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Methodenartikel

Ultraschnelle zeitaufgelöste Near-IR Stimulated Raman Messungen von funktionalen -konjugatsystemen

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DOI:

10.3791/60437

⸱

10. Februar 2020

 , 
1Department of Chemistry, Faculty of Science, Gakushuin University

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Es werden Details zur Signalerzeugung und -optimierung, Messung, Datenerfassung und Datenverarbeitung für ein von Femtosekunden zeitaufgelöstes, von IR stimuliertes Raman-Spektrometer beschrieben. Als repräsentative Anwendung wird eine nahinfrarotstimulierte Raman-Studie über die Angereis-Zustands-Dynamik von Toluen gezeigt.

Zusammenfassung

Die femtosekundenlange, zeitaufgelöste stimulierte Raman-Spektroskopie ist eine vielversprechende Methode, um die strukturelle Dynamik kurzlebiger Transienten mit nah infraroten (Near-IR)-Übergängen zu beobachten, da sie die geringe Empfindlichkeit spontaner Raman-Spektrometer in der Nahen-IR-Region überwinden kann. Hier beschreiben wir technische Details eines femtosekundenschnell gelösten Beinahe-IR-Multiplex-stimulierten Raman-Spektrometers, das wir vor kurzem entwickelt haben. Eine Beschreibung der Signalgenerierung und -optimierung, Messung, Datenerfassung sowie Kalibrierung und Korrektur der aufgezeichneten Daten wird ebenfalls bereitgestellt. Wir präsentieren eine Anwendung unseres Spektrometers zur Analyse der Angerethen-Zustandsdynamik von .-Carotin in Tolululuin-Lösung. Ein C=C-Stretchband von '-Carotin im zweitniedrigsten angeregten Singlet (S2) Zustand und dem niedrigsten angeregten Singlet (S1) Zustand wird in den aufgezeichneten zeitaufgelösten stimulierten Raman-Spektren deutlich beobachtet. Das femtosekundenschnell gelöste, von IR stimulierte Raman-Spektrometer ist auf die strukturelle Dynamik von Systemen des Konjugats von einfachen Molekülen bis hin zu komplexen Materialien anwendbar.

Einleitung

Die Raman-Spektroskopie ist ein leistungsfähiges und vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung der Strukturen von Molekülen in einer Vielzahl von Proben, von einfachen Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen bis hin zu funktionalen Materialien und biologischen Systemen. Die Raman-Streuung wird deutlich verstärkt, wenn die Photonenenergie des Anregungslichts mit der elektronischen Übergangsenergie eines Moleküls zusammenfällt. Der Resonanz-Raman-Effekt ermöglicht es uns, das Raman-Spektrum einer Spezies in einer Probe, die aus vielen Arten von Molekülen besteht, selektiv zu beobachten. Elektronische Übergänge in der Nähe von IR ziehen als Sonde viel Aufmerksamkeit auf sich, um die Dynamik von Molekülen mit großen, konjugierten Strukturen zu untersuchen. Die Energie und Lebensdauer des niedrigsten angeregten Singlet-Zustands wurden für mehrere Carotinoide bestimmt, die eine lange eindimensionale Polyenkette1,2,3haben. Die Dynamik neutraler und aufgeladener Anregungen wurde ausgiebig auf verschiedene photoleitende Polymere in Filmen4,5,6,7, Nanopartikel8und Lösungen9,10,11untersucht. Detaillierte Informationen über die Strukturen der Transienten werden erhalten, wenn auf diese Systeme eine zeitaufgelöste Nah-IR-Raman-Spektroskopie angewendet wird. Es wurden jedoch nur wenige Studien über die zeitaufgelöste Nah-IR-Raman-Spektroskopie12,13,14,15,16berichtet, da die Empfindlichkeit von Nahe-IR-Raman-Spektrometern extrem gering ist. Die geringe Empfindlichkeit entsteht hauptsächlich durch die geringe Wahrscheinlichkeit einer Beinahe-IR-Raman-Streuung. Die Wahrscheinlichkeit einerspontanen Raman-Streuung ist proportional zus3, wobeidie Frequenzen des Anregungslichts bzw. des Raman-Streulichts die Frequenzen sind. Darüber hinaus weisen kommerziell erhältliche Near-IR-Detektoren eine wesentlich geringere Empfindlichkeit auf als CCD-Detektoren, die in den UV- und sichtbaren Bereichen funktionieren.

Femtosekunden-zeitaufgelöste stimulierte Raman-Spektroskopie hat sich als eine neue Methode zur Beobachtung zeitabhängiger Veränderungen von Raman-Aktiven Schwingungsbändern jenseits der scheinbaren Fourier-Transformationsgrenze eines Laserpulses17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33. Stimulierte Raman-Streuung wird durch Bestrahlung von zwei Laserpulsen erzeugt: der Raman-Pumpe und den Sondenimpulsen. Hierwird wird angenommen, dass der Raman-Pumpenimpuls eine größere Frequenz hat als der Sondenimpuls. Wenn der Unterschied zwischen den Frequenzen der Raman-Pumpe und sondenimpulsen mit der Frequenz einer aktiven molekularen Schwingung von Raman zusammenfällt, wird die Schwingung für eine große Anzahl von Molekülen im bestrahlten Volumen kohärent angeregt. Die nichtlineare Polarisation, die durch die kohärente molekulare Schwingung induziert wird, verbessert das elektrische Feld des Sondenpulses. Diese Technik ist besonders leistungsfähig für die nahe IR Raman-Spektroskopie, da eine stimulierte Raman-Streuung das Problem der Empfindlichkeit von zeitaufgelösten Beinahe-IR-Spontan-Raman-Spektrometern lösen kann. Stimulierte Raman-Streuung wird als Intensitätsänderung des Sondenpulses erkannt. Selbst wenn ein Near-IR-Detektor eine geringe Empfindlichkeit hat, wird eine stimulierte Raman-Streuung erkannt, wenn die Sondenintensität ausreichend erhöht ist. Die Wahrscheinlichkeit einer stimulierten Raman-Streuung ist proportional zu dem ,rp, SRS, wobeidie Frequenzen des Raman-Pumpenpulses und der stimulierten Raman-Streuung bzw.20. Die Frequenzen für die stimulierte Raman-Streuung,die RP- und dieSRS-Frequenzentsprechen der frequenzs-bzw. -ums/s für die spontane Raman-Streuung. Wir haben vor kurzem ein femtosekundenschnell aufgelöstes Nah-IR-Raman-Spektrometer entwickelt, das stimulierte Raman-Streuung verwendet, um die Strukturen und Dynamiken kurzlebiger Transienten zu untersuchen, die in den Konjugatsystemen2,3,7,10photogeneriert werden. In diesem Artikel stellen wir die technischen Details unseres femtosekundenschnell gelösten Near-IR Multiplex-stimulierten Raman-Spektrometers vor. Die optische Ausrichtung, die Erfassung zeitaufgelöster stimulierter Raman-Spektren sowie die Kalibrierung und Korrektur aufgezeichneter Spektren werden beschrieben. Als repräsentative Anwendung des Spektrometers wird die Angerethen-Zustandsdynamik von C-Carotin in Toluen-Lösung untersucht.

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Protokoll

1. Inbetriebnahme von Elektrogeräten

  1. Schalten Sie das Femtosekunden-Lasersystem Ti:sapphire gemäß seiner Bedienungsanleitung ein. Warten Sie 2 h, bis sich das Lasersystem erwärmt hat.
  2. Schalten Sie die Netzschalter des optischen Choppers, der Translationstagecontroller, des Spektrographen, des InGaAs-Arraydetektors und des Computers ein, während sich das System erwärmt. Füllen Sie den Dewar des Detektors mit flüssigem Stickstoff.

2. Optische Ausrichtung des Spektrometers

  1. Spiegeleinstellung(Abbildung 1B)
    1. Überprüfen Sie die Position der Stütze auf der Spiegelhalterung.
    2. Drehen Sie den oberen Knopf der Halterung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, damit der reflektierte Laserstrahl in vertikaler Richtung nach unten bzw. nach oben fahren kann, wenn sich die Stütze im unteren Teil der Halterung befindet. Drehen Sie den Knopf in die entgegengesetzte Richtung, wenn sich die Stütze am oberen Teil der Halterung befindet.
    3. Drehen Sie den Knopf auf der linken Seite der Halterung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, damit der reflektierte Laserstrahl nach rechts bzw. links in horizontaler Richtung fahren kann, wenn sich die Stütze auf der rechten Seite der Halterung befindet. Drehen Sie den Knopf in die entgegengesetzte Richtung, wenn sich die Stütze auf der linken Seite der Halterung befindet.
  2. Objektivausrichtung
    1. Platzieren Sie eine Visitenkarte mit einem Raster hinter dem Objektiv als Bildschirm.
    2. Entfernen Sie die Linse. Stellen Sie den Ereignisstrahl vor und lassen Sie ihn auf den Bildschirm. Markieren Sie die Position des Balkenflecks auf dem Bildschirm mit einem Stift.
    3. Blockieren Sie den Strahl und legen Sie die Linse. Stellen Sie den Strahl vor und bestätigen Sie, dass er genau auf den Bildschirm trifft. Ist dies nicht der Fall, passen Sie die vertikalen und horizontalen Positionen der Linse an.
    4. Bereiten Sie eine Visitenkarte mit einem Loch vor. Lassen Sie den einfallenden Strahl durch das Loch vor der Linse passieren und bestätigen Sie, dass sich die Spiegelreflexion des Strahls durch die Linse in die Richtung bewegt, die genau dem einfallenden Strahl entgegengesetzt ist. Ist dies nicht der Fall, stellen Sie den Winkel der Linse ein.
  3. Laserstrahlausrichtung(Abbildung 1C)
    1. Platzieren Sie eine Visitenkarte hinter iris 2 (i2) als Bildschirm.
    2. Lassen Sie den Strahl durch die Mitte von i1 passieren, indem Sie den Spiegel 1 (m1) gemäß Abschnitt 2.1 einstellen. Lassen Sie den Strahl durch die Mitte von i2 passieren, indem Sie m2 gemäß Abschnitt 2.1 einstellen.
    3. Bestätigen Sie, dass der Strahl gleichzeitig durch die Zentren von i1 und i2 verläuft. Wenn der Strahl nicht durch die Mitte von i1 geht, wiederholen Sie Schritt 2.3.2, bis der Strahl durch die Zentren beider Iris geht.
  4. Optische Verzögerungslinienausrichtung(Abbildung 1D)
    1. Entfernen Sie m3 und m4 auf der optischen Verzögerungsleitung (ODL). Platzieren Sie i1 an der Position von m3 auf der Höhe der Mitte von m3.
    2. Bewegen Sie die Bühne so weit wie möglich in Richtung m2, indem Sie die Richtungstaste des Bühnenreglers platzieren. Lassen Sie den Strahl durch die Mitte von i1 passieren, indem Sie m1 gemäß Abschnitt 2.1 einstellen.
    3. Bewegen Sie die Bühne so weit wie möglich von m2, indem Sie die Richtungstaste des Bühnenreglers platzieren. Lassen Sie den Strahl durch die Mitte von i1 passieren, indem Sie m2 gemäß Abschnitt 2.1 einstellen.
    4. Bewegen Sie die Bühne so weit wie möglich in Richtung des Strahleingangs und bestätigen Sie, dass der Strahl durch die Mitte von i1 verläuft. Wenn der Strahl nach Schritt 2.4.3 nicht durch die Mitte von i1 geht, wiederholen Sie die Schritte 2.4.2–2.4.3, bis der Strahl an beiden Enden der Bühne durch die Mitte von i1 geht.
    5. Entfernen Sie i1 aus der Position von m3. Platzieren Sie m3 und m4 auf ODL. Lassen Sie den Strahl durch die Mitte von i2 passieren, indem Sie m3 und m4 gemäß den Schritten 2.4.2–2.4.4 anpassen.
    6. Sobald die Schritte 2.4.1–2.4.5 abgeschlossen sind, lassen Sie den Strahl durch die Mitte von i2 passieren, indem Sie m1 und m2 gemäß den Schritten 2.4.2–2.4.5 anpassen.
  5. Weißlichtkontinuumsgeneration(Abbildung 1A)
    1. Platzieren Sie den VND1 -Filter (Variable Neutral Density Filter) in den Einfallsstrahlpfad. Platzieren Sie eine Visitenkarte mit einer Größe von 200 mm, die von VND1 als Bildschirm entfernt ist.
    2. Drehen Sie VND1, bis der Einfallstrahl die höchste optische Dichteposition von VND1 erreicht, wo der übertragene Strahl die niedrigste Leistung hat.
    3. Legen Sie das Objektiv (L) L1 (Brennweite = 100 mm) hinter VND1. Platzieren Sie die 3 mm dicke Saphirplatte (SP) 105 mm von L1, wo SP sich etwas hinter dem Fokus des Strahls befindet, so dass der Strahl durch SP in der Nähe der Kante verlaufen kann.
    4. Stellen Sie den Durchmesser von I6 auf 5 mm fest.
    5. Drehen Sie VND1, um die Leistung des übertragenen Strahls schrittweise zu erhöhen, bis ein gelb-weißer Fleck auf dem Bildschirm beobachtet wird. Drehen Sie VND1 sehr vorsichtig weiter in die gleiche Richtung, bis ein violetter Ring den gelb-weißen Fleck auf dem Bildschirm umgibt.
  6. Sondenstrahlausrichtung(Abbildung 1A)
    1. Passen Sie die beiden Spiegelpaare (M) (M4, M5) und (M7, M8) gemäß Abschnitt 2.3 an. ODL2 gemäß Abschnitt 2.4 anpassen. M12 und M13 gemäß Abschnitt 2.3 einstellen.
    2. Generieren Sie ein weißes Lichtkontinuum gemäß Abschnitt 2.5.
    3. Entfernen Sie die Farbglasfilter (F) F1 und F2 und den Polarisator (P) P1.
    4. Reflektieren Sie das weiße Lichtkontinuum mit dem konkaven Spiegel (CM). Lassen Sie den reflektierten Strahl direkt neben SP passieren.
    5. Lassen Sie den Strahl die Mitte von M15 und M16 treffen, indem Sie M14 bzw. M15 gemäß Abschnitt 2.1 einstellen. Entfernen L2, L3 und L4. Lassen Sie den Strahl die Mitte des Eingangsschlitzes des Spektrographen treffen, indem Sie M16 einstellen.
    6. Messen Sie den Durchmesser des Weißlichtkontinuums am CM und den Eingangsschlitz mit Rasterpapier. Wenn die Durchmesser zwischen den beiden Positionen signifikant verändert werden, passen Sie die Position des CM parallel zum Strahl mit einem Mikrometer auf der Basisplatte von CM an, bis die Durchmesser fast identisch werden. Führen Sie die Schritte 2.6.4–2.6.5 nach der Anpassung aus.
    7. Platzieren Sie L2, L3 und L4 gemäß Abschnitt 2.2 und platzieren Sie dann F1, F2 und P1.
  7. Raman-Pumpenstrahlausrichtung(Abbildung 1A)
    1. Platzieren Sie den volumenbegortenden reflektierenden Bandpassfilter (BPF) im Ausgangsstrahlpfad des optischen parametrischen Verstärkers (OPA) OPA1. BPF und M17 gemäß Abschnitt 2.3 anpassen. Verwenden Sie eine Near-IR-Sensorkarte, um den Strahlfleck zu beobachten.
    2. Stellen Sie den Winkel der Halbwellenplatte (HWP) HWP2 auf 45° ein, um die Polarisation der Raman-Pumpe auf vertikal einzustellen. Entfernen L5, L6 und L7.
    3. Lassen Sie den Strahl die Mitte von M19, M20 und M21 treffen, indem Sie M18, M19 und M20 gemäß Abschnitt 2.1 anpassen. Verwenden Sie eine Near-IR-Sensorkarte, um den Strahlfleck zu beobachten.
    4. Platzieren Sie L5, L6 und L7 gemäß Abschnitt 2.2 mit einer Near-IR-Sensorkarte als Bildschirm.
  8. Actinic Pumpenstrahlausrichtung(Abbildung 1A)
    1. Entfernen L8 und L9. Lassen Sie den Ausgangsstrahl von OPA2 durch die Mitte der Iris (I) I12 passieren, indem Sie M22 gemäß Abschnitt 2.1 einstellen.
    2. M24 und M25 gemäß Abschnitt 2.3 einstellen. Platz L8 und L9 nach Abschnitt 2.2. ODL1 gemäß Abschnitt 2.4 anpassen.
    3. Messen Sie den Durchmesser des aktinischen Pumpenstrahls bei M24 und M32 mit Rasterpapier. Wenn die Durchmesser zwischen den beiden Positionen signifikant unterschiedlich sind, passen Sie die Position von L9 parallel zum Strahl mit einem Mikrometer auf der Grundplatte von L9 an, bis die Durchmesser nahezu identisch werden.
    4. Entfernen L10 und M32. M30 und M31 gemäß Abschnitt 2.3 einstellen.
    5. Platzieren Sie P2 an der Position von M32. Platzieren Sie eine Visitenkarte hinter P2 als Bildschirm.
    6. Stellen Sie P2 in den Winkel ein, mit dem der Impuls bei 35,3° in Bezug auf die vertikale Achse polarisiert werden kann, um P2 zu durchlaufen. Drehen Sie HWP3, bis der Strahlfleck auf dem Bildschirm vollständig verschwindet. Führen Sie dieses Protokoll durch, um die Wirkung der molekularen Neuorientierung auf zeitaufgelöste Messungen zu beseitigen.
    7. Entfernen P2. Platzieren Sie M32 und reflektieren Sie den Strahl in Richtung der Durchflusszelle (FC). L10 gemäß Abschnitt 2.2 platzieren.
  9. Start der Durchflusszelle(Abbildung 1E)
    1. Befestigen Sie eine 2 mm Quarz-Durchflusszelle an der Halterung. Verbinden Sie jedes Ende der Durchflusszelle mit einem Polyfluoracetat-Rohr (PFA) (Länge = 500 mm; Außendurchmesser = 1/8 Zoll) mit einem Elastomerrohr (Länge = 10 mm).
    2. Legen Sie das Rohr vom boden der Durchflusszelle in ein Reservoir ein, das mit einer Probenlösung gefüllt ist. Befestigen Sie das Rohr von der Oberseite der Durchflusszelle an den Einlass der Magnetgetriebepumpe.
    3. Befestigen Sie ein PFA-Rohr (Länge = 500 mm; Außendurchmesser = 1/8 Zoll) am Ausgang der Magnetgetriebepumpe und setzen Sie das andere Ende in das Reservoir ein.
    4. Platzieren Sie die Fließzellenhalterung im Fokus des Sondenstrahls.
    5. Schalten Sie die magnetische Zahnradpumpe ein. Stellen Sie den Durchfluss auf 20 ml/min mit hilfe der Spannungsregelung der Pumpe ein, um die Probe im beleuchteten Volumen zu ersetzen, bevor jeder aktinische Pumpenimpuls FC erreicht.

3. Softwarebetrieb

  1. Detektor-Setup
    1. Öffnen Sie den Detektorbereich. Klicken Sie auf die Schaltfläche Initialisieren. Warten Sie, bis die Indikator Detector Initialized leuchtet.
    2. Geben Sie 40 in das Feld Belichtungszeit (ms) ein.
    3. Wählen Sie IGA Lo Gain und IGA 280 kHz aus den Dropdown-Menüs A/D Gain bzw. A/D Rate. IGA und A/D stehen für InGaAs bzw. den Analog-Digital-Wandler.
    4. Klicken Sie auf die Schaltfläche Set unter der Detektor-Set-Up-Anzeige. Bestätigen Sie, dass die Kontrollleuchte eingeschaltet ist.
    5. Legen Sie den Trigger-Schalter über das Dropdown-Menü Trigger-Ereignis auf Extern fest. Wählen Sie Jede – Für jeden Acq und TTL Rising Edge aus dem Dropdown-Menü Trigger Edge aus. TTL steht für Transistor-Transistor-Logik.
    6. Klicken Sie auf die Schaltfläche Set unter dem Trigger-Set-Indikator. Bestätigen Sie, dass die Kontrollleuchte eingeschaltet ist.
    7. Klicken Sie auf die Schaltfläche Lesen am unteren Rand des Bereichs. Vergewissern Sie sich, dass im Feld Detektortemperatur (K) ein Wert unter 170 K angezeigt wird. Wenn nicht, warten Sie, bis die Temperatur unter 170 K sinkt.
  2. Spectrograph-Setup
    1. Öffnen Sie den Spektrographenbereich. Klicken Sie auf die Schaltfläche Initialisieren. Warten Sie, bis die Spectrograph Initialized-Anzeigeleuchte eingeschaltet ist.
    2. Wählen Sie 1. Nuten 300 g/mm, Blaze Wavelength 2000 nm aus dem Grating Dropdown-Menü. Klicken Sie auf die Schaltfläche Set auf der rechten Seite des Dropdown-Menüs Grating.
    3. Geben Sie die mittlere Wellenlänge des Spektrographen in das Feld Bewegen in ein, und klicken Sie auf die Schaltfläche Gehen. Die mittlere Wellenlänge befindet sich in der Regel zwischen 1.380 und 1.430 nm, wenn der Spektrograph den Fingerabdruckbereich des stimulierten Raman-Spektrums abdeckt.
    4. Geben Sie eine Eingangsschlitzbreite in das Feld Eingang festlegen ein und klicken Sie auf die Schaltfläche Set auf der rechten Seite des Feldes. Die Eingangsschlitzbreite ist in der Regel auf 0,3 mm eingestellt.
  3. Stufenpositionssteuerung
    1. Öffnen Sie den Vorschaufenster. Geben Sie einen Wert der ODL1-Position in Mikrometern in das Feld SK-Stufenposition ('m)' ein. Das Feld akzeptiert Werte von 0 bis 200.000 .m. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Gehen" auf der rechten Seite des Feldes.
    2. Geben Sie einen Wert der ODL2-Position in 0,1 m in das Feld FA-Stufenposition (1/10 m) ein. Die Box akzeptiert Werte von -250.000 bis 250.000 (x 1/10 m). Klicken Sie auf die Schaltfläche "Gehen" auf der rechten Seite des Feldes.
  4. Einzelmessung
    1. Geben Sie die Anzahl der Akkumulationen für eine einzelne Messung eines Spektrums in das Feld Akkumulierung ein. Das Feld akzeptiert Werte von 1 bis 999.
    2. Schließen Sie den Eingang des Spektrographen, indem Sie die Membranleiste so weit wie möglich nach rechts schieben. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Dunkel speichern". Öffnen Sie den Eingang des Spektrographen, indem Sie die Membranleiste so weit wie möglich nach links ziehen.
    3. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Durchschnitt, um nur ein gemitteltes Ergebnis anzuzeigen.
    4. Wählen Sie Lichtspektrum erfassen und Transientenabsorption aus der Dropdown-Liste DesOperationsmodus überprüfen, um Sondenintensitäten zu messen bzw. stimulierte Raman- bzw. transiente Absorptionsspektren zu messen.
    5. Klicken Sie auf die Schaltfläche Acquire.
    6. Um Messungen automatisch zu wiederholen, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Kontinuierlich und klicken Sie auf die Schaltfläche Übernehmen. Deaktivieren Sie das Kontrollkästchen Kontinuierlich, um die kontinuierlichen Messungen zu beenden.
    7. Öffnen Sie das Dateidialogfeld, indem Sie auf das Ordnersymbol klicken. Doppelklicken Sie auf einen Ordner zum Speichern von Daten. Geben Sie einen Dateinamen mit der Erweiterung ".txt" ein und klicken Sie auf OK. Klicken Sie auf die Schaltfläche Speichern.
  5. Zeitaufgelöste Messung
    1. Öffnen Sie den Bereich Experiment. Geben Sie im Feld Experimentname einen Namen innerhalb von 20 Zeichen ein, der ein Experiment (z. B. Beispiele, Bedingungen) kurz beschreibt.
    2. Öffnen Sie das Dateidialogfeld, indem Sie auf das Ordnersymbol klicken. Doppelklicken Sie auf einen Ordner zum Speichern von Daten, und klicken Sie auf OK.
    3. Geben Sie die Anzahl der Translationsstufenscans in das Feld Anzahl der Scans ein.
    4. Wählen Sie die im Experiment gescannte Übersetzungsphase im Dropdown-Menü Stage for Scan aus.
    5. Geben Sie eine Bühnenposition ein, an der der Scan im Feld Von bereich Abeginnt. Die Einheit und der Bereich der akzeptablen Werte hängen von der Stufe ab (siehe Abschnitt 3.3).
    6. Geben Sie ein Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufenpositionen in das Feld Schritt des Bereichs Aein. Das Intervall von 1 m in der Stufenposition entspricht dem Intervall von 6,7 fs in der Zeitverzögerung zwischen der aktinischen (oder Raman) Pumpe und den Sondenimpulsen.
    7. Geben Sie die Anzahl der Stufenpositionen in einem Scan im Feld Punkte bereich Aein.
    8. Wenn in einem einzelnen Scan mehr als ein Intervall erforderlich ist, aktivieren Sie das Feld Bereich B, und wiederholen Sie die Schritte 3.5.5–3.5.7 für Bereich B. Drei Intervalle können mit Bereich A, Bund Ceingestellt werden.
    9. Starten Sie die Scans, indem Sie auf die Schaltfläche Ausführen klicken. Die Kontrollleuchte "Experiment Running" schaltet sich ein. Warten Sie, bis sich die Kontrollleuchte ausschaltet.

4. Optimierung des Sondenspektrums

  1. Legen Sie Balkendeponien in die Pfade der aktinischen und Raman-Pumpenbalken. Stellen Sie P1 in den Winkel ein, der es dem vertikal polarisierten Puls ermöglicht, P1 zu passieren.
  2. Legen Sie die Anzahl der Akkumulationen gemäß Schritt 3.4.1 auf 10 fest. Bewahren Sie das dunkle Signal gemäß den Schritten 3.4.2 auf. Wählen Sie Lichtspektrum gemäß Schritt 3.4.4 erwerben aus.
  3. Führen Sie kontinuierliche Messungen gemäß Schritt 3.4.6 für die Vorschau von Daten aus. Maximieren Sie die Anzahl der Detektore auf dem Display, indem Sie HWP1 schrittweise drehen.
  4. Erhöhen Sie schrittweise die Intensität des einfallenden Pulses, indem Sie VND1 drehen, bis die maximale und minimale Detektoranzahl etwa 30.000 bzw. 4.000 erreicht. Wenn ein großes Oszillationsmuster zu beobachten beginnt, drehen Sie VND1 in die entgegengesetzte Richtung, bis das Muster verschwindet.
  5. Stoppen Sie die kontinuierlichen Messungen gemäß Schritt 3.4.6.

5. Messung stationärer raman-Spektren

  1. Räumliche Überlappung von Raman-Pumpen- und Sondenimpulsen
    1. Entfernen Sie den Strahlabwurf im Raman-Pumpenstrahlpfad. Platzieren Sie den optischen Chopper (OC) in den Raman-Pumpenstrahlweg.
    2. Platzieren Sie eine Near-IR-Sensorkarte an der Probenposition. Passen Sie die Richtung des Raman-Pumpenstrahls an, indem Sie M21 gemäß Abschnitt 2.1 einstellen, bis sich die Stellen der Raman-Pumpe und der Sondenstrahlen vollständig überlappen. Entfernen Sie die Sensorkarte.
  2. Zeitliche Überlappung von Raman-Pumpen- und Sondenimpulsen
    1. Platzieren Sie eine InGaAs PIN-Photodiode an der Probenposition, an der sich die Raman-Pumpe und die Sondenstrahlen aufgrund von Abschnitt 5.1 räumlich überlappen.
    2. Schließen Sie den Signalausgang der Photodiode an ein 500 MHz, 5 GS/s digitales Oszilloskop an, um zu überwachen, wann die Raman-Pumpen- und Sondenimpulse an der Probenposition ankommen.
    3. Legen Sie die horizontale Skala des Oszilloskops auf 1 ns/div fest.
    4. Lesen Sie die Spitzenzeit der Signalintensität für die Raman-Pumpe und Sondenimpulse, die den anderen Impuls blockieren.
    5. Wenn für die beiden Impulse ein Unterschied in der Spitzenzeit beobachtet wird, passen Sie die Position von ODL2 gemäß Abschnitt 3.3 an, bis die Differenz kleiner als 200 ps wird.
  3. Einstellung der optischen Chopper-Rotationsphase
    1. 40 ml Cyclohexan in das Reservoir geben. Beginnen Sie mit dem Fließen von Cyclohexan gemäß Schritt 2.9.5.
    2. Stellen Sie die mittlere Wellenlänge des Spektrographen auf 1.190 nm gemäß Schritt 3.2.3 ein, um die Rayleigh-Streuung des Raman-Pumpenimpulses zu beobachten.
    3. Legen Sie die Anzahl der Anhäufungen gemäß Schritt 3.4.1 auf 10 fest. Bewahren Sie das dunkle Signal gemäß Schritt 3.4.2 auf.
    4. Wählen Sie Transient absorption gemäß Schritt 3.4.4 überprüfen.
    5. Führen Sie kontinuierliche Messungen nach Schritt 3.4.6 durch.
    6. Maximieren Sie die Amplitude des scheinbaren transienten Absorptionssignals mit dem negativen Vorzeichen an der Raman-Pumpenwellenlänge, das aus dem Vorhandensein und Fehlen des streunenden Raman-Pumpenimpulses durch Hacken entsteht, indem Sie die Rotationsphase von OC von -180 °-170° auf der Frontplatte des Controllers.
    7. Stoppen Sie die kontinuierlichen Messungen gemäß Schritt 3.4.6.
  4. Signalmaximierung
    1. Stellen Sie die mittlere Wellenlänge des Spektrographen auf 1.410 nm gemäß Schritt 3.2.3 für die Beobachtung stimulierter Raman-Spektren ein.
    2. Führen Sie kontinuierliche Messungen gemäß Schritt 3.4.6 durch und prüfen Sie, ob stimulierte Raman-Bänder von Cyclohexan im Display beobachtet werden. Das stärkste Band von Cyclohexan erscheint bei den 55-58. Pixeln, wenn die mittlere Wellenlänge auf 1.410 nm eingestellt ist.
    3. Wenn die stimulierten Raman-Bänder nicht beobachtet werden, versuchen Sie, die Position von ODL2 um 15.000 m in 150 m-Intervallen gemäß Abschnitt 3.3 zu ändern und zu sehen, ob die stimulierten Raman-Bänder beobachtet werden.
    4. Wenn die stimulierten Raman-Bänder nach Schritt 5.4.3 nicht beobachtet werden, versuchen Sie es mit Schritt 5.1.2, um die räumliche Überlappung zwischen den Raman-Pumpen- und Sondenstrahlen zu erhalten und Schritt 5.4.2 erneut durchzuführen.
    5. Sobald die stimulierten Raman-Bänder erkannt wurden, maximieren Sie die Bandintensitäten in der Anzeige, indem Sie M21, die Rotationsphase von OC und die Position von ODL2 iterativ neu justieren.
    6. Stoppen Sie die kontinuierlichen Messungen gemäß Schritt 3.4.6.
  5. Messung
    1. Legen Sie die Anzahl der Akkumulationen gemäß Schritt 3.4.1 auf 500 fest. Bewahren Sie das dunkle Signal gemäß Schritt 3.4.2 auf.
    2. Führen Sie eine einzelne Messung gemäß Schritt 3.4.5 aus. Speichern Sie das Spektrum nach Schritt 3.4.7. Wiederholen Sie die Messung mindestens 4x.
    3. Entfernen Sie das FC-Einlassrohr aus dem Reservoir und warten Sie, bis der Strom durch die Luft unterbrochen wird. Minimieren Sie die Spannung der magnetischen Zahnradpumpe.
    4. Ersetzen Sie den Inhalt des Reservoirs durch den Inhalt, der mit 100 ml frischem Aceton gefüllt ist.
    5. Stellen Sie die Ein- und Auslassrohre in den Behälter bzw. den leeren Kolben ein. Starten Sie die magnetische Zahnradpumpe nach Schritt 2.9.5 und lassen Sie Toluen durch den FC fließen.
    6. Warten Sie, bis der Strom durch die Luft unterbrochen wird. Minimieren Sie die Spannung der magnetischen Zahnradpumpe.
    7. Wiederholen Sie die Schritte 5.5.4–5.5.6 mindestens 2x.
    8. 40 ml Aceton in das Reservoir geben. Beginnen Sie fließendes Aceton nach Schritt 2.9.5.
    9. Nehmen Sie das stimulierte Raman-Spektrum von Aceton nach Schritt 5.5.2 auf.
    10. Aceton gemäß Schritt 5.5.3 aus dem FC entfernen.
    11. Wiederholen Sie die Schritte 5.5.4–5.5.10 mit Toluin anstelle von Aceton.

6. Messung von zeitaufgelösten Absorptionsspektren

  1. Leeren Sie das Reservoir und fügen Sie 25 ml Toluenlösung von .-Carotin mit einer Konzentration von 1 x 10-4 mol dm-3hinzu. Beginnen Sie mit dem Fließen der Probenlösung gemäß Schritt 2.9.5.
  2. Platzieren Sie das OC im aktinischen Pumpenstrahlpfad.
  3. Bewegen Sie die Strahlablage vom Pfad des aktinischen Pumpenstrahls auf den des Raman-Pumpenstrahls.
  4. Überlappen Sie die aktinischen Pumpen- und Sondenstrahlen an der Probenposition gemäß Schritt 5.1.2 mit einer Visitenkarte anstelle der Near-IR-Sensorkarte.
  5. Überlappen Sie die beiden Strahlen an der Probenposition gemäß Abschnitt 5.2 zeitlich mit einer Si PIN-Photodiode anstelle der InGaAs PIN-Photodiode.
  6. Legen Sie die Anzahl der Akkumulationen gemäß Schritt 3.4.1 auf 10 fest. Bewahren Sie das dunkle Signal gemäß Schritt 3.4.2 auf.
  7. Wählen Sie Transient absorption gemäß Schritt 3.4.4 überprüfen.
  8. Führen Sie kontinuierliche Messungen gemäß Schritt 3.4.6 durch und prüfen Sie, ob die transiente Absorption von Das Absorptionsband erscheint mit einer Form, die monoton in Richtung längerer Wellenlängen abnimmt (der zweitniedrigste angeregte Singlet-Zustand, S2) oder mit zwei Maxima um das 0. und 511. Pixel (der niedrigste angeregte Singlet-Zustand, S1).
  9. Wenn die transiente Absorption nicht beobachtet wird, versuchen Sie, die Position von ODL1 in 150 m Abständen gemäß Abschnitt 3.3 um 15.000 m zu ändern.
  10. Wenn nach Schritt 6.9 kein Absorptionsband beobachtet wird, versuchen Sie es mit Schritt 6.4, um die räumliche Überlappung zwischen der aktinischen Pumpe und den Sondenstrahlen zu erhalten.
  11. Maximieren Sie die Absorptionsintensität, indem Sie M32 nachjustieren, sobald das transiente Absorptionsband erkannt wird.
  12. Stoppen Sie die kontinuierlichen Messungen gemäß Schritt 3.4.6.
  13. Verringern Sie die Position von ODL1 gemäß Abschnitt 3.3, bis die transiente Absorption vollständig verschwindet.

7. Messung von zeitaufgelösten stimulierten Raman-Spektren

  1. Platzieren Sie das OC in den Raman-Pumpenstrahlpfad. Entfernen Sie den Strahlabwurf vom Raman-Pumpenstrahlpfad.
  2. Legen Sie die Anzahl der Anhäufungen gemäß Schritt 3.4.1 auf 200 fest. Bewahren Sie das dunkle Signal gemäß Schritt 3.4.2 auf.
  3. Führen Sie ein zeitaufgelöstes Experiment gemäß Abschnitt 3.5 aus. Wählen Sie in Schritt 3.5.4 SK-Stufeaus. Legen Sie den Startwert von Bereich A um etwa 50 m kleiner fest als die Position, an der das transiente Absorptionssignal in Schritt 6.13 verschwunden ist.

8. Raman-Schichtkalibrierung

  1. Berechnen Sie den Durchschnitt der vier stimulierten Raman-Spektren für Cyclohexan, Aceton und Toluon, die in Abschnitt 5 mit einer Datenanalysesoftware Ihrer Wahl aufgezeichnet wurden.
  2. Zeichnen Sie die gemittelten stimulierten Raman-Spektren der Lösungsmittel gegen die Pixelnummer des InGaAs-Arraydetektors.
  3. Schätzen Sie die Spitzenpositionen der stimulierten Raman-Bänder der Lösungsmittel durch die Analyse der kleinsten Quadrate, die mit den Lorentzian-Funktionen in Verbindung stehen. Wenn die Lorentzian-Funktion nicht verfügbar ist, verwenden Sie stattdessen eine Polynomfunktion.
  4. Zeichnen Sie die Spitzenwellenzahlen der Raman-Bänder der Lösungsmittel in einem Referenzbuch (z.B. Hamaguchi und Iwata34) mit den geschätzten Spitzenpositionen in der Pixelzahl.
  5. Erhalten Sie eine Kalibrierfunktion zwischen der Raman-Verschiebung und der Pixelzahl durch die kleinste Quadratische Anpassungsanalyse mit einer Polynomfunktion zweiten oder dritten Grades.

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Ergebnisse

Femtosekunden-zeitaufgelöste, von der IR stimulierte Raman-Spektroskopie wurde bei der Tolulu-Lösung auf die Toluen-Lösung angewendet. Die Konzentration der Probe betrug 1 x 10-4 mol dm-3. Die Probe wurde durch den aktinischen Pumpenimpuls bei 480 nm mit einer Pulsenergie von 1 J fotografiert. Zeitaufgelöste stimulierte Raman-Spektren von A-Carotin in Toluen sind in Abbildung 2Adargestellt. Die rohen Spektren enthielten starke Raman-Bänder des Lösungsmi...

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Diskussion

Entscheidende Faktoren bei der femtosekundenschnell gelösten Nah-IR-Multiplex-stimulierten Raman-Messung
Um zeitaufgelöste, von IR stimulierte Raman-Spektren mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten, sollte das Sondenspektrum idealerweise eine gleichmäßige Intensität im gesamten Wellenlängenbereich aufweisen. Die Erzeugung des Weißlichtkontinuums (Abschnitt 2.5) ist daher einer der wichtigsten Teile zeitaufgelöster, von der IR stimulierter Raman-Experimente. Im Allgemeinen wird das Sondens...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde unterstützt von JSPS KAKENHI Grant Numbers JP24750023, JP24350012, MEXT KAKENHI Grant Numbers JP26104534, JP16H00850, JP26102541, JP16H00782 und MEXT-Supported Program for the Strategic Research Foundation at Private Universities, 2015–2019.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1-Achsen-TranslationstischOptSigmaTSD-401SEs werden auch gleichwertige Produkte verwendet: für M22, L9 und CM in Abbildung 1A
20-cm-Optische VerzögerungsleitungOptSigmaSGSP26-200ODL1 in Abbildung 1A
3-Achsen-TranslationstischOptSigmaTSD-405SLfür L8 in Abbildung 1A
3-Achsen-TranslationstischSuruga SeikiB72-40CFür FC in Abbildung 1A
5 cm optische VerzögerungsleitungPMTHRS-0050ODL2 in Abbildung 1A
Al KonkavspiegelThorlabsCM254-050-G01Brennweite: 50 mm; CM in Abbildung 1A
GrundplatteSuruga SeikiA21-6Es werden auch Produkte verwendet, die diesem entsprechen: für M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM und FC in Abbildung 1A
BBO CrystalEKSMAOptics-Type1, θ = 23,2 Grad; BBO in Abbildung 1A
BK7 Plankonkave LinseOptSigmaSLB-25.4-50NIR2Brennweite: 50 mm; IR-Antireflexbeschichtung; L6 in Bild 1A
BK7 Plankonvexe LinseOptSigmaSLB-25.4-150PIR2Brennweite: 150 mm; IR-Antireflexbeschichtung; L2, L3, L5 in Bild 1A
BK7 Plankonvexe LinseOptSigmaSLB-25.4-100PIR2Brennweite: 100 mm; IR-Antireflexbeschichtung; L4 in Abbildung 1A
BK7 Plankonvexe LinseOptSigmaSLB-25.4-200PIR2Brennweite: 200 mm; IR-Antireflexbeschichtung; L7 in Abbildung 1A
Breitband-DielektrikumspiegelOptSigmaTFMS-25.4C05-2/7M22-M25, M28, M29 in Abbildung 1A
Breitband-DielektrikumspiegelPräzisionsphotonik (Advanced Thin Films)-M26, M27, M30-M32 in Abbildung 1A
Breitband-HalbwellenplatteCryLight-HWP3in Abbildung 1A
FarbglasfilterHOYAIR85F1 in Abbildung 1A
FarbglasfilterHOYARM100F2 in Abbildung 1A
FarbglasfilterSchottBG39F3 in Abbildung 1A
ComputerDellVostro 200 Mini TowerBetriebssystem: Windows XP
CyclohexanKanto Kagaku07547-1BHPLC-Qualität
Datenanalysesoftware WavemetricsIgor Pro 8
Dielektrischer StrahlteilerLAYERTEC-Reflexion: Transmission = 2 : 1; BS1 in Abbildung 1A
Dielektrischer StrahlteilerLAYERTEC-Reflexion: Transmission = 1 : 1; BS2, BS3 in Abbildung 1A
Dielektrischer SpiegelPräzisionsphotonik
(Advanced Thin Films)		-M1-M8 in Abbildung 1A
Digitales OszilloskopTektronixTDS3054B500 MHz, 5 GS/s
Elastomerröhre-Abbildung
1E Femtosekunden-Ti:Saphir-OszillatorKohärenterVitesse 800-2Wellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, mittlere Leistung: 280 mW, Wiederholrate: 80 MHz; enthalten in Ti:S in Abbildung 1A
Femtosekunden Ti:Saphir Regenerativer VerstärkerCoherentLegend-Elite-F-HEWellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, Pulsenergie: 3,5 mJ, Wiederholrate: 1 kHz; enthalten in Ti:S in Abbildung 1A
FilmpolarisatorOptSigmaSPFN-30C-26P1 in Abbildung 1A
Glan-Taylor-PrismaOptSigmaGYPB-10-10SN-3/7P2 in Abbildung 1A
Gold MirrorOptSigmaTFG-25C05-10M9-M21 in Abbildung 1A
HalbwellenplatteOptSigmaWPQ-7800-2MHWP1 in Abbildung 1A
Harmonischer SeparatorCoherentTOPAS-C HRs 410-540 nmHS in Abbildung 1A
InGaAs-Array-DetektorHoribaSymphony-IGA-512X1-50-1700-1LS512 Kanäle, Flüssigstickstoffgekühlt
InGaAs PIN PhotodiodeHamamatsu PhotonicsG10899-01K
IR-HalbwellenplatteOptiSource-HWP2in Abbildung 1A
IrisSuruga SeikiF74-3NEs werden auch gleichwertige Produkte verwendet; I1-I17 in Bild 1A
ObjektivhalterOptSigmaLHF-25.4SEs werden auch gleichwertige Produkte verwendet; für L1-L10 in Bild 1A
MagnetzahnradpumpeMikropumpe184-415
SpiegelhalterungSiskiyouIM100. C2M6REntsprechende Produkte werden ebenfalls verwendet: für M1-M32, BS1-BS3, BBO, CM in Abbildung 1A
Nah-IR-PhosphorkarteThorlabsVRC2
Mutter-Abbildung 1E, M4; im Baumarkt gekauft
Optischer ChopperNeuer Focus3501OC in Abbildung 1A
Optischer parametrischer VerstärkerKohärentOPerA-FOPA1 in Abbildung 1A
Optischer parametrischer VerstärkerCoherentTOPAS-COPA2 in Abbildung 1A
PolarisatorhalterOptSigmaPH-30-ARSEntsprechende Produkte werden ebenfalls verwendet; für P1-P2 und HWP1-3 In Abbildung 1A
Polyfluoracetat-Röhre-Abbildung 1E
PfostenhalterOptSigmaBRS-12-80Es werden auch Produkte verwendet, die diesem entsprechen; für M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM und FC in Abbildung 1A
Quarz-DurchflusszelleTosoh QuarzT-70-UV-2FC in Abbildung 1A
Quarz Plankonkave LinseOptSigmaSLSQ-25-50NBrennweite: 50 mm; L8 in Abbildung 1A
Quarz-Plankonvex-LinseOptSigmaSLSQ-25-100PBrennweite: 100 mm; L1, L9 in Abbildung 1A
Quarz-Plankonvex-LinseOptSigmaSLSQ-25-220PBrennweite: 220 mm; L10 in Abbildung 1A
SaphirplattePfeileroptik-3 mm dick; SP in Abbildung 1A
Si PIN PhotodiodeHamamatsu PhotonicsS3883
EinzelspektrografHoriba Jobin YvoniHR320Brennweite: 32 cm
EdelstahlstabSuruga SeikiA41-100Entsprechende Produkte werden ebenfalls verwendet; für M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM und FC in Abbildung 1A
EdelstahlstabNewportJ-SP-2Abbildung 1E
ToluolKanto Kagaku40180-1Bin HPLC-Qualität
-Abbildung 1E; im Baumarkt gekauft
Variabler Graufilter (mit Halter)OptSigmaNDHN-100VND1 in Abbildung 1A
Variabler Graufilter (mit Halter)OptSigmaNDHN-U100VND2 in Abbildung 1A
Visuelle ProgrammierspracheNational InstrumentsLabVIEW 2009Die Steuerungssoftware in dieser Studie ist programmiert in LabVIEW 2009
Volumengitter-BandpassfilterOptiGrateBPF-1190BPF in Abbildung 1A
β-CarotinWako Pure Chemical Industries035-05531
U-förmige Stahlplatte

Referenzen

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