異方性テラヘルツ顕微分光法

異方性テラヘルツ顕微分光法は、回転偏光テラヘルツ電場を用いて、異方性材料における分子振動の空間配向依存性を測定します

異方性テラヘルツ顕微分光法（ATM ）は、異方性材料中の分子振動を、材料表面と平行に直線偏光したテラヘルツ波の短パルスを用いて調べる分光技術です。この技術は、分子振動の空間配向が重要な 単結晶スクロース、フルクトース、シュウ酸、および分子タンパク質結晶に関する研究で実証されています。

説明

伝播する光線の電場が伝播方向に対して垂直な方向に振動する場合、それは偏光横波と呼ばれます。横断面において特定の角度に制限された電場を持つ光は直線偏光と呼ばれます。直線偏光が等方性材料（すべての空間方向で同じ物理的特性を示す材料）を透過する場合、材料によって吸収される光量は、偏光のすべての角度で測定したときに同じです。結果として得られる吸光度スペクトルは、偏光角の関数として特徴がありません

異方性を持つ物質は、空間方向によって吸光度、屈折率、導電率などの物理的特性が異なります。そのため、直線偏光を異方性物質に透過させ、異なる偏光角で測定すると、光の吸収は偏光角によって異なります。結果として得られる吸光度スペクトルは、物質の異方性の度合いに応じて、様々な吸光度を示します。

偏光 THz 光ビームが異方性材料を透過すると、得られる吸光スペクトルは、材料の異方性に対応するさまざまな程度の吸光度を示します。特定の THz 偏光角で THz スペクトル全体のさまざまな周波数 (約 0.3 THz から 3 THz の間) で測定を行うと、得られる吸光スペクトルも周波数によって異なる場合があります。これは、材料内の分子の振動モードが異なる周波数で光を吸収するために発生します。たとえば、タンパク質分子では、これらの振動モードの多くがテラヘルツ周波数の範囲内で振動します。材料内の分子が同じ方向に配置されている場合、異方性テラヘルツ顕微分光法 (ATM) を使用して、分子の内部振動特性を特定できます。この分子配列は、スクロース、フルクトース、シュウ酸の単結晶や、タンパク質結晶などの他の分子結晶に見られます。

技術

これまで、ATM技術では、室温で動作する強力なTHz光源と高感度THz検出器が歴史的に不足していたため、 THz時間領域分光法（THz-TDS）が利用されてきました。多くの対象サンプルには、THz放射を強く吸収する大量の水が含まれているため、非常に強力なTHz光源が必要になります。この要件は、従来は液体ヘリウム温度まで過冷却を必要とする高感度THz検出器を使用しようとするとさらに悪化します。さらに悪いことに、これらの検出器を過冷却する必要があるため、液体ヘリウムの不足による最近の価格高騰により、世界中の多くの研究者がTHz検出を利用できなくなっています

THz検出のハードルを回避するために、THz-TDSが利用されます。これは、電磁スペクトルの近赤外領域（最も一般的には波長800nm付近）に感度を持つ、一般的に入手可能な赤外線検出器を必要とするためです。この場合、サンプルを通過後のTHz光の変化を検出するために、窒化ガリウム（GaN）、テルル化亜鉛（ZnTe）などの電気光学（EO）結晶が一般的に使用されます。EO結晶を通過する同期赤外線ビームの偏光特性が変化します。この偏光変化は、赤外線ビームの2つの直交する偏光成分の振幅を比較する、 バランス検出器と呼ばれる赤外線検出器によって検出されます。

より広い周波数範囲を提供するより強力な THz 源と、より感度の高い室温 THz 検出器が実現されるまで、THz-TDS は ATM にとって信頼できる技術であり続けます。

ATMで使用されるTHz-TDS技術は、回転サンプルと固定サンプルの2つのカテゴリに分けられます。歴史的には、回転サンプルは、THzビームの焦点でサンプルを回転させ、検出器をサンプルから離れた遠距離場に設置するというものでした。しかし、多くの機械的な理由から、固定サンプル技術が好まれています。固定サンプルATMでは、偏光THzビームをビームの伝播方向に垂直な平面内で360°回転させ、通常は近接場検出方式を採用します。この方式では、サンプルをEO結晶に直接接触させて設置し、その後、THz-TDS構成で赤外線ビームによってEO結晶を分析します。

回転サンプルATM

従来のATM技術では、機械的に回転するサンプルマウントを用いて、直線偏光THzビームの焦点でサンプルを回転させます。このため、構成は通常、バランス型検出器（赤外光に感度を持つ）をサンプルからかなり離れた場所に設置する遠距離場計測器です。テラヘルツ時間領域分光法の構成では、赤外ビームとTHzビームの両方がZnTeやGaPなどの電気光学（EO）結晶を透過します。ここで、赤外ビームはTHzビームによるEO結晶の複屈折の変化を検出します。サンプルがTHzビーム内に置かれると、偏光THzビームが摂動を受け、EO結晶の複屈折の度合いが変化します。この赤外ビームの摂動はバランス型検出器で検知されます

テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）構成を用いた遠距離場異方性テラヘルツ顕微分光法（ATM）システム。図はThe Optics Libraryを使用して作成された。^{[ 1 ]}

回転サンプルATMは、0.1～1cmの大きなサンプルを測定するのに非常に有効です。しかし、例えばタンパク質結晶のように水和チャンバー内で隔離する必要があるサンプルを測定する場合、サンプルを容易に回転させることができません。さらに、回転したサンプルの位置をテラヘルツビームの正確な焦点に維持することは困難です。

機器設計

回転サンプルを使用して設計されたATMは、通常、時間領域分光法を用いた遠距離場測定構成です

通常は高出力赤外線レーザーが使用されます。そのビームはビームスプリッターによってプローブビームとTHz生成ビームの2つの光路に分割されます。

THz 生成ビームは通常、電圧パルス光伝導アンテナによって一般的に生成される THz 光の出力を最大化するために、NIR 出力の大部分を受け取ります。生成された THz 光は超半球状シリコン レンズで集められ、オフ アクシス放物面鏡に渡されます。オフ アクシス放物面鏡は、多くの場合単純なワイヤ グリッドで作られる THz ビームを平行化し、偏光させます。直線偏光された THz ビームは、2 番目のオフ アクシス放物面鏡によってサンプルに焦点を合わせます。サンプルを透過した THz ビームは、再び 3 番目のオフ アクシス放物面鏡で集められ、4 番目の放物面鏡に平行化されます。4 番目の放物面鏡は、ビームを電気光学 (EO) 結晶に焦点を合わせます。EO 結晶の複屈折は、THz ビームの強度によって変化します。

NIRプローブビームはEO結晶を通過し、THzビームによって引き起こされる複屈折の度合いを調べます。その後、検出モジュールに送られます。この検出モジュールは、NIR 1/4波長板、つまりプローブビームの直交偏光状態を空間的に2つの光路に分離するウォラストンプリズムで構成され、これらの光路はバランス型検出器で個別に検出されます。バランス型検出器によって報告される信号は、NIRプローブビームのこれら2つの直交成分の振幅の差を表す指標であり、したがって、サンプルを通過したTHzビームによってEO結晶に引き起こされる複屈折の度合いと直接相関しています。

静止試料ATM

以前は「理想ATM」および「偏光可変ATM」と呼ばれていた^{[ 2 ]}静止試料ATM（SSATM）は、時間領域分光法（TDS）構成において、THzビームの直線偏光状態を、検査対象の物質サンプルと平行に回転させます。SSATM構成では、THzビームの偏光は、ビームの伝搬方向に垂直な面内で360°回転します。サンプルの異方性は、いくつかのTHz偏光角度で測定されます

SSATMのTHz偏光回転を実現するには、少なくとも2つの方法が実証されています。1) THz 1/4波長板（THz-QWP）と赤外線偏光子を併用する方法^{[ 3 ]} と、2) 光伝導アンテナを回転させる方法です^{[ 4 ] 。}

THz-QWPと赤外線偏光子を用いた場合、測定信号の大きさ、ここで、はTHz-TDSシステムにおけるTHz発生と検出パルス間の時間遅延であり、サンプルにおけるTHz光の相対偏光角、および超高速近赤外線（NIR）プローブビームの偏光角、に依存し、関係式^{[ 5 ]}で表されます 。目的は、すべての測定角度、に対してサンプルにおけるTHz電場の等しい大きさを維持することです。これには、すべてのに対しての調整が必要です。 ${\displaystyle {\rm {Sig}}(\tau ,\alpha _{\rm {THz}},\phi _{\rm {NIR}})}$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \alpha _{\rm {THz}}}$ ${\displaystyle \phi _{\rm {NIR}}}$ $${\displaystyle {\rm {Sig}}(\tau ,\alpha _{\rm {THz}},\phi _{\rm {NIR}})\propto \left|\left[\cos(\alpha _{\rm {THz}})\sin(2\phi _{\rm {NIR}})+2\sin(\alpha _{\rm {THz}})\cos(2\phi _{\rm {NIR}})\right]\right|.}$$ ${\displaystyle \alpha _{\rm {THz}}}$ ${\displaystyle \phi _{\rm {NIR}}}$ ${\displaystyle \alpha _{\rm {THz}}}$

テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）構成を用いた遠距離場異方性テラヘルツ顕微分光法（ATM）システム。図はThe Optics Libraryを使用して作成された。^{[ 6 ]}

機器設計

SSATM機器は通常、高出力赤外線レーザービームをビームスプリッターによって2つの光路に分割する時間領域分光構成で設計されています

最初の光路では、生成される THz 光の出力を最大化するために、レーザーの光パワーの大部分を受け取ることがよくあります。THz 光は、多くの場合、電圧パルス光伝導アンテナで生成され、超半球状シリコン レンズで集められ、軸外し放物面鏡を使用してコリメートされ、次に THz 偏光子を通過します。THz 偏光子は、2 つの平面鏡と直角の高抵抗シリコン プリズムで構成される THz 1/4 波長板によって円偏光にされ、円偏光を形成します。2 つ目の THz 偏光子は、円偏光 THz 光がビームの焦点に位置し、ZnTe または GaP のいずれかで作られることが多い電気光学結晶と直接接触して取り付けられたサンプルに到達したら、各測定を行う角度を選択します。

2 番目の光路には、NIR ビームの飛行時間をTHz 光のサンプルでの遅延時間 と一致するように調整する遅延ステージに搭載された反射鏡が含まれます。NIR ビームは直線偏光され、検出に適した周波数でチョップされ、EO 結晶に送られ、サンプルによる THz 吸収の度合いによる複屈折の変化を測定します。NIR ビームはサンプル/EO 結晶インターフェースで反射され、多くの場合 NIR 1/4 波長板、バランス型検出器の 2 つの検出器に向かう光の垂直偏光状態を空間的に選択するウォラストン プリズムで構成される検出モジュールに送られます。検出された信号は、2 つの垂直偏光状態の大きさの差の尺度であり、サンプルによって摂動を受けた THz 光によって EO 結晶に誘起される複屈折の度合いに対応します。 ${\displaystyle \tau }$

THz 1/4波長板

サンプルで等しい電界強度の THz 偏光の完全な 360° 回転を提供する 1 つの戦略は、円偏光状態を生成し、次に THz 偏光子を使用して円偏光ビームから特定の直線偏光状態を選択することです。

円偏光状態は1/4波長板によって生成できますが、一般的な光学波長板は、電磁スペクトルの可視光、近赤外、および中赤外領域向けに設計されているのが一般的です。THz周波数範囲での使用向けに設計された1/4波長板は、直角シリコンプリズムと、入出力用の金属コーティングされた平面ミラーで構成されています。特に、シリコンプリズムは、プリズムの長面における全反射が1回発生するフレネルロムと同様に動作し、測定中に広い周波数掃引を可能にする受動的な広帯域コンポーネントです。

テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）構成を用いた遠距離場異方性テラヘルツ顕微分光法（ATM）システム。図はThe Optics Libraryを使用して作成された。^{[ 7 ]}

利点

ATMが他の関連する顕微分光技術に比べて優れている点としては、サンプルにおけるTHz電場の方向や、水和、極低温冷却、真空などの環境条件に敏感な材料を容易に測定できることなどが挙げられます

サンプルにおけるTHz偏光方向

ATMの重要な特徴は、試料におけるTHz光の偏光電場の向きです。特に、散乱走査近接場光学顕微鏡（s-SNOM）などの他の顕微分光法とは異なり、ATMでは、THz光の偏光電場が試料表面に平行になります。s-SNOMでは、振動する金属プローブ先端の形状により、THz光の偏光は試料表面にほぼ垂直な方向に向けられます。

環境に敏感なサンプル材料

生体は通常、大量の水で構成されています。対象となる異方性材料の多くは生物学的性質を持つため、分光測定中に水和状態を維持する必要があります。最近、水和した試料チャンバー内で材料の特性を測定するための限定的な新技術がいくつか報告されていますが、ATMの主な設計要件は、石英などのテラヘルツ光を透過する窓を通して材料にアクセスできることです。同様に、極低温冷却や低圧真空環境を必要とする試料も、テラヘルツ光を透過する窓材を用いることでATM内で容易に測定できます。

アプリケーション

異方性テラヘルツ顕微分光法（ATM）は、構造生物学やDNAやタンパク質の分子指紋法に応用されています。 ^{[ 8 ]}この技術は、創薬や薄膜固体材料 のTHz周波数特性の研究にも適しています。

タンパク質の分子運動に特に注目しています。タンパク質では、スペクトルのテラヘルツ領域（0.3 THz～3 THz）の周波数で多くの構造変化が起こります。これらの構造変化には、分子の2つの領域が機械的なヒンジやエルボのように曲がる柔軟な分子構造によって互いに接続されるヒンジ運動が含まれます。ATMは直線偏光電場を用いることで、ヒンジ運動が発生する空間方向を測定できるという独自の機能を備えています。

タンパク質ダイナミクス

ATMは、タンパク質中の共鳴分子振動を測定するのに特に適しています。^{[ 9 ]}タンパク質中の分子運動は、スペクトルのテラヘルツ領域（0.3 THz～3 THz）の周波数で発生します。これらの構造変化には、分子の2つの領域が機械的なヒンジやジョイントのように柔軟に接続されるヒンジ運動や、タンパク質分子系内で発生するその他の構造変化 が含まれます

タンパク質分子は通常、水分子に囲まれ、ランダムな方向に配列しています。そのため、結晶構造においてタンパク質分子の配向がすべて同じになるように配列することが一般的です。特に、タンパク質結晶では、すべてのタンパク質分子の双極子が自然に整列しています。これにより、偏光THz光を用いた顕微分光法を用いて、分子内の振動の空間的配向を明らかにすることができます。

参考文献

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