Name: 瞬态吸收数据的处理、拟合和解释简介 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-02-16T12:40:00.000+00:00
Duration: 8 min 12 s
Description: 学习瞬态吸收光谱数据处理与拟合技术，掌握背景校正、啁啾校正及动力学分析方法。本方案为光化学与光谱学初学者提供系统化的数据解读入门指南。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究工作得益于美国国家科学基金会（NSF）重大研究仪器项目的支持，该项目建立了用于瞬态吸收的多用户激光设施（项目编号：CHE-1428633）。&#160;本材料基于美国国家科学基金会资助项目（项目编号：CHE-2313290）支持下开展的研究工作。

Decoding Transient Absorption - Processing, Fitting, and Interpreting Data

<ol><li>Turro, N. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTurro%2C+NJ+%22Modern+Molecular+Photochemistry%22">Modern Molecular Photochemistry</a>. , University Science Books. (1991).</li>
<li>Berera, R., van Grondelle, R., Kennis, J. T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+transient+absorption+spectroscopy%3A+Principles+and+application+to+photosynthetic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Photosynth+Res%22%5BJournal%5D)">Ultrafast transient absorption spectroscopy: Principles and application to photosynthetic systems.</a> Photosynth Res. 101, 105-118 (2009).</li>
<li>Ruckebusch, C., Sliwa, M., Pernot, P., de Juan, A., Tauler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comprehensive+data+analysis+of+femtosecond+transient+absorption+spectra%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22J+Photochem+Photobiol+C+Photochem+Rev%22%5BJournal%5D)">Comprehensive data analysis of femtosecond transient absorption spectra: A review.</a> J Photochem Photobiol C Photochem Rev. 13 (1), 1-27 (2012).</li>
<li>Van Stokkum, I. H. M., Larsen, D. S., Van Grondelle, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Global+and+target+analysis+of+time-resolved+spectra%5BTitle%5D)+AND+%22Biochim+Biophys+Acta+-+Bioenerg%22%5BJournal%5D)">Global and target analysis of time-resolved spectra.</a> Biochim Biophys Acta - Bioenerg. 1657 (2-3), 82-104 (2004).</li>
<li>Megerle, U., Pugliesi, I., Schriever, C., Sailer, C. F., Riedle, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sub-50+fs+broadband+absorption+spectroscopy+with+tunable+excitation%3A+putting+the+analysis+of+ultrafast+molecular+dynamics+on+solid+ground%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+B+Lasers+Opt%22%5BJournal%5D)">Sub-50 fs broadband absorption spectroscopy with tunable excitation: putting the analysis of ultrafast molecular dynamics on solid ground.</a> Appl Phys B Lasers Opt. 96 (2-3), 215-231 (2009).</li>
<li>Kovalenko, S. A., Dobryakov, A. L., Ruthmann, J., Ernsting, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femtosecond+spectroscopy+of+condensed+phases+with+chirped+supercontinuum+probing%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+A+-+At+Mol+Opt+Phys%22%5BJournal%5D)">Femtosecond spectroscopy of condensed phases with chirped supercontinuum probing.</a> Phys Rev A - At Mol Opt Phys. 59 (3), 2369-2384 (1999).</li>
<li>Villa, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Broadly+tunable+mid-infrared+femtosecond+pulses+directly+generated+by+an+optical+parametric+amplifier%5BTitle%5D)+AND+%22OSA+Contin%22%5BJournal%5D)">Broadly tunable mid-infrared femtosecond pulses directly generated by an optical parametric amplifier.</a> OSA Contin. 4 (11), 2837-2844 (2021).</li>
<li>Brodeur, A., Chin, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+white-light+continuum+generation+and+self-focusing+in+transparent+condensed+media%5BTitle%5D)+AND+%22J+Opt+Soc+Am+B%22%5BJournal%5D)">Ultrafast white-light continuum generation and self-focusing in transparent condensed media.</a> J Opt Soc Am B. 16 (4), 637650(1999).</li>
<li>Lang, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photometrics+of+ultrafast+and+fast+broadband+electronic+transient+absorption+spectroscopy%3A+State+of+the+art%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Sci+Instrum%22%5BJournal%5D)">Photometrics of ultrafast and fast broadband electronic transient absorption spectroscopy: State of the art.</a> Rev Sci Instrum. 89 (9), 093112(2018).</li>
<li>Beckwith, J. S., Rumble, C. A., Vauthey, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Data+analysis+in+transient+electronic+spectroscopy+-+an+experimentalist%27s%5BTitle%5D)+AND+%22Int+Rev+Phys+Chem%22%5BJournal%5D)">Data analysis in transient electronic spectroscopy - an experimentalist's.</a> Int Rev Phys Chem. 39 (2), 135-216 (2020).</li>
<li>Devos, O., Mouton, N., Sliwa, M., Ruckebusch, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Baseline+correction+methods+to+deal+with+artifacts+in+femtosecond+transient+absorption+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chim+Acta%22%5BJournal%5D)">Baseline correction methods to deal with artifacts in femtosecond transient absorption spectroscopy.</a> Anal Chim Acta. 705 (1-2), 64-71 (2011).</li>
<li>Surface Xplorer from Ultrafastsystems. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://ultrafast.systems/products/spectrometers-a">https://ultrafast.systems/products/spectrometers-a</a> (2023).</li>
<li>Gampp, H., Maeder, M., Meyer, C. J., Zuberbuhler, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calculation+of+equilibrium+constants+from+multiwavelngth+spectroscopic+data-i+mathematical+considerations%5BTitle%5D)+AND+%22Talanta%22%5BJournal%5D)">Calculation of equilibrium constants from multiwavelngth spectroscopic data-i mathematical considerations.</a> Talanta. 32 (2), 95-101 (1985).</li>
<li>Snellenburg, J. J., Laptenok, S., Seger, R., Mullen, K. M., van Stokkum, I. H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glotaran%3A+A+Java-based+graphical+user+interface+for+the+R+package+TIMP%5BTitle%5D)+AND+%22J+Stat+Softw%22%5BJournal%5D)">Glotaran: A Java-based graphical user interface for the R package TIMP.</a> J Stat Softw. 49 (3), 1-22 (2012).</li>
<li>Python scripts to convert to and from comma separated values (.csv) and Ultrafast Systems binary data (.ufs) file formats. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://bitbucket.org/ptapping/csv2ufs/src/master/">https://bitbucket.org/ptapping/csv2ufs/src/master/</a> (2023).</li>
<li>Surface Xplorer manual. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://ultrafastsystems.com/download/surface-xplorer/SurfaceXplorerManual.pdf">https://ultrafastsystems.com/download/surface-xplorer/SurfaceXplorerManual.pdf</a> (2023).</li>
<li>Lakowicz, J. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLakowicz%2C+JR+%22Principles+of+fluorescence+spectroscopy%2C+3rd+Ed%22">Principles of fluorescence spectroscopy, 3rd Ed</a>. , Springer Science+Business Media, LLC. 883-886 (2006).</li>
<li>Maciejewski, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transient+absorption+experimental+set-up+with+femtosecond+time+resolution.+Femto-+and+picosecond+study+of+DCM+molecule+in+cyclohexane+and+methanol+solution%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mol+Struct%22%5BJournal%5D)">Transient absorption experimental set-up with femtosecond time resolution. Femto- and picosecond study of DCM molecule in cyclohexane and methanol solution.</a> J Mol Struct. 555 (1-3), 1-13 (2000).</li>
<li>Lorenc, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Artifacts+in+femtosecond+transient+absorption+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+B+Lasers+Opt%22%5BJournal%5D)">Artifacts in femtosecond transient absorption spectroscopy.</a> Appl. Phys. B Lasers Opt. 74, 19-27 (2002).</li>
<li>Turro, C. Transient absorption spectroscopy. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://mediaspace.unm.edu/media/Physical+Inorganic+Tutorials+Transient+Absorption+Specctrscopy/1_t5pdqzgx">https://mediaspace.unm.edu/media/Physical+Inorganic+Tutorials+Transient+Absorption+Specctrscopy/1_t5pdqzgx</a> (2023).</li>
<li>Maçôas, E. M. S., Mustalahti, S., Myllyperkiö, P., Kunttu, H., Pettersson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+vibrational+dynamics+in+electronic+relaxation+of+Cr%28acac%293%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+A%22%5BJournal%5D)">Role of vibrational dynamics in electronic relaxation of Cr(acac)3.</a> J Phys Chem A. 119 (11), 2727-2734 (2015).</li>
<li>Brown, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vibrational+relaxation+and+redistribution+dynamics+in+Ruthenium%28II%29+polypyridyl-based+charge-transfer+excited+states%3A+a+combined+ultrafast+electronic+and+infrared+absorption+study%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+A%22%5BJournal%5D)">Vibrational relaxation and redistribution dynamics in Ruthenium(II) polypyridyl-based charge-transfer excited states: a combined ultrafast electronic and infrared absorption study.</a> J Phys Chem A. 122 (40), 7941-7953 (2018).</li>
<li>Vlček, A., Kvapilová, H., Towrie, M., Záliš, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron-transfer+acceleration+investigated+by+time+resolved+infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Acc+Chem+Res%22%5BJournal%5D)">Electron-transfer acceleration investigated by time resolved infrared spectroscopy.</a> Acc Chem Res. 48 (3), 868-876 (2015).</li>
<li>Horng, M. L., Gardecki, J. A., Papazyan, A., Maroncelli, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subpicosecond+measurements+of+polar+solvation+dynamics%3A+Coumarin+153+revisited%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Subpicosecond measurements of polar solvation dynamics: Coumarin 153 revisited.</a> J. Phys. Chem. 99 (48), 17311-17337 (1995).</li>
<li>LaRocca, M. M., Baker, G. A., Heitz, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+rotation+and+solvation+dynamics+in+ethaline+deep+eutectic+solvent+and+its+solutions+with+methanol%5BTitle%5D)+AND+%22J+Chem+Phys%22%5BJournal%5D)">Assessing rotation and solvation dynamics in ethaline deep eutectic solvent and its solutions with methanol.</a> J Chem Phys. 155 (3), 034505(2021).</li>
<li>Zhang, X. X., Liang, M., Ernsting, N. P., Maroncelli, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complete+solvation+response+of+coumarin+153+in+ionic+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+B%22%5BJournal%5D)">Complete solvation response of coumarin 153 in ionic liquids.</a> J Phys Chem B. 117 (16), 4291-4304 (2013).</li>
<li>Jollife, I. T., Cadima, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Principal+component+analysis%3A+A+review+and+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Philos+Trans+R+Soc.+A%22%5BJournal%5D)">Principal component analysis: A review and recent developments.</a> Philos Trans R Soc. A. 374 (2065), 20150202(2016).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

瞬态吸收（TA）光谱是一种时间分辨光谱技术，通过监测样品在光脉冲激发后其吸收光谱随时间依赖性的变化，来研究光激发物种的演化过程。由于TA是一种吸收型技术，因此能够识别并追踪那些既发生辐射跃迁（即通常会发射光子的状态）又发生非辐射跃迁（通常为非荧光状态，经历内转换、系间窜越或参与光化学反应）的激发态所产生的光谱信号1，2。根据激发光源和探测方法的具体配置，TA技术可实现从飞秒到微秒以上的时间尺度动力学测量，光谱范围覆盖从紫外到远红外区域，使其成为一种多功能的光谱分析工具。在过去几十年中，TA光谱仪的商业化进程取得了显著进展，使越来越多的实验室和科研机构能够使用这一强大技术2。
现代瞬态吸收（TA）系统能够以高能量和时间分辨率产生大量数据。这些数据通常表现为一个二维矩阵，其数值为相对于激发脉冲的时间延迟和波长函数下的透射率或吸光度差值。该数据集可被视作二维热图或三维拓扑图。随着研究人员力求在拟合过程中包含完整的数据集以最准确地描述其目标体系，这些数据的解析变得愈加复杂3。
尽管瞬态吸收（TA）技术可覆盖广泛的波长范围和时间尺度，本实验方案聚焦于其中一种最容易实现的形式4：由飞秒脉冲激光驱动的紫外-可见光区宽带光谱技术。此类仪器的示意图见图15,6。实验开始时，从激光器中取出一个脉冲并将其分为两束。其中一束脉冲称为“泵浦光”，用于激发样品；通常使用光学参量放大器（OPA）将泵浦脉冲转换至所需的激发波长5,7。另一束脉冲称为“探测光”，进入一个机械延迟装置，通过调节探测光传播的路径长度，从而改变泵浦光与探测光之间的相对时间延迟。随后，单波长的探测光脉冲通过蓝宝石或氟化钙（CaF2）晶体转换为白光连续谱8。白光脉冲穿过样品后，利用电荷耦合器件（CCD）相机等宽带探测器测量其光谱。通过比较有无泵浦光时白光脉冲光谱的变化，可测量泵浦光诱导的样品吸收光谱变化 ΔA(T)。关于探测过程的更多细节，建议读者参考这篇有益的综述9。
在所有形式的瞬态吸收（TA）光谱中，ΔA(t) 谱是通过在两个脉冲之间给定的时间延迟 t 下，测量基态吸收 Aprobe 与激发态吸收 Apump+probe 的差值得到的2,5,9,10。
<img alt="瞬态吸收方程 ΔA(t)=A_pump+probe(t)−A_probe；光谱分析概念。" src="/files/ftp_upload/65519/65519eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 1">    (1)
请注意 A探针 等同于样品的稳态吸收光谱，且与时间无关；该实验的时间分辨率来源于泵浦光与探测光之间延迟时间在A中的记录泵浦-探测(t). 这些数据的模拟结果如图所示 图 2A.
与稳态吸收光谱不同，TA 光谱由于采用了公式 1 中的差分方法，可能同时呈现正负信号。正信号源于泵浦脉冲诱导生成的新吸收物种，可代表激发态发色团、三重态、几何结构重排、溶剂化效应或激发态光产物3. 在讨论部分将介绍识别这些特征并将其归属至化学物种的一般性原则。负特征可能源于基态漂白（GSB）或受激发射（SE）图 2B）。由于泵浦脉冲吸收后基态粒子数减少，导致出现受激吸收（GSB）。被激发至激发态的分子不再与其基态在同一区域吸收光，因此 较少 探针脉冲的吸收导致式（1）中的差值在该区域可能为负值。基态漂白（GSB）的特征是具有与基态吸收相同光谱形状但符号相反的信号。激发态发射（SE）信号来源于探针脉冲激发激发态物种所产生的辐射。3这些物种的发射导致 更多光照 到达检测器，这相当于具有 吸收减少 在这些波长处，受激发射（SE）信号的光谱形状将与该物种的自发发射光谱相似，但符号为负，且具有不同的频率权重。10.
除了关于激发态物种的信息外，TA 谱图中还可能包含多种伪影和额外特征，这些因素可能扭曲潜在的动力学过程，并干扰吸收带的归属11。若在数据预处理和分析过程中未能正确处理这些伪影，可能导致对数据应用不恰当的光物理模型，从而得出误导性的结论11。因此，本实验方案的第一部分重点介绍数据采集后如何正确处理 TA 数据集。本节的目标是为初次接触 TA 技术的研究人员提供一套指导原则，帮助其建立对数据严格准备与处理的直观理解与科学认知。
数据集处理完成后，可使用多种复杂程度和严谨程度不同的工具与模型对光谱进行拟合与解析10。本方案第二部分的目标是帮助读者掌握如何对数据应用单波长拟合与全局分析，并指导其判断在何种情况下这些模型适用于描述其数据。目前已有商业软件可用于飞秒瞬态吸收（TA）数据的准备与处理，例如 Ultrafast Systems 公司开发的 Surface Xplorer12,13（可免费下载和使用，参见材料表）。此外，学术研究人员也发布了其他免费替代方案，例如 Glotaran14。Glotaran 是一款专为时间分辨光谱学和显微镜数据的全局分析与目标分析而开发的免费软件，其作为 R 语言程序包 TIMP14 的图形用户界面（GUI）运行。此外，用户也可使用 Python 等编程语言自行编写分析代码。上述各类拟合软件与编程解决方案均具备各自的优势特征，因而均为该领域的重要贡献。鉴于本研究的目的，我们仅能为本活动的可视化部分介绍一种软件。对每种拟合软件的深入讨论已超出本文的范围。
本文提供了一个逐步操作流程，用于（1）处理瞬态吸收（TA）数据，（2）使用单波长动力学和全局分析方法拟合TA数据，以及（3）提取数据并将其拟合到其他模型中。文中包含一组代表性TA数据，供读者练习使用（补充文件1和补充文件2）。该数据为在乙醇中浓度为165 µM的1,4-双(5-苯基噁唑-2-基)苯（POPOP）样品在330 nm激发下测得的结果，采集时间范围为−5 ps至5.5 ns。此外，在相同实验条件下还采集了仅含乙醇的“空白”样品以及无样品的背景数据，采集时间范围为−5 ps至5 ps，用于拟合前的数据预处理（步骤1）。光谱数据使用超快瞬态吸收光谱仪采集。样品置于光程为2 mm的比色皿中，并在测量过程中持续搅拌。本文所述的数据处理与拟合流程基于Surface Xplorer软件，该软件用于拟合*.ufs格式的数据，下文将称之为“拟合程序”。可从相关资源获取将其他格式数据集转换为*.ufs文件的程序15。尽管本实验方案的具体细节针对Surface Xplorer软件，但后续步骤可推广至任何商业或自主开发的软件包。此外，数据处理的结果也可导出并使用其他软件包进行拟合。支持信息文件（补充文件3）提供了有关数据拟合的进一步建议。

<table><tbody><tr><td>200% 优级纯乙醇（EtOH）</td><td>Decon Laboratories Inc</td><td>CAS 64-17-5</td><td>用于样品制备的溶剂</td></tr><tr><td>Helios 瞬态吸收光谱仪&amp;nbsp;</td><td>Ultrafast systems&amp;nbsp;</td><td>https://ultrafast.systems/products/spectrometers-accessories/helios/</td><td>瞬态吸收光谱仪</td></tr><tr><td>POPOP&amp;nbsp; 1,4-双[2-(5-苯基恶唑基)]苯</td><td>东京化成工业株式会社（Tokyo Chemical Industry）</td><td>CAS 1806-34-4</td><td>示例中所用样品</td></tr><tr><td>Surface Xplorer</td><td>Ultrafast systems</td><td>https://ultrafast.systems/products/spectrometers-accessories/surface-xplorer/</td><td>拟合程序</td></tr></tbody></table>

瞬态吸收数据的处理、拟合与解读简介

An Introduction to Processing, Fitting, and Interpreting Transient Absorption Data

瞬态吸收（TA）光谱是一种强大的时间分辨光谱技术，通过监测系统吸收光谱的变化来追踪激发态过程的演化。早期的TA技术仅限于专业实验室使用，但随着商业化即用型系统的不断发展，该技术已逐渐普及至全球各地的研究团队。现代TA系统能够以高能量和高时间分辨率产生富含光物理信息的大量数据。然而，由于存在多种激发态特征和仪器伪影，TA光谱的处理、拟合与解释往往具有挑战性。在采集、处理和拟合TA数据时，必须仔细考虑诸多因素，以降低对何种模型或拟合参数组最能准确描述数据的不确定性。数据预处理与拟合的目标是在保留可用于分析的数据的同时，尽可能消除这些外部干扰因素。本方法为初学者提供了一套TA数据处理与准备的标准化流程，并简要介绍了若干选定的拟合方法与模型，特别是单波长拟合和全局寿命分析。文中还对数据预处理过程中常见的一些挑战及其应对方法进行了评述，随后讨论了这些简单拟合方法所面临的挑战与局限性。

按照上述步骤制备并分析了溶于乙醇的1,4-双[2-(5-苯基恶唑基)]苯（POPOP）样品。使用超快瞬态吸收光谱仪进行测量，如图1所示，液体样品置于2 mm比色皿中，采用可调式比色皿支架和磁力搅拌器以确保溶液均匀混合。样品在常温常压条件下测量，未对温度或气氛进行额外控制。340 nm至680 nm的光学窗口通过氟化钙晶体产生。在−5 ps至约5500 ps范围内采集了250个时间点，共进行三次扫描并取平均值得到最终数据集，如图3所示。POPOP数据的处理按照实验方案所述进行。次优的啁啾校正示例见补充图16。对POPOP进行了单波长动力学拟合，选择632 nm作为目标波长。此外，还按照实验方案对POPOP进行了全局分析。
在632 nm处对POPOP进行单波长动力学拟合，得到两个寿命。允许这两个寿命自由变化，未作进一步调整。获得的最终参数如下：t0 = −0.1176 ps，IRF = 0.436 ps，A1 = 0.0956，t1 = 1.614 ps，A2 = 0.0646，t2 = 522.2 ps（图4）。这些结果与后续进行的全局分析以及文献报道的POPOP发射寿命值（τ = 1.35 ns）17吻合良好。单波长拟合中寿命组分数目过少的一个示例见补充图16，并在其中进行了说明和讨论。
对POPOP进行全局分析拟合时，在执行SVD并选择15个主成分（PCs）后，拟合过程中选取了两个寿命，且未固定任何参数。拟合得到的最终参数如下：t0 = −0.1586 ps，tp（IRF）= 0.4408 ps，t1 = 1459 ps，t2 = 267.5 ps。衰减关联差分光谱如图5所示。结果与在632 nm处进行单点动力学拟合的结果以及POPOP的寿命值17高度一致。补充图16中展示了两个全局分析次优结果的示例，并进行了讨论。
<img alt="飞秒宽带瞬态吸收光谱系统示意图，包含分束器和成像光谱仪。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65519/65519fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
图1：本实验方案中所述的飞秒宽带瞬态吸收仪器的示意图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/65519fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="瞬态吸收光谱图；比较基态与激发态的吸收/发射。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65519/65519fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：TAS 数据的模拟及对 TAS 信号的贡献。（A）高斯曲线模拟的基态吸收光谱（蓝色虚线）和激发态光谱（红色虚线，相对于基态光谱发生红移）。这两条光谱的差谱（紫色实线）即为瞬态吸收（TA）中观测到的差分光谱。为便于说明，基态与激发态光谱之间的差异已被夸大。（B）POPOP 在 330 nm 激发后 1.04 ps 时的典型 TA 差分光谱。虚线表示 POPOP 的基态吸收和稳态发射。高亮区域显示了该数据中常见的 TA 特征：基态漂白（GSB）、受激发射（SE）和激发态吸收（ESA）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/65519fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="瞬态吸收光谱、全局分析拟合、光谱软件界面、数据图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65519/65519fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：POPOP 经步骤1——数据准备处理后所得的数据。 数据以校正后的热图和代表性光谱形式展示。这些结果展示了在完成校正处理后数据应有的形态，表明已可对数据集进行拟合分析。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/65519fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="瞬态吸收光谱拟合，光子数据分析中的衰减曲线结果图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65519/65519fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 
图4在应用步骤 2.3 —— 单波长拟合后，POPOP 在 632 nm 处的单波长拟合结果。 该图显示了（上部）以表格形式呈现的寿命值，（中部）实验数据（蓝色圆点）及对数据的拟合结果（红色拟合线），以及（下部）残差图。请注意，在“当前拟合”部分，振幅（A）显示为数据中的ΔA值，代表在t0时刻该特定寿命组分的贡献。然而，当保存当前拟合结果并显示在“拟合系数”表格中时，默认设置为显示归一化振幅。可通过取消勾选“拟合系数”标签旁“归一化”复选框来更改此设置。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/65519fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="瞬态吸收光谱；全局分析拟合；光谱数据图与表；实验装置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65519/65519fig05v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5"> 
图 5：完成步骤 2.4 拟合后获得的 POPOP 全局分析拟合结果。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/65519fig05largev2.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="拉曼散射图、Δ吸光度 vs. 波长、光谱分析、瞬态光谱结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65519/65519fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图6"> 
图6：在实验TA数据中观察到的受激拉曼散射示例。 在本数据集（非本教程中展示的POPOP数据）中，样品在550 nm处被激发（由虚线表示）。拉曼散射出现在时间零点附近，通常在泵浦激发波长的短波侧（反斯托克斯拉曼散射）和长波侧（斯托克斯拉曼散射）均可见。受激拉曼散射寿命极短，通常仅约~200 fs，因为它发生在探测光束与泵浦光束同时作用于样品时，从而激发拉曼过程。然而，该特征无法避免，应通过裁剪予以去除。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/65519fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
补充图1：数据首次加载时的主菜单。通常，在此拟合软件中，当鼠标悬停在窗口上时，窗口右下角会显示选项框。这些选项框可用于调整光标与窗口的交互方式，例如移动选择区域、缩放或平移选定的窗口。此外，还提供调整窗口x轴和y轴刻度精度的选项，以及在线性与对数显示之间切换的功能。坐标轴也可进行锁定或解锁操作。当坐标轴被锁定时，其缩放级别或数值范围将保持不变；解锁后，坐标轴范围将自动调整以包含全部数据。其他选项还包括调整数值显示格式以及网格线（如存在）的颜色显示。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S1.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图2：用于执行散射光减除的表面菜单。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S2.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图3：扣除散射光屏幕——设置光谱取平均值。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S3.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图4：设置裁剪范围。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S4.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图5：裁剪数据集。 裁剪后的数据将被永久删除。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S5.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图6：拟合溶剂响应窗口及溶剂响应拟合示例（红线）与数据（蓝点）的对比。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S6.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图7：使用“空白”样品数据的Chirp校正窗口。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S7.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图8：显示与数据集一同的啁啾校正。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S8.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图9：单动力学拟合窗口。 此外，顶部的滑块允许用户选择进行拟合的波长。选择合适的波长需要了解该系统的光谱特性，以确定感兴趣过程发生的区域。例如，电荷转移产物、三重态形成或光产物形成，其光谱特征已知与特定波长相关联。可对这些特定波长进行拟合，以获得相应特定事件的寿命。此外，也可使用一组波长来验证选定的全局拟合模型。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S9.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图10：设置单动力学拟合参数。可根据需要手动固定或调整各个拟合参数，以优化拟合效果并最小化残差的标准偏差。注意：通过单击参数框中的数值，随后使用滑块调节或直接手动输入数值，可轻松调整参数。在修改数值时，显示的拟合曲线将实时更新。当获得满意的拟合结果后，可通过在拟合界面右键单击导出拟合结果，该操作支持将数据导出至剪贴板以粘贴到目标程序中，或以图片形式导出以便快速查看。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S10.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图11：如果一个或多个参数是已知的，则可以对单动力学拟合参数的值进行约束和固定。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S11.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图12：单值分解窗口，显示主成分，展示当添加足够多的主成分时，轨迹和各成分的形态变化。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S12.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图13：全局拟合分析生成前的全局拟合窗口。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S13.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图14：显示全局分析拟合结果的全局拟合窗口。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S14.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图15：用于保存和导出文件的文件菜单。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S15.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图16： chirp 校正和拟合不佳的示例。（A）展示了一个较差的单组分动力学拟合。A图中所示的结构化残差通常表明需要增加一个额外的寿命组分才能拟合数据。请注意，残差在较短的时间点低于零线，而在较长寿命区域则高于零线。（B）展示了使用预览按钮进行的正确 chirp 校正，其中特征线被拉直，数据中无任何弯曲。（C）展示了一种错误的 chirp 校正，其中光谱的蓝色区域存在明显弯曲，表明 chirp 函数在该区域过度校正。（D）展示了一种较差的全局寿命分析拟合，其中过度拟合（参数过多）导致出现“对称”的差分吸收动力学谱图（DADS），这些谱图在x轴上下互为镜像，且寿命范围相似，实际上相互抵消。当观察到此类特征时，不应采用该拟合结果。（E）展示了一种较差的全局拟合，其中参数过多导致出现一个振幅非常大但寿命极短的组分。图（E）中的问题也可能在零点附近伪影未被正确校正时出现，此时拟合过程会过度强调一个无实际物理意义的极短寿命组分，以最小化残差。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_Figures_S16.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图17：包含拉曼散射的瞬态吸收光谱（TAS）数据示例。 在时间零点附近存在散射，且与泵浦激发波长重合。散射表现为一系列尖锐的峰，泵浦激发波长蓝移处有一个非常强烈的正峰，红移处有一个负峰。该特征无法合理避免，应从数据中裁剪去除，以避免干扰拟合结果。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Jove_SI_FIgures_S17.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 1：包含本教程数据集的文件（POPOP data_POPOP-inEtOH.ufs）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/POPOP%20data_POPOP-inEtOH.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 2：本教程所用的空白数据集文件（POPOP data_BLANK.ufs）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/POPOP%20data_BLANK.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件3：包含有关溶剂响应拟合、散射校正及表面减除的附加说明的支持信息文件。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65519/Supplementary%20File%203.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

本方案旨在为初学者提供处理、拟合和解读瞬态吸收光谱的入门指导。本方案的重点是数据集的准备，以及利用单波长动力学和全局寿命分析进行拟合。文中还讨论了瞬态吸收数据及其拟合过程中相关的挑战。

瞬态吸收（TA）光谱是一种强大的时间分辨光谱技术，用于追踪激发态过程的演化，通过……

我们是一群实验光化学家，致力于探索如何利用光来驱动重要的化学反应以及太阳能电池等能量收集装置。我们采用多种光谱技术，例如瞬态吸收光谱，并在本教程中使用该技术所获得的数据来监测和量化这些动态过程。当前的一个挑战是在更接近实际应用的条件下，即在能够真实反映其实际使用情况的操作条件下，对化学动态过程和器件进行监测与量化。本方案的优势在于为初学者提供了一个相对容易的入门途径。我们希望以通俗易懂的方式，为刚进入这一领域的研究者概述拟合的基本原理以及一些常见的挑战。我们将始终以光为灵感源泉。我们希望运用专业知识，了解光激活器件在真实工作条件下的运行机制，以帮助应对环境污染挑战，并利用太阳能造福社会。首先，打开拟合软件并加载样本数据集。点击表面菜单，选择扣除散射光。在新窗口中，使用箭头按钮将用于背景校正的背景谱图平均次数设置为10。单击“接受”以执行减法操作。接下来，去除光谱中无用的部分，重点关注左下方显示的光谱。单击末端波长，输入新值，然后按回车键。将光谱窗口调整至所需的波长范围。进入表面菜单，选择裁剪，然后单击确定以确认。为保存更改，请点击文件菜单，选择“另存为”，点击确定，然后关闭数据集。打开溶剂空白数据集，通过调整光谱显示开始进行漂移校正。在左上角的热图模块中，点击十字准线工具，并将垂直线拖动至光谱的蓝色端，从光谱窗口起始处附近的蓝色波长范围开始。然后导航至动力学菜单并选择拟合溶剂响应。在标题为“Fit Solvent Response”的新窗口中，点击拟合按钮。在整个光谱范围内选择至少五个不同波长进行该操作。最后一个点完成后，单击保存，然后关闭窗口。接下来，打开之前裁剪并扣除背景的图像数据集。在表面菜单中，选择啁啾校正选项。通过选择“从文件添加”，选取以 fit coefficients 结尾的文件，并点击“确定”来添加最近创建的啁啾校正。点击“预览啁啾校正”按钮，观察左上角窗口中的校正效果，确保数据暂时呈现平坦状态且无任何曲率。如果校正效果满意，请点击“应用并退出”按钮以完成校正。转到文件菜单。选择“另存为”。输入一个合适的名称以反映 chirp 校正应用，然后单击确定。为了定位数据中需要去除的特征，请转到左上方的热图图块。利用负时间区域内的十字准线，确定散射特征的起始和结束波长。首先从光谱左下图块中较低或偏蓝色的 654 纳米波长开始。选择正确的右端波长，并输入下部特征范围的数值。通过从菜单中选择表面，选择裁剪，然后在弹出菜单中点击确定，来裁剪数据。使用独特的文件名保存裁剪后的数据，文件名需标明数据对应的是哪一侧，然后关闭文件。接下来，打开之前保存的啁啾校正文件，并继续处理光谱中波长较长或红移部分的特征。在左下角图块的光谱上选择特征左侧端点的波长，并输入该特征波长较长一端的数值。要裁剪数据，请进入表面菜单，选择裁剪，然后在弹出菜单中点击确定。使用独特的文件名保存裁剪数据，以标明该数据所代表的侧面。通过进入文件菜单并选择“合并多个表面”来合并两个文件。在新窗口中按住 Ctrl 键并单击，选择数据的两侧。确保在文件名框中同时选中两个文件，然后单击“确定”进行确认。单击文件，选择“另存为”以保存合并后的文件。为文件分配一个唯一的文件名以表明其已合并的状态，然后单击“确定”保存。此处展示了校正后的热图和代表性光谱数据。结果表明了应用校正后数据应有的外观。该数据集现已可进行拟合分析。要启动单次动力学拟合，请使用左上角或左下角图块中的光标导航至目标波长。进入动力学菜单并选择拟合动力学。使用箭头按钮在有限寿命框中调整寿命数量。选中“使用无限寿命”复选框以包含无限寿命组分。输入寿命、振幅、仪器响应时间及时间零点的初始估计值，以辅助拟合过程。单击每个参数，在数值窗口中输入估计值，然后按下“初始估计”按钮进行设置。输入所有拟合参数后，单击拟合按钮完成拟合。通过选择保存按钮来保存结果。对于全局分析拟合，请进入表面菜单，并通过奇异值分解（SVD）选择主成分。使用箭头按钮设置主成分数量。点击保存按钮以保存这些设置。返回表面菜单并选择全局拟合。使用 XP 数值旁边的箭头按钮来设置拟合中包含的指数函数数量。若要包含无限寿命组分，请勾选“使用偏移 AINF”复选框。点击“拟合”按钮开始拟合，并使用“保存”按钮保存配置。为了提取用于绘图的原始数据，请创建数据集的热图。首先，进入文件菜单并选择导出为 CSV。此操作将打开一个新窗口。单击“确定”将CSV文件保存到与数据文件相同的目录中，并使用与数据文件相同的名称命名。如需查看用于在其他程序中绘图的代表性导出光谱，请找到热图左上角的水平光标，并将其拖动至所需的时间点。按下Ctrl+S组合键以捕获该时间点的光谱，并将其保存在光谱窗口中。要导出数据，请右键单击显示光谱的窗口，选择“将数据导出到剪贴板”。最后，将这些数据粘贴到选定的软件文档中并保存。此处显示的单波长拟合以表格形式展示了获得的寿命值、数据以及残差图。全局分析拟合则展示了所得参数及衰减相关的差分光谱。

an-introduction-to-processing-fitting-interpreting-transient

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

瞬态吸收数据的处理、拟合和解释简介

蛋白质功能的关键步骤，特别是主链构象变化和质子转移反应，通常发生在微秒到毫秒的时间尺度上。这些动力学过程可以通过时间分辨步进扫描傅里叶变换红外光谱技术进行研究，尤其适用于其功能由光触发的蛋白质。...

利用时间分辨步进扫描傅里叶变换红外光谱研究光敏蛋白中的质子转移与蛋白质构象动力学

质子转移反应飞行时间质谱法可实现对挥发性有机化合物的高灵敏度、快速且无创的分析。为展示其应用潜力，本文提供三个示例：酸奶的乳酸发酵过程（在线生物过程监测）、不同苹果基因型（大规模筛查）以及饮用咖啡后经鼻腔空间的分析（鼻腔空间分析）。...

PTR-ToF-MS 联用自动采样系统及定制化数据分析在食品研究中的应用：生物过程监测、筛选与鼻腔空间分析

本文中，我们使用聚合物稳定剂制备金属有机框架（MOF）悬浮液，该悬浮液在其基态和瞬态吸收光谱中的散射显著降低。利用这些MOF悬浮液，本实验方案提供了多种光谱表征MOF的指导方法，以获得可解释的数据。...

金属有机框架材料光谱测量技术指南

实时监测可实现对连续流动反应过程的快速优化。本文以3-乙酰基香豆素的制备为例。用于进行该反应的装置 原位...

连续流反应过程中的实时监测：以3-乙酰基香豆素的合成为例

由于氮气分子尺寸小、在近液态超临界区域具有高密度以及化学惰性，因此是一种有效的超临界流体，可用于萃取或干燥过程。本文介绍一种用于活性多孔材料纯化处理的超临界氮气干燥方案。...

超临界氮气处理法用于活性多孔材料的纯化

本文介绍了一种通过各向异性胶体硒化镉纳米晶体的端面将其共价连接的详细方案。...

形状各向异性的胶体硫化镉纳米结构的面-面连接

本文演示了由美国阿贡国家实验室开发的X射线荧光拟合软件MAPS在荧光显微数据定量分析中的应用。所获得的定量数据有助于理解感兴趣样品中的元素分布及化学计量比。...

使用 MAPS 定量分析 X 射线荧光数据

利用在溶液中发生可逆氧化或还原反应的物质的电化学阻抗谱（EIS），测定其氧化或还原反应的速率常数。...

电化学阻抗谱作为电化学速率常数估算的工具

本文介绍了一种在无氧条件下，通过纳秒至毫秒时间尺度的时间分辨光致发光光谱法对有机分子进行光谱表征的方法。同时描述了有效去除样品中氧气以限制发光猝灭的方法。...

在无氧环境中利用iCCD相机对三重态 harvesting 有机化合物进行时间分辨光物理表征

本文介绍了一种逐步进行拉曼光谱和红外光谱电化学分析的实验方案。...

拉曼和红外光谱电化学方法作为分析共轭有机化合物的工具

学习瞬态吸收光谱数据处理与拟合技术，掌握背景校正、啁啾校正及动力学分析方法。本方案为光化学与光谱学初学者提供系统化的数据解读入门指南。

瞬态吸收数据的处理、拟合与解读简介

探索更多视频