochromes with high spatiotemporal resolution.

平面支持された二分子層​​上の単一分子蛍光顕微鏡

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生物工学

Sample Preparation and Experimental Design for In Situ Multi-Beam Transmission Electron Microscopy Irradiation Experiments

There is a need to understand materials exposed to overlapping extreme environments such as high temperature, radiation, or mechanical stress. When these stressors are combined there may be synergistic effects that enable unique microstructural evolution mechanisms to activate. Understanding of these mechanisms is necessary for the input and refinement of predictive models and critical for engineering of next generation materials. The basic physics and underlying mechanisms require advanced tools to be investigated. The in situ ion irradiation transmission electron microscope (I&#179;TEM) is designed to explore these principles.
To quantitatively probe the complex dynamic interactions in materials, careful preparation of samples and consideration of experimental design is required. Particular handling or preparation of samples can easily introduce damage or features that obfuscate the measurements. There is no one correct way to prepare a sample; however, many mistakes can be made. The most common errors and things to consider are highlighted within. The I&#179;TEM has many adjustable variables and a large potential experimental space, therefore it is best to design experiments with a specific scientific question or questions in mind.
Experiments have been performed on large number of sample geometries, material classes, and with many irradiation conditions. The following are a subset of examples that demonstrate unique in situ capabilities utilizing the I3TEM. Au nanoparticles prepared by drop casting have been used to investigate the effects of single ion strikes. Au thin films have been used in studies on the effects of multibeam irradiation on microstructure evolution. Zr films have been exposed to irradiation and mechanical tension to examine creep. Ag nanopillars were subjected to simultaneous high temperature, mechanical compression, and ion irradiation to study irradiation induced creep as well. These results impact fields including: structural materials, nuclear energy, energy storage, catalysis, and microelectronics in space environments.

Sample preparation techniques are outlined with specific considerations for in situ ion irradiation TEM experiments. Ion species, energy, and fluence are discussed with methods for how to select and compute them. Finally, procedures for conducting an experiment are described and accompanied by the representative results.

There is a need to understand materials exposed to overlapping extreme environments such as high temperature, radiation, or mechanical stress. When these ...

Single-Molecule Imaging of Lateral Mobility and Ion Channel Activity in Lipid Bilayers using Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy

High-resolution imaging techniques have shown that many ion channels are not static, but subject to highly dynamic processes, including the transient association of pore-forming and auxiliary subunits, lateral diffusion, and clustering with other proteins. However, the relationship between lateral diffusion and function is poorly understood. To approach this problem, we describe how lateral mobility and activity of individual channels in supported lipid membranes can be monitored and correlated using total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. Membranes are fabricated on an ultrathin hydrogel substrate using the droplet interface bilayer (DIB) technique. Compared to other types of model membranes, these membranes have the advantage of being mechanically robust and suitable for highly sensitive analytical techniques. This protocol measures Ca2+ ion flux through single channels by observing the fluorescence emission of a Ca2+-sensitive dye in close proximity to the membrane. In contrast to classical single-molecule tracking approaches, no fluorescent fusion proteins or labels, which can interfere with lateral movement and function in the membrane, are required. Possible changes in ion flux associated with conformational changes of the protein are only due to protein lateral motion in the membrane. Representative results are shown using the mitochondrial protein translocation channel TOM-CC and the bacterial channel OmpF. In contrast to OmpF, the gating of TOM-CC is very sensitive to molecular confinement and the nature of lateral diffusion. Hence, supported droplet-interface bilayers are a powerful tool to characterize the link between lateral diffusion and the function of ion channels.

Single-Molecule Imaging of Lateral Mobility and Ion Channel Activity in Lipid Bilayers using Total Internal Reflection Fluorescence TIRF Microscopy

This protocol describes how to use TIRF microscopy to track individual ion channels and determine their activity in supported lipid membranes, thereby defining the interplay between lateral membrane movement and channel function. It describes how to prepare the membranes, record the data, and analyze the results.

全反射蛍光(TIRF)顕微鏡を用いた脂質二重膜の横方向移動度とイオンチャネル活性の1分子イメージング(英語)

High-resolution imaging techniques have shown that many ion channels are not static, but subject to highly dynamic processes, including the transient ...

生化学

Examining the Conformational Dynamics of Membrane Proteins in situ with Site-directed Fluorescence Labeling

Two electrode voltage clamp electrophysiology (TEVC) is a powerful tool to investigate the mechanism of ion transport1 for a wide variety of membrane proteins including ion channels2, ion pumps3, and transporters4. Recent developments have combined site-specific fluorophore labeling alongside TEVC to 
concurrently examine the conformational dynamics at specific residues and function of these proteins on the surface of single cells.
We will describe a method to study the conformational dynamics of membrane proteins by simultaneously monitoring fluorescence and current changes using voltage-clamp fluorometry. This approach can be used to examine the molecular motion of membrane proteins site-specifically following cysteine replacement and site-directed fluorophore labeling5,6. Furthermore, this method provides an approach to determine distance constraints between specific residues7,8. 
This is achieved by selectively attaching donor and acceptor fluorophores to two mutated cysteine residues of interest.
In brief, these experiments are performed following functional expression of the desired protein on the surface of Xenopus leavis oocytes. The large surface area of these oocytes enables facile functional measurements and a robust fluorescence signal5. It is also possible to readily change the extracellular conditions such as pH, ligand or cations/anions, which can provide further information on the mechanism of membrane proteins4. Finally, recent developments 
have also enabled the manipulation of select internal ions following co-expression with a second protein9.
Our protocol is described in multiple parts. First, cysteine scanning mutagenesis proceeded by fluorophore labeling is completed at residues located at the interface of the transmembrane and extracellular domains. Subsequent experiments are designed to identify residues which demonstrate large changes in fluorescence intensity (&lt;5%)3 upon a conformational change of the protein. Second, these changes in fluorescence intensity are compared to the kinetic parameters of 
the membrane protein in order to correlate the conformational dynamics to the function of the protein10. This enables a rigorous biophysical analysis of the molecular motion of the target protein. Lastly, two residues of the holoenzyme can be labeled with a donor and acceptor fluorophore in order to determine distance constraints using donor photodestruction methods. It is also possible to monitor the relative movement of protein subunits following labeling with a donor and acceptor fluorophore.

Examining the Conformational Dynamics of Membrane Proteins in situ with Site-directed Fluorescence Labeling

We will describe a method which measures the kinetics of ion transport of membrane proteins alongside site-specific analysis of conformational changes using fluorescence on single cells. This technique is adaptable to ion channels, transporters and ion pumps and can be utilized to determine distance constraints between protein subunits.

膜タンパク質の構造動力学を調べるその場で部位特異的蛍光標識を持つ

Two electrode voltage clamp electrophysiology (TEVC) is a powerful tool to investigate the mechanism of ion transport1 for a wide variety of membrane ...

生物学

Imaging Plasma Membrane Deformations With pTIRFM

To gain novel insights into the dynamics of exocytosis, our group focuses on the changes in lipid bilayer shape that must be precisely regulated during the fusion of vesicle and plasma membranes. These rapid and localized changes are achieved by dynamic interactions between lipids and specialized proteins that control membrane curvature. The absence of such interactions would not only have devastating consequences for vesicle fusion, but a host of other cellular functions that involve control of membrane shape. In recent years, the identity of a number of proteins with membrane-shaping properties has been determined. What remains missing is a roadmap of when, where, and how they act as fusion and content release progress.
Our understanding of the molecular events that enable membrane remodeling has historically been limited by a lack of analytical methods that are sensitive to membrane curvature or have the temporal resolution to track rapid changes. PTIRFM satisfies both of these criteria. We discuss how pTIRFM is implemented to visualize and interpret rapid, submicron changes in the orientation of chromaffin cell membranes during dense core vesicle (DCV) fusion. The chromaffin cells we use are isolated from bovine adrenal glands. The membrane is stained with a lipophilic carbocyanine dye,1,1&#39;-dioctadecyl-3,3,3&#39;,3&#39;-tetramethylindodicarbocyanine, 4-chlorobenzenesulfonate, or&#160;diD. DiD intercalates in the membrane plane with a &#34;fixed&#34; orientation and is therefore sensitive to the polarization of the evanescent field. The diD-stained cell membrane is sequentially excited with orthogonal polarizations of a 561&#160;nm laser (p-pol, s-pol). A 488&#160;nm laser is used to visualize vesicle constituents and time the moment of fusion. Exocytosis is triggered by locally perfusing cells with a depolarizing KCl solution. Analysis is performed offline using custom-written software to understand how diD emission intensity changes relate to fusion pore dilation.

Polarization-based Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy (pTIRFM) enables real-time detection of cell membrane dynamics. This article describes the implementation of pTIRFM for the study of membrane remodeling during regulated exocytosis. The technique is generalizable to other processes in cell biology that directly or indirectly involve changes in membrane shape.

pTIRFMによる画像形成細胞膜変形は

To gain novel insights into the dynamics of exocytosis, our group focuses on the changes in lipid bilayer shape that must be precisely regulated during ...

Fluorescence Imaging with One-nanometer Accuracy (FIONA)

Fluorescence imaging with one-nanometer accuracy (FIONA) is a simple but useful technique for localizing single fluorophores with nanometer precision in the x-y plane. Here a summary of the FIONA technique is reported and examples of research that have been performed using FIONA are briefly described. First, how to set up the required equipment for FIONA experiments, i.e., a total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM), with details on aligning the optics, is described. Then how to carry out a simple FIONA experiment on localizing immobilized Cy3-DNA single molecules using appropriate protocols, followed by the use of FIONA to measure the 36 nm step size of a single truncated myosin Va motor labeled with a quantum dot, is illustrated. Lastly, recent effort to extend the application of FIONA to thick samples is reported. It is shown that, using a water immersion objective and quantum dots soaked deep in sol-gels and rabbit eye corneas (&#62;200 &#181;m), localization precision of 2-3 nm can be achieved.

Fluorescence Imaging with One-nanometer Accuracy FIONA

Single fluorophores can be localized with nanometer precision using FIONA. Here a summary of the FIONA technique is reported, and how to carry out FIONA experiments is described.

ワンナノメートルの精度で蛍光イメージング（FIONA）

Fluorescence imaging with one-nanometer accuracy (FIONA) is a simple but useful technique for localizing single fluorophores with nanometer precision in ...

F⁻ 310 Nm 剥離によって示されている陰イオンの光電子イメージング

要約

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この動画の章

迅速なIII-Vヘテロ特徴付けのための電子チャネリングコントラストイメージング

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオントラップ

実験的プロトコルフェムト秒近赤外/紫外-自由電子レーザーによる XUV ポンプ・プローブ実験

光応答性液晶の構造ダイナミクスを観察する手法

平面支持された二分子層上の単一分子蛍光顕微鏡

Sample Preparation and Experimental Design for In Situ Multi-Beam Transmission Electron Microscopy Irradiation Experiments

全反射蛍光(TIRF)顕微鏡を用いた脂質二重膜の横方向移動度とイオンチャネル活性の1分子イメージング(英語)

膜タンパク質の構造動力学を調べるその場で部位特異的蛍光標識を持つ

pTIRFMによる画像形成細胞膜変形は

ワンナノメートルの精度で蛍光イメージング（FIONA）

F− 310 Nm 剥離によって示されている陰イオンの光電子イメージング

要約

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迅速なIII-Vヘテロ特徴付けのための電子チャネリングコントラストイメージング

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

実験的プロトコル フェムト秒近赤外/紫外-自由電子レーザーによる XUV ポンプ ・ プローブ実験

光応答性液晶の構造ダイナミクスを観察する手法

平面支持された二分子層​​上の単一分子蛍光顕微鏡

Sample Preparation and Experimental Design for In Situ Multi-Beam Transmission Electron Microscopy Irradiation Experiments

全反射蛍光(TIRF)顕微鏡を用いた脂質二重膜の横方向移動度とイオンチャネル活性の1分子イメージング(英語)

膜タンパク質の構造動力学を調べるその場で部位特異的蛍光標識を持つ

pTIRFMによる画像形成細胞膜変形は

ワンナノメートルの精度で蛍光イメージング（FIONA）

F⁻ 310 Nm 剥離によって示されている陰イオンの光電子イメージング

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオントラップ

実験的プロトコルフェムト秒近赤外/紫外-自由電子レーザーによる XUV ポンプ・プローブ実験

平面支持された二分子層上の単一分子蛍光顕微鏡