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Haarspalterei hoch minus zwei
Ultrakurzzeit-Spektroskopie gibt Einblick in chemische Elementarprozesse

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Eberhard Riedle ist Teil des Lehrstuhls für BioMolekulare Optik (BMO) in der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München. Der Lehrstuhl beschäftigt sich mit grundlegenden physikalischen Fragen der Biologie und der Chemie. Die Schwerpunkte liegen dabei in der theoretischen und experimentellen Biophysik, der Molekülphysik sowie der Ultrakurzzeit-Spektroskopie.
www.bmo.physik.uni-muenchen.de

Biomoleküle sind die Bausteine unseres Lebens. Ihre tiefer gehende Erforschung könnte das Verständnis und letztlich auch die Therapie von Krankheiten ermöglichen wie z. B. Alzheimer, Parkinson oder Creutzfeld-Jacob, allesamt Erkrankungen, die auf eine fehlerhafte Faltung von Proteinen zurück zu führen sind. Ein weiterer Traum ist die Nutzung elektrischer Eigenschaften von künstlich geschaffenen Biomolekülen, um Leiter, Transistoren und Schalter herzustellen – eine Art Plastik-Elektronik. Doch auch davon ist die Technik noch weit entfernt. Zunächst gilt es, chemische und physikalische Zusammenhänge zu erkennen, also eine solide Grundlagenforschung zu betreiben.

Analyse der Laserimpulse. Christian Homann, BMO (vorn), Klaus Thalheimer, Yokogawa (Mitte) und Andreas C. Böck, BMO, bei der Einstellung des DL9040.

Spektroskopie mit höchster zeitlicher Auflösung

Ein Verfahren zur Untersuchung der Dynamik von Biomolekülen ist die Ultrakurzzeit-Spektroskopie. Das Prinzip ist einfach: Ein erster Laserimpuls regt das Molekül an, ein zweiter, zeitlich versetzter Laserimpuls erfasst die Reaktion. Wenn der erste Impuls z. B. ein Proton innerhalb des Moleküls umgelagert oder die Form des Moleküls verändert hat, zeigt sich das in der Änderung seiner Transmissionseigenschaften. Der Clou: Durch mehrmalige Messung mit unterschiedlichem Zeitversatz erhält man eine zeitliche Auflösung des Geschehens.

Da die Vorgänge im Molekül sehr schnell ablaufen, müssen die Lichtimpulse entsprechend kurz sein. Im Labor der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Eberhard Riedle am Lehrstuhl für BioMolekulare Optik (BMO) der Ludwig-Maximilians-Universität München arbeitet man mit Impulsen von weniger als 20 Femtosekunden (fs). Eine Femtosekunde hat 10^-15 Sekunden – eine Größenordnung, die sich erst langsam unserer Vorstellungskraft erschließt. Ein Vergleich mag hier helfen: In einer Sekunde legt Licht 300 000 km zurück. Das entspricht fast der Entfernung zwischen Erde und Mond. In einer Femtosekunde bringt es das Licht gerade mal 0,3 μm weit. Das entspricht etwa dem Hundertstel der Dicke eines menschlichen Haars.

Impulsdauer und spektrale Breite – die Fourierbeziehung

Titan-Saphir-Laser (Ti:Sa) eignen sich generell als Impulsquelle. Die in der Arbeitsgruppe Riedle verwendeten Systeme liefern Impulse mit einer Wellenlänge von ca. 800 nm (rotes Licht) und einer Dauer von 150 fs bei einer Wiederholrate von 1 kHz. Diese Impulse gilt es jetzt zu formen. Doch dabei stößt man rasch an theoretische Grenzen. Räumlich gesehen passen nur wenige Wellenzüge des roten Lichts in einen 20-fs-Impuls. Zeitlich gesehen gilt die bekannte Fourierbeziehung:
Je kürzer der Impuls, umso breiter sein Frequenzspektrum. Um die Impulse des Ti:Sa-Lasers zu verkürzen, muss man also ihr Spektrum verbreitern und möglichst auch
ihre Wellenlänge verkürzen.

Diese Transformation erreicht das BMO-Team durch nichtlineare Optik in einem so genannten NOPA – Noncollinear Optical Parametric Amplifier. In einem Saphirkristall wird aus dem quasi-monochromatischen Laserlicht ein Wellenlängenkontinuum (Weißlicht) im Bereich von 400 bis 1000 nm erzeugt. Aus diesem lassen sich dann durch geschicktes Rückkoppeln und Mischen mit Hilfe weiterer nichtlinearer Prozesse frei wählbare Wellenlängenbereiche verstärken.

Die Impulse selbst werden bei dieser Prozedur zeitlich nicht verkürzt, sondern spektral verbreitert. Deshalb folgt jetzt die eigentliche Impulsformung. Eine geschickte Anordnung von Prismen verzögert die einzelnen Spektralanteile unterschiedlich, und zwar so, dass ihre Phasen exakt korrelieren. Der Impuls wird dadurch zeitlich auf wenige Femtosekunden „zusammen geschoben“.

Analyse der Laserimpulse mit dem DL9040. Oben die Pulsfolge von 1kHz. In der Mitte ein Impuls im Zoom. Der Kurvenverlauf gibt nicht etwa die eigentliche Impulsform wieder, sondern die Reaktion des Photodetektors, die um Größenordnungen langsamer ist, aber der Impulsintensität entspricht. Unten rechts als Liste die Maximalwerte, angezeigt in mV, sowie die jeweilige Integration über den Zoom-Bereich, angezeigt in μVs. Diese Werte entsprechen der Impulsintensität. Unten links die Häufigkeitsverteilung der Impulsintensität als Histogramm. In der Spalte ganz rechts die Berechnung der Mittelwerte und Standardabweichungen. Alle Werte werden online aufgefrischt und ermöglichen deshalb einen Abgleich des Versuchsaufbaus bei laufendem Betrieb.

Analyse der Impulse

Die ursprüngliche Pulsfrequenz von 1 kHz bleibt bei der Transformation der Impulse erhalten. Was sich jedoch ungünstig verstärken kann, ist das Amplituden- und Phasenrauschen des Lasers. Zwar wird bei den Versuchen an Biomolekülen immer der Strahl in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl geteilt, um das Ergebnis zu normieren. Dennoch muss die Impulsintensität weitgehend konstant sein, weil sich sonst der Prüfling unterschiedlich verhält.

Das BMO prüft deshalb die Impulse mit einem Digitalen Speicheroszilloskop. Den Ausschlag für das DL9040 von Yokogawa gaben die Mathematik- und Statistik-Funktionen. Das DL9040 berechnet online die aktuellen Werte, was den Abgleich und die Optimierung des Versuchsaufbaus überhaupt erst ermöglicht.

Logikanalyse mit DL9000

Symbolisches Display im Bundle-Mode erleichtert die Evaluierung von Bussystemen

Mit der neuen Firmware-Version 4.05 für die Mixed-Signal-Oszilloskope der Serie DL9000 hat Yokogawa ein weiteres Feature implementiert, das vielen Anwendern die Arbeit wesentlich erleichtern wird. Es bietet die Möglichkeit, die Dateninhalte von Logikkanälen nach eigenen Definitionen symbolisch darzustellen. Besonders hilfreich ist dies beispielsweise für die Evaluierung und Verifikation paralleler Bussysteme.

Nach Zuweisung der interessierenden Logikkanäle zu einer beliebigen Gruppe lässt sich für jede Logik-Gruppe im Bundle-Mode das symbolische Display aktivieren. Selbstverständlich ist es möglich, einzelne Zuordnungen zwischen Inhalten und Symbolen im Betrieb zu de-selektieren und damit eine gemischte Darstellung zu erhalten. Außerdem lässt sich parallel über eine zusätzliche Gruppenzuordnung die Timing-Darstellung derselben Logikkanäle aktivieren.

Der Anwender erhält damit sowohl die Information über den Dateninhalt als auch über den Zeitverlauf. Die Symbole kann er übrigens auch dazu verwenden, um eine Bedingung in der State-Darstellung zu formulieren.