中红外光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超快时间分辨中红外光谱测量领域，尤其是涉及一种中红外光谱仪。
【背景技术】
[0002]蛋白质科学是21世纪人类科学发展最快也是最热门的科学。红外光谱技术由于其包含有大量的物质结构信息，已经被广泛的应用于蛋白质科学研宄。目前，采用红外光谱技术研宄蛋白质的结构变化主要有两个领域:蛋白质的稳态结构变化及蛋白质的动态结构变化。红外光谱技术研宄蛋白质的稳态结构变化主要依赖于傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)。它可以给出蛋白质的基本结构信息，但无法给出蛋白质的动态结构信息。
[0003]为了研宄蛋白质的动态结构变化，人们发展了反应-停留法，脉冲升温法和激光诱导化学反应的方法用于引发蛋白质的结构变化。反应-停留法具有至少微秒量级的死时间，很难达到纳秒量级的时间分辨。而激光诱导化学反应的方法，需要在蛋白溶液中加入用于激光激发的物质，对蛋白质有一定损伤。而激光脉冲升温法因为只加热蛋白质溶液而对蛋白质几乎没有损伤，成为了诱导蛋白质变化的较具优势的方法。受限于激光技术，当前快速升温时间分辨红外光谱技术，多采用调Q NdiYAG激光器输出的1064nm激光经过高压氢气池产生1900nm的激光的方法来产生重水升温的脉冲源。这种方法由于需要经过一个拉曼频移的非线性过程，导致所产生的1900nm的激光，光斑质量比较差，且空间抖动非常大，系统的长期工作稳定性也较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在提供一种可以利用脉冲升温实现纳秒时间分辨的中红外光谱仪，可以实现高精度的蛋白质二级结构动态变化的测量。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明提供了一种中红外光谱仪，用于测量蛋白质的动态结构变化，该中红外光谱仪包括:宽频可调谐一氧化碳激光器，用于向待测蛋白质溶液发出中红外探测激光；纳秒调Q钬激光器，用于发出泵浦激光以加热待测蛋白质溶液；泵浦探测光路系统，用于探测透过待测蛋白质溶液后的中红外探测激光的强度；以及数据采集系统，用来采集来自泵浦探测光路系统所探测的强度的数据；纳秒调Q钬激光器发出的泵浦激光形成在样品池上的光斑直径为2mm。
[0006]进一步地，泵浦探测光路系统包括依次设置的光路部分、探测器、放大器和滤波器。
[0007]进一步地，探测器为液氮制冷型高速碲镉汞探测器；放大器为DC-lOOMHz放大器。
[0008]进一步地，宽频可调谐一氧化碳激光器的输出波长为5.2 μπι?6.2 μπι。
[0009]进一步地，调Q钬激光器的输出脉宽为50ns，输出波长为2080nm。
[0010]进一步地，该中红外光谱仪还包括用于放置待测蛋白质溶液的样品池，样品池具有用于放置参比样重水的第一区域和用于放置含待测蛋白质溶液的重水溶液的第二区域。
[0011]进一步地，样品池为旋转式结构，并通过其旋转使得第一区域和第二区域均能接收到宽频可调谐一氧化碳激光器发出的中红外探测激光和纳秒调Q钬激光器发出的泵浦激光。
[0012]宽频可调谐一氧化碳激光器发出的中红外探测激光形成在样品池上的光斑直径为 0.4mmο
[0013]进一步地，数据采集系统包括8位高速采集卡，最小分辨为0.36mV。
[0014]进一步地，数据采集系统设置成以纳秒到秒时间量级的降采样模式采集数据。
[0015]本发明的有益效果:采用本发明提供的纳秒脉冲升温时间分辨中红外光谱仪，可以准确测量蛋白质动态结构变化的瞬态红外光谱数据和蛋白质动态结构变化的动力学信息，其红外光谱数据精度可以达到1X10_40D。其中，采用高稳定性低温流动式宽频可调谐一氧化碳激光器作为探测光探测蛋白质的二级结构信息，可以实现宽的中红外光谱测量，完全覆盖蛋白质二级结构酰胺I ’的吸收。采用纳秒短脉冲调Q钬激光器，可以作为泵浦激光直接对含有蛋白质的重水溶液进行纳秒时间的升温，具有对重水溶液加热的纵向均匀、横向均匀以及长时间的稳定加热等优点。采用泵浦探测光路系统实现对样品的泵浦探测过程，具有操作方便且系统稳定，有效减少了杂散光等优势。采用数据采集系统实现纳秒时间到秒时间的高速数据采集。
[0016]根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0017]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:
[0018]图1为本发明实施例中所采用的纳秒脉冲升温时间分辨中红外光谱仪的结构框图；
[0019]图2为本发明本发明实施例中所采用的高稳定性低温流动式宽频可调谐一氧化碳激光器的结构示意图；
[0020]图3为本发明典型实施例的纳秒短脉冲调Q钬激光器的光学腔的结构示意图；
[0021]图4为本发明实施例中采用降采样的方式数据采集的长时间结果示意图；
[0022]图5为本发明实施例中瞬间升温时重水溶液在1645CHT1处的吸光度动态变化曲线示意图；
[0023]图6为本发明实施例中瞬间升温时重水溶液和含细胞色素C蛋白重水溶液在1645CHT1处的吸光度动态变化曲线图；
[0024]图7为本发明实施例中重水溶液在1645CHT1处的吸光度的动态精度示意图；
[0025]图8为本发明实施例中瞬间升温时细胞色素C蛋白在1645CHT1处的吸光度动态变化示意图；以及
[0026]图9为本发明实施例中瞬间升温2微秒之后的细胞色素C的瞬态光谱示意图。
【具体实施方式】
[0027]如图1所示，本发明提供的利用脉冲升温可以实现纳秒时间分辨的中红外光谱仪主要包括宽频可调谐一氧化碳激光器10、纳秒短脉冲调Q钬激光器20、泵浦探测光路系统和数据采集系统40。本发明的中红外光谱仪可以准确测量蛋白质动态结构变化的瞬态红外光谱数据和蛋白质动态结构变化的动力学信息，其红外光谱数据精度可以达到1X10_40D。
[0028]下面分别对中红外光谱仪的各个组成部分进行详细介绍:
[0029]高稳定性低温流动式宽频可调谐一氧化碳激光器10用于向待测蛋白质发出中红外探测激光，以探测待测蛋白质的二级结构信息，可以实现宽的中红外光谱测量，完全覆盖蛋白质二级结构的吸收。具体地，该宽频可调谐一氧化碳激光器10采用液氮冷却的含有固定配比的氦气、氮气、一氧化碳和氧气的混合气体作为激光介质，气体的配比根据所需波长范围的不同进行调节。如图2所示，工作时，经由电子流量计混合好的气体进入石英管通道。石英管通道连接石英螺旋管的一端为气体输入端，另一端为连接有真空泵的出气端。由电子阀控和真空泵(图中未显示)来实现气体的稳定流动，工作时气压约为26.5ton.。工作气体由液氮进行冷却。
[0030]在探测蛋白结构变化方面，可以直接用于探测蛋白二级结构的红外激光器，主要有铅盐激光器和一氧化碳(CO)激光器及最近新出的量子级联激光器。相对于铅盐激光器和量子级联激光器而言，一氧化碳(CO)激光器10具有宽光谱输出，可以完全覆盖蛋白质的二级结构酰胺I’带的红外指征的优点。
[0031]图2为高稳定性低温流动式宽频可调谐一氧化碳激光器的基本结构。该宽频可调谐一氧化碳激光器10采用双向高压电泵浦作为激光的激励方式。高压电泵浦的具体结构为:激光腔两端是阳极，两个阳极共用中间的阴极。阴阳极之间的电压约为7KV。激光腔的一端为r = 5m的镀金凹面镜，一端为电动控制转动光栅。光栅结合垂直于光栅表面放置的镀金平面镜及相应的光路设计可以实现在光栅转动过程中，输出激光的波长变化但输出激光的方向不发生变化。R= 5m的凹面金镜端镜，用于对红外光进行全反射。该凹面金镜装在一个可以电动微调的镜架上，以便于对激光的光腔进行微调。
[0032]该激光器巧妙地采用了光栅作为激光器的输出镜。光栅的I级光返回到激光腔，O级光输出，输出效率约为10%。为了使输出光的方向不发生变化，在光学上进行了一些设计:将光栅与一片平面金镜垂直放置，并将二者固定在同一个转台上。光栅与平面金镜同时进行转动。光栅的转动所引起的光的方向的偏折由与其一起转动的平面金镜补偿回来，从而保证了光的出射方向不会发生变化。在本发明的一个实施例中，采用可以进行温控的瑛钢管来保证激光器腔长的稳定。激光器的配气系统，光栅控制及高压控制都由Iabview程序控制电子学元件实现。
[0033]采用本发明的高稳定性低温流动式宽频可调谐一氧化碳激光器10，具有如下性能:1)在1580cm_1~ 19800^1范围内输出能量大于1mw ；2)波长间隔约为4cm ；3)短时间的稳定性为千分之一，说明可调谐一氧化碳激光器10的激光输出比较稳定；4)长时间的抖动< 20 %，说明其工作气流及电压的长期稳定。
[0034]纳秒短脉冲调Q钬激光器20可以作为泵浦光对含有蛋白质的重水溶液进行纳秒时间的升温，具有对重水溶液加热的纵向和横向均匀以及长时间的稳定加热等优点，可以直接对重水进行脉冲升温。图3为纳秒短脉冲调Q Ho激光器20光学腔的结构图。激光腔米用平平腔结构，一端为全反镜21，一端为输出效率为20%的输出親合镜22。纳秒短脉冲调Q钬激光器采用掺杂有1.5% Cr，5.8% Tm，0.35% Ho元素的Cr，Tm，Ho: YAG晶体作为激光晶体23，闪光灯24作为泵浦源。电光调Q晶体为！La3Ga5S114 (LGS)晶体25，采用退压式调Q工作模式。起偏器为布儒斯特角放置的一对氧化铝(Al2O3)晶体26，用λ/4石英波片27来调制热退偏效应。闪光灯电源以及调Q晶体采用的电源(二者图中均无示出)均来源于商业采购。激光晶体的水冷由控温精度为0.1度的大功率水冷机(图中未示出)实现，工作时水冷机水