Development of a two-dimensional electronic spectroscopy setup in the ultraviolet

This thesis is focused on the development of a two-dimensional electronic spectroscopy setup in the ultraviolet, for the study of structural conformations of relevant biomolecules. Two-dimensional electronic spectroscopy (2DES) is the "ultimate" time-resolved optical experiment, since it provides the maximum amount of information within third-order nonlinear spectroscopy. By spreading the information content of the nonlinear signal on two frequency axes, 2DES allows to measure homogeneous linewidths, spectral diffusion, couplings and energy transfers between transitions. It has been successfully implemented in the infrared and visible ranges. In the ultraviolet range, where most biomolecules absorb, it is expected to provide important information about the ultrafast dynamics and structural conformations of molecules such as DNA and proteins. However, the extension of 2DES to the ultraviolet is not straightforward, as technical difficulties of this technique become more challenging in this wavelength range. In the first chapter we discuss the propagation of ultrashort pulses in a dispersive medium, and several nonlinear optical generation processes that will be exploited during the development of the setup. In the second chapter pump-probe and two-dimensional spectroscopy are briefly explained, detailing the efforts done up to now to extend the latter technique to the ultraviolet range. After these introductive chapters, we present the developed setup, which is based on the pump-probe technique using excitation with tunable, narrowband pump pulses. This allows us to obtain a set of transient absorption maps resolved as a function of the excitation and detection frequencies, which potentially contains structural information of the sample. The pump pulses are tunable in the 260 - 350 nm ultraviolet range, allowing to excite electronic transitions in the test samples (tryptophan, pyrene), while the probe can be chosen between a visible or ultraviolet white light continuum, covering the whole 260 - 700 nm range. Finally, in the last chapter we show preliminary results of measurements made to test the setup performance. We performed both pump-probe and two-dimensional spectroscopy experiments on pyrene and tryptophan, which demonstrate that the setup works according to expectations.

Questa tesi si è focalizzata sullo sviluppo di un sistema di spettroscopia elettronica bidimensionale nell'ultravioletto, con l'obiettivo di studiare la conformazione strutturale di biomolecole di interesse rilevante. Nell'ambito delle tecniche di spettroscopia nonlineare del terzo ordine, la spettroscopia bidimensionale (2D) è la più avanzata, infatti è in grado di fornire la massima quantità di informazione riguardante il campione. Separando l'informazione proveniente dal segnale non lineare su due assi, la spettroscopia 2D permette di misurare accoppiamenti e trasferimenti di energia tra diverse transizioni elettroniche, seguendone le dinamiche. Questa tecnica è stata implementata con successo sia nel visibile che nell'infrarosso: con la sua estensione nell'ultravioletto, dove gran parte delle biomolecole assorbe la luce, ci si aspetta di ottenere risultati riguardanti le dinamiche ultraveloci e la conformazione strutturale di molecole estremamente interessanti, come DNA e proteine. L'applicazione della spettroscopia 2D nell'ultravioletto non è però banale, in quanto le difficoltà di questa tecnica si complicano notevolmente. Nel primo capitolo discuteremo la propagazione di impulsi ultracorti in un mezzo dispersivo e vari processi ottici di generazione non lineari, che verranno utilizzati nella costruzione del sistema. Nel secondo capitolo è presente una spiegazione delle tecniche di spettroscopia pump-probe e 2D, con particolare attenzione ai metodi utilizzati fino ad oggi per l'estensione della seconda tecnica nell'ultravioletto. Dopo questi primi capitoli introduttivi presenteremo il sistema sviluppato, basato sulla tecnica pump-probe, con impulsi accordabili e a banda stretta per l'eccitazione. Ciò ci consente di ottenere una serie di mappe di pump-probe, risolte in funzione delle frequenze di eccitazione e rivelazione, contenenti l'informazione strutturale riguardante il campione. Gli impulsi di pompa sono accordabili nell'intervallo 260 - 350 nm, nell'ultravioletto, e permettono di eccitare le transizioni elettroniche dei campioni studiati. Come probe si può scegliere tra impulsi bianchi sia nel visibile che nell'ultravioletto, coprendo l'intero intervallo di 260 - 700 nm. Nell'ultimo capitolo, infine, mostreremo alcuni risultati preliminari di misure effettuate per testare le capacità del sistema. Abbiamo eseguito misure sia sul pirene che sul triptofano, applicando le tecniche di pump-probe e spettroscopia 2D.