Laser Driven Neutron Sources: Characteristics, Applications and Prospects

The basics of laser driven neutron sources, properties and possible applications are discussed. We describe the laser driven nuclear processes which trigger neutron generation, namely, nuclear reactions induced by laser driven ion beam (ion n), thermonuclear fusion by implosion and photo-induced nuclear (gamma n) reactions. Based on their main properties, i.e. point source (<100 μm) and short durations (< ns), different applications are described, such as radiography, time-resolved spectroscopy and pump-probe experiments. Prospects on the development of laser technology suggest that, as higher intensities and higher repetition rate lasers become available (for example, using DPSSL technology), laser driven methodologies may provide neutron fluxes comparable to that achieved by accelerator driven neutron sources in the near future.

Non-destructive optical characterization of fruits in the red and near infrared.

Increasing attention is being paid to the possible development of non-invasive tests for the assessment of the quality of Fruits. We propose a novel non-destructive method for the measurement of the internal optical properties of fruits and vegetables by means of lime-resolved reflectance spectroscopy in the visible and NIR range. A Fully automated instrumentation for time-resolved reflectance measurements was developed. It is based on mode-locked laser sources and electronics for time-correlated single photon counting, and provides a time-resolution of 120-160 ps. The system was used to probe the optical properties of several species and varieties of Fruits and vegetables in the red and NIR range (650-1000 nm). In most Fruits, the absorption line shape is dominated by the absorption peak of water, centred around 970 nm. Generally, the absorption spectra also show the spectral features typical of chlorophyll, with maximum at 675 nm. In particular, for what concerns apples, variations in peak intensity are observed depending on the variety, the degree of ripeness as well as the position on the apple. For all the species and varieties considered, the transport scattering coefficient decreases progressively upon increasing the wavelength.

Detection of internal quality in kiwi with a new optical technique (TDRS)

A compact system based on time-resolved diffuse reflectance spectroscopy (TDRS) has been developed to measure internal fruit quality parameters and has been applied to the non-destructive estimation of firmness, sugar content and acidity of kiwifruits. This new optical technique, developed in medical applications and related areas, provides a complete optical characterisation of a diffusive sample as it estimates at the same time and independently the light absorption inside the tissues and the scattering across them. The working principle of the technique is the analysis of the attenuation and broadening of the time-distribution of the remitted light, and the correct interpretation with a proper theoretical model. This main advantage compared to conventional optical techniques (which are only able to register the global attenuation spectrum) added to the compact, portable prototype developed along a three-year work opens the possibilities of this new measurement method in the food industry.

trans/cis (Z/E) photoisomerization of the chromophore of photoactive yellow protein is not a prerequisite for the initiation of the photocycle of this photoreceptor protein

The chromophore of photoactive yellow protein (PYP) (i.e., 4-hydroxycinnamic acid) has been replaced by an analogue with a triple bond, rather than a double bond (by using 4-hydroxyphenylpropiolic acid in the reconstitution, yielding hybrid I) and by a “locked” chromophore (through reconstitution with 7-hydroxycoumarin-3-carboxylic acid, in which a covalent bridge is present across the vinyl bond, resulting in hybrid II). These hybrids absorb maximally at 464 and 443 nm, respectively, which indicates that in both hybrids the deprotonated chromophore does fit into the chromophore-binding pocket. Because the triple bond cannot undergo cis/trans (or E/Z) photoisomerization and because of the presence of the lock across the vinyl double bond in hybrid II, it was predicted that these two hybrids would not be able to photocycle. Surprisingly, both are able. We have demonstrated this ability by making use of transient absorption, low-temperature absorption, and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. Both hybrids, upon photoexcitation, display authentic photocycle signals in terms of a red-shifted intermediate; hybrid I, in addition, goes through a blue-shifted-like intermediate state, with very slow kinetics. We interpret these results as further evidence that rotation of the carbonyl group of the thioester-linked chromophore of PYP, proposed in a previous FTIR study and visualized in recent time-resolved x-ray diffraction experiments, is of critical importance for photoactivation of PYP.

NMR of laser-polarized xenon in human blood

By means of optical pumping with laser light it is possible to enhance the nuclear spin polarization of gaseous xenon by four to five orders of magnitude. The enhanced polarization has allowed advances in nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and magnetic resonance imaging (MRI), including polarization transfer to molecules and imaging of lungs and other void spaces. A critical issue for such applications is the delivery of xenon to the sample while maintaining the polarization. Described herein is an efficient method for the introduction of laser-polarized xenon into systems of biological and medical interest for the purpose of obtaining highly enhanced NMR/MRI signals. Using this method, we have made the first observation of the time-resolved process of xenon penetrating the red blood cells in fresh human blood—the xenon residence time constant in the red blood cells was measured to be 20.4 ± 2 ms. The potential of certain biologically compatible solvents for delivery of laser-polarized xenon to tissues for NMR/MRI is discussed in light of their respective relaxation and partitioning properties.

Lifetimes of intermediates in the β-sheet to α-helix transition of β-lactoglobulin by using a diffusional IR mixer

The extremely slow α-helix/β-sheet transition of proteins is a crucial step in amylogenic diseases and represents an internal rearrangement of local contacts in an already folded protein. These internal structural rearrangements within an already folded protein are a critical aspect of biological action and are a product of conformational flow along unknown metastable local minima of the energy landscape of the compact protein. We use a diffusional IR mixer with time-resolved Fourier transform IR spectroscopy capable of 400-μs time resolution to show that the trifluoroethanol driven β-sheet to α-helix transition of β-lactoglobulin proceeds via a compact β-sheet intermediate with a lifetime of 7 ms, small compared with the overall folding time of β-lactoglobulin.

Photo-induced inactivation of viruses: adsorption of methylene blue, thionine, and thiopyronine on Qbeta bacteriophage.

The adsorption of cationic organic dyes (methylene blue, thionine, and thiopyronine) on Qbeta bacteriophage was studied by UV-visible and fluorescence spectroscopy. The dyes have shown a strong affinity to the virus and some have been used as sensitizers for photo-induced inactivation of virus. In the methylene blue concentration range of 0.1-5 microM and at high ratios of dye to virus (greater than 1000 dye molecules per virion), the dyes bind as aggregates on the virus. Aggregation lowers the efficiency of photoinactivation because of self-quenching of the dye. At lower ratios of dye to virus (lower than 500 dye molecules per virion), the dye binds to the virus as a monomer. Fluorescence polarization and time-resolved studies of the fluorescence support the conclusions based on fluorescence quenching. Increasing the ionic strength (adding NaCl) dissociates bound dye aggregates on the virus and releases monomeric dye into the bulk solution.

Conformational transitions monitored for single molecules in solution.

Phenomena that can be observed for a large number of molecules may not be understood if it is not possible to observe the events on the single-molecule level. We measured the fluorescence lifetimes of individual tetramethylrhodamine molecules, linked to an 18-mer deoxyribonucleotide sequence specific for M13 DNA, by time-resolved, single-photon counting in a confocal fluorescence microscope during Brownian motion in solution. When many molecules were observed, a biexponential fluorescence decay was observed with equal amplitudes. However, on the single-molecule level, the fraction of one of the amplitudes spanned from 0 to unity for a collection of single-molecule detections. Further analysis by fluorescence correlation spectroscopy made on many molecules revealed a process that obeys a stretched exponential relaxation law. These facts, combined with previous evidence of the quenching effect of guanosine on rhodamines, indicate that the tetramethylrhodamine molecule senses conformational transitions as it associates and dissociates to a guanosine-rich area. Thus, our results reveal conformational transitions in a single molecule in solution under conditions that are relevant for biological processes.

Optical control of the spin state of two Mn atoms in a quantum dot

We report on the optical spectroscopy of the spin of two magnetic atoms (Mn) embedded in an individual quantum dot interacting with a single electron, a single exciton, or a single trion. As a result of their interaction to a common entity, the Mn spins become correlated. The dynamics of this process is probed by time-resolved spectroscopy, which permits us to determine an optical orientation time in the range of a few tens of nanoseconds. In addition, we show that the energy of the collective spin states of the two Mn atoms can be tuned through the optical Stark effect induced by a resonant laser field.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.