Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Ultrasnelle time-resolved Near-IR Stimulated Raman Metingen van Functionele π-conjugaat Systemen

6.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60437

⸱

10 februari 2020

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

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Details van signaalgeneratie en -optimalisatie, meting, gegevensverwerving en gegevensverwerking voor een femtotweede time-resolved near-IR gestimuleerde Raman spectrometer worden beschreven. Een nabij infrarood gestimuleerde Raman studie over de opgewonden-staat dynamiek van β-caroteen in tolueen wordt getoond als een representatieve toepassing.

Samenvatting

Femtosecond time-resolved gestimuleerd Raman spectroscopie is een veelbelovende methode van het observeren van de structurele dynamiek van kortstondige transiënten met near infrared (near-IR) overgangen, omdat het de lage gevoeligheid van spontane Raman spectrometers in de near-IR regio kan overwinnen. Hier beschrijven we technische details van een femtosecond time-resolved near-IR multiplex gestimuleerd Raman spectrometer die we onlangs hebben ontwikkeld. Een beschrijving van signaalgeneratie en -optimalisatie, meting, gegevensverwerving en kalibratie en correctie van geregistreerde gegevens wordt ook verstrekt. We presenteren een toepassing van onze spectrometer om de opgewonden-staat dynamiek van β-caroteen in tolueen oplossing te analyseren. Een C =C stretch band van β-caroteen in de tweede laagste opgewonden singlet (S2)staat en de laagste opgewonden singlet (S1)staat wordt duidelijk waargenomen in de opgenomen tijd opgelost gestimuleerd Raman spectra. De femtosecond time-resolved near-IR gestimuleerde Raman spectrometer is van toepassing op de structurele dynamiek van π-conjugaat systemen van eenvoudige moleculen tot complexe materialen.

Inleiding

Raman spectroscopie is een krachtig en veelzijdig hulpmiddel voor het onderzoeken van de structuren van moleculen in een breed scala van monsters van eenvoudige gassen, vloeistoffen en vaste stoffen tot functionele materialen en biologische systemen. Raman verstrooiing wordt aanzienlijk verbeterd wanneer de foton energie van de excitatie licht samenvalt met de elektronische overgang energie van een molecuul. De resonantie Raman effect stelt ons in staat om selectief observeren het Raman spectrum van een soort in een monster bestaat uit vele soorten moleculen. Near-IR elektronische overgangen trekken veel aandacht als een sonde voor het onderzoeken van de opgewonden-staat dynamiek van moleculen met grote π-geconjugeerde structuren. De energie en levensduur van de laagste opgewonden singlet staat zijn bepaald voor verschillende carotenoïden, die een lange eendimensionale polyeenketen1,2,3. De dynamiek van neutrale en geladen excitaties is uitgebreid onderzocht op verschillende fotogeleidende polymeren in films4,5,6,7, nanodeeltjes8, en oplossingen9,10,11. Gedetailleerde informatie over de structuren van de transiënten zal verkrijgbaar zijn als de tijd opgelost in de buurt van IR Raman spectroscopie wordt toegepast op deze systemen. Slechts een paar studies, echter, zijn gemeld op de tijd opgelost in de buurt van IR Raman spectroscopie12,13,14,15,16, omdat de gevoeligheid van de buurt-IR Raman spectrometers is zeer laag. De lage gevoeligheid komt voornamelijk voort uit de lage kans op bijna IR Raman verstrooiing. De kans op spontane Raman verstrooiing is evenredig aan ωiωs3, waar ωi en ωs respectievelijk de frequenties van het excitatielicht en het Raman verstrooiingslicht zijn. Bovendien hebben commercieel beschikbare near-IR-detectoren een veel lagere gevoeligheid dan CCD-detectoren die in de UV- en zichtbare gebieden functioneren.

Femtosecond time-resolved gestimuleerd Raman spectroscopie is ontstaan als een nieuwe methode voor het observeren van tijd-afhankelijke veranderingen van Raman actieve trillingsbanden buiten de schijnbare Fourier-transformatie limiet van een laserpuls17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33. Gestimuleerde Raman verstrooiing wordt gegenereerd door bestraling van twee laserpulsen: de Raman pomp en sonde pulsen. Hier wordt aangenomen dat de Raman pomppuls een grotere frequentie heeft dan de sondepuls. Wanneer het verschil tussen de frequenties van de Raman pomp en sondepulsen samenvalt met de frequentie van een Raman actieve moleculaire trilling, wordt de trilling coherent opgewekt voor een groot aantal moleculen in het bestraalde volume. Niet-lineaire polarisatie veroorzaakt door de coherente moleculaire trilling verbetert het elektrische veld van de sondepuls. Deze techniek is bijzonder krachtig voor near-IR Raman spectroscopie, omdat gestimuleerde Raman verstrooiing het probleem van de gevoeligheid van de tijd opgelost e.ir spontane Raman-spectrometers kan oplossen. GestimuleerdE Raman verstrooiing wordt gedetecteerd als intensiteit veranderingen van de sonde puls. Zelfs als een near-IR detector een lage gevoeligheid heeft, zal gestimuleerde Raman verstrooiing worden gedetecteerd wanneer de sondeintensiteit voldoende wordt verhoogd. De kans op gestimuleerde Raman verstrooiing is evenredig aan ωRPωSRS, waar ωRP en ωSRS de frequenties zijn van de Raman pomppuls en raman verstrooiing gestimuleerd, respectievelijk20. De frequenties voor gestimuleerde Raman verstrooiing, ωRP en ωSRS, zijn gelijk aan ωi en ωs voor spontane Raman verstrooiing, respectievelijk. We hebben onlangs een femtosecond time-resolved near-IR Raman spectrometer met behulp van gestimuleerd Raman verstrooiing voor het onderzoeken van de structuren en dynamiek van kortstondige transiënten gefotogenereerde in π-conjugaat systemen2,3,7,10. In dit artikel presenteren we de technische details van onze femtosecond time-resolved near-IR multiplex gestimuleerd Raman spectrometer. Optische uitlijning, verwerving van tijdopgeloste gestimuleerd Raman spectra, en kalibratie en correctie van opgenomen spectra worden beschreven. De opgewonden-staatsdynamica van β-caroteen in tolueenoplossing wordt bestudeerd als representatieve toepassing van de spectrometer.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Opstarten van elektrische apparaten

  1. Schakel het femtoseconde Ti:sapphire lasersysteem in volgens de bedieningshandleiding. Wacht 2 uur tot het lasersysteem is opgewarmd.
  2. Schakel de stroomschakelaars van de optische chopper, de translationele podiumcontrollers, de spectrograaf, de InGaAs-matrixdetector en de computer in terwijl het systeem opwarmt. Vul de Dewar van de detector met vloeibare stikstof.

2. Optische uitlijning van spectrometer

  1. Spiegelaanpassing (figuur 1B)
    1. Controleer de positie van de steun op de spiegelhouder.
    2. Draai de bovenste knop van de berg met de klok mee en tegen de klok in om de gereflecteerde laserstraal respectievelijk in de verticale richting naar beneden te laten gaan, als de steun zich aan het onderste deel van de berg bevindt. Draai de knop in de tegenovergestelde richting als de steun zich aan het bovenste deel van de houder bevindt.
    3. Draai de knop aan de linkerkant van de berg met de klok mee en tegen de klok in om de gereflecteerde laserstraal respectievelijk naar rechts en links in de horizontale richting te laten rijden, als de steun zich aan de rechterkant van de berg bevindt. Draai de knop in de tegenovergestelde richting als de steun zich aan de linkerkant van de houder bevindt.
  2. Lensuitlijning
    1. Plaats een visitekaartje met een raster achter de lens als een scherm.
    2. Verwijder de lens. Introduceer de incidentbalk en laat deze op het scherm drukken. Markeer de positie van de balkvlek op het scherm met een pen.
    3. Blokkeer de balk en plaats de lens. Introduceer de balk en bevestig dat het precies het merk op het scherm raakt. Als dit niet het niet doet, past u de verticale en horizontale posities van de lens aan.
    4. Bereid een visitekaartje met een gat. Laat de incidentbalk door het gat voor de lens gaan en bevestig dat de spiegelende reflectie van de balk door de lens in de richting precies tegenover de incidentbalk reist. Als dit niet het doet, past u de hoek van de lens aan.
  3. Uitlijning van laserstraal(figuur 1C)
    1. Plaats een visitekaartje achter iris 2 (i2) als scherm.
    2. Laat de straal door het midden van i1 gaan door spiegel 1 (m1) aan te passen volgens punt 2.1. Laat de straal door het midden van i2 gaan door m2 aan te passen volgens punt 2.1.
    3. Bevestig dat de straal tegelijkertijd door de centra van i1 en i2 gaat. Als de straal niet door het midden van i1 gaat, herhaalt u stap 2.3.2 totdat de straal door de centra van beide irissen gaat.
  4. Uitlijning optische vertragingslijn(figuur 1D)
    1. Verwijder m3 en m4 op de optische vertragingslijn (ODL). Plaats i1 op de positie van m3 op de hoogte van het centrum van m3.
    2. Verplaats het podium zo ver mogelijk naar m2 door de richtingsknop van de podiumcontroller te plaatsen. Laat de straal door het midden van i1 gaan door m1 aan te passen volgens punt 2.1.
    3. Verplaats het podium uit elkaar van m2 zo ver als het kan door het plaatsen van de richtingknop van het podium controller. Laat de straal door het midden van i1 gaan door m2 aan te passen volgens punt 2.1.
    4. Verplaats het stadium in de richting van de balk ingang zo ver als het kan en bevestigen dat de straal gaat door het midden van i1. Als de straal na stap 2.4.3 niet door het midden van i1 gaat, herhaalt u stap 2.4.2–2.4.3 totdat de straal aan beide uiteinden van het podium door het midden van i1 gaat.
    5. Verwijder i1 uit de positie van m3. Plaats m3 en m4 op ODL. Laat de straal door het midden van i2 gaan door m3 en m4 aan te passen volgens de stappen 2.4.2–2.4.4.
    6. Zodra de stappen 2.4.1–2.4.5 klaar zijn, laat de straal door het midden van i2 gaan door m1 en m2 aan te passen volgens de stappen 2.4.2–2.4.5.
  5. Wit licht continuüm generatie(Figuur 1A)
    1. Plaats het variabele neutrale dichtheidsfilter (VND) VND1 in het pad van de incidentbundel. Plaats een visitekaartje ~ 200 mm afgezien van VND1 als een scherm.
    2. Draai VND1 totdat de incidentbalk de hoogste optische dichtheidspositie van VND1 bereikt, waar de verzonden straal het laagste vermogen heeft.
    3. Plaats de lens (L) L1 (brandpuntsafstand = 100 mm) achter VND1. Plaats de 3 mm dikke saffierplaat (SP) ~105 mm los van L1, waar SP zich iets achter de scherpstelling van de balk bevindt, waardoor de balk door SP in de buurt van de rand gaat.
    4. Stel de diameter van i6 op ~5 mm.
    5. Draai VND1 om de kracht van de overgebrachte straal geleidelijk te verhogen totdat er een geel-witte vlek op het scherm wordt waargenomen. Draai VND1 heel voorzichtig in dezelfde richting totdat een paarse ring de geel-witte vlek op het scherm omringt.
  6. Uitlijning van de sondestraal(figuur 1A)
    1. Pas de twee paar spiegels (M) (M4, M5) en (M7, M8) aan volgens punt 2.3. Pas ODL2 aan volgens punt 2.4. Pas M12 en M13 aan volgens punt 2.3.
    2. Genereer een wit licht continuüm volgens punt 2.5.
    3. Verwijder de kleurenglasfilters (F) F1 en F2 en de polarisator (P) P1.
    4. Reflecteer het witte lichtcontinuüm met de holle spiegel (CM). Laat de gereflecteerde balk net naast SP passeren.
    5. Laat de balk raken het centrum van M15 en M16 door het aanpassen van M14 en M15, respectievelijk, volgens punt 2.1. Verwijder L2, L3 en L4. Laat de balk het midden van de ingangsspleet van de spectrograaf raken door M16 aan te passen.
    6. Meet de diameter van de witte lichtcontinuümstraal bij CM en de spleet van de ingang met behulp van rasterpapier. Als de diameters tussen de twee posities aanzienlijk worden gewijzigd, past u de positie van CM parallel aan de bundel aan met behulp van een micrometer op de basisplaat van CM totdat de diameters vrijwel identiek worden. Voer stappen 2.6.4–2.6.5 na de aanpassing uit.
    7. Plaats L2, L3 en L4 volgens sectie 2.2 en plaats dan F1, F2 en P1.
  7. Raman pompstraal uitlijning(figuur 1A)
    1. Plaats het volume-roosterreflecterende bandpassfilter (BPF) in het uitgangsstraalpad van de optische parametrische versterker (OPA) OPA1. Stel BPF en M17 aan volgens punt 2.3. Gebruik een near-IR-sensorkaart voor het observeren van de balk.
    2. Stel de hoek van de halfgolfplaat (HWP) HWP2 in op 45° om de Raman-pomppolarisatie verticaal te zetten. Verwijder L5, L6 en L7.
    3. Laat de balk het midden van M19, M20 en M21 raken door respectievelijk M18, M19 en M20 aan te passen volgens sectie 2.1. Gebruik een near-IR-sensorkaart om de lichtbundelte plaatse te observeren.
    4. Plaats L5, L6 en L7 volgens sectie 2.2 met een near-IR-sensorkaart als scherm.
  8. Actinische uitlijning van de pompstraal(figuur 1A)
    1. L8 en L9 verwijderen. Laat de uitgangsstraal van OPA2 door het midden van de iris (I) I12 gaan door M22 aan te passen volgens punt 2.1.
    2. Pas M24 en M25 aan volgens punt 2.3. Plaats L8 en L9 volgens punt 2.2. Pas ODL1 aan volgens punt 2.4.
    3. Meet de diameter van de actinische pompstraal op M24 en M32 met behulp van roosterpapier. Als de diameters aanzienlijk verschillen tussen de twee posities, past u de positie van L9 parallel aan de bundel aan met behulp van een micrometer op de basisplaat van L9 totdat de diameters bijna identiek worden.
    4. L10 en M32 verwijderen. Pas M30 en M31 aan volgens punt 2.3.
    5. Plaats P2 op de positie van M32. Plaats een visitekaartje achter P2 als scherm.
    6. Stel P2 in de hoek waarmee de puls op 35,3° kan worden gepolariseerd ten opzichte van de verticale as om door P2 te gaan. Draai HWP3 totdat de lichtbundelop het scherm volledig verdwijnt. Voer dit protocol uit voor het elimineren van het effect van moleculaire heroriëntatie op tijdopgeloste metingen.
    7. Verwijder P2. Plaats M32 en weerkaats de straal in de richting van de stroomcel (FC). Plaats L10 volgens punt 2.2.
  9. Opstart van stroomcel(figuur 1E)
    1. Bevestig een 2 mm kwartsstroomcel aan de houder. Sluit elk uiteinde van de stroomcel aan op een buis (polyfluoroacetaat (PFA) (lengte = ~500 mm; buitendiameter = 1/8 inch) met een elastomeerbuis (lengte = ~10 mm).
    2. Plaats de buis van de bodem van de stroomcel in een reservoir gevuld met een monsteroplossing. Bevestig de buis vanaf de bovenkant van de stroomcel aan de inlaat van de magneettandwielpomp.
    3. Bevestig een PFA-buis (lengte = ~500 mm; buitendiameter = 1/8 inch) aan de uitlaat van de magneettandwielpomp en steek het andere uiteinde van het reservoir in.
    4. Plaats de stroomcelhouder aan de scherpstelling van de sondestraal.
    5. Zet de magnetische tandwielpomp aan. Pas de stroomsnelheid aan ~20 mL/min aan met behulp van de spanningsregeling van de pomp om het monster in het verlichte volume te vervangen voordat elke actinische pomppuls FC bereikt.

3. Softwarewerking

  1. Detectorsetup
    1. Open het deelvenster Detector. Klik op de knop Initialiseren. Wacht tot de detector geinitialiseerde indicator is verlicht.
    2. Voer 40 in het vak Belichtingstijd (ms).
    3. Selecteer iga Lo Gain en IGA 280 kHz uit de vervolgkeuzemenu's A/D en A/D-snelheid. IGA en A/D staan voor respectievelijk InGaAs en de analoog-naar-digitale converter.
    4. Klik op de knop Instellen onder de indicator Detector set-up. Controleer of het lampje is ingeschakeld.
    5. Stel de triggerschakelaar in op Extern in het vervolgkeuzemenu Trigger-gebeurtenis. Selecteer Each – For Each Acq en TTL Rising Edge in het vervolgkeuzemenu Trigger Edge. TTL staat voor transistor-transistor logica.
    6. Klik op de knop Instellen onder de indicator Triggerset. Controleer of het lampje is ingeschakeld.
    7. Klik op de knop Lezen onder aan het deelvenster. Controleer of het vak Detectortemperatuur (K) een waarde onder de 170 K weergeeft. Zo niet, wacht dan tot de temperatuur onder de 170 K zakt.
  2. Spectrograafsetup
    1. Open het deelvenster Spectrograaf. Klik op de knop Initialiseren. Wacht tot het geparafeerde indicatorlampje van spectrograaf is ingeschakeld.
    2. Selecteer 1. Groeven 300 g/mm, Blaze Golflengte 2000 nm uit het vervolgkeuzemenu Roosteren. Klik op de knop Instellen aan de rechterkant van het vervolgkeuzemenu Roosteren.
    3. Voer de middelste golflengte van de spectrograaf in het vak Verplaatsen naar in en klik op de knop Gaan. De middelste golflengte bevindt zich meestal tussen 1.380 en 1.430 nm wanneer de spectrograaf het vingerafdrukgebied van het gestimuleerde Raman-spectrum bestrijkt.
    4. Voer een breedte van de ingang in het vak Ingang instellen in en klik op de knop Instellen aan de rechterkant van het vak. De breedte van de ingangsspleet is gewoonlijk geplaatst op 0.3 mm.
  3. Besturingselement voor de positie van het werkgebied
    1. Open het deelvenster Voorbeeld. Voer een waarde van de ODL1-positie in micrometers in het vak SK Stage Position (μm) in. Het vak accepteert waarden van 0 tot 200.000 (μm). Klik op de knop Start aan de rechterkant van het vak.
    2. Voer een waarde van de ODL2-positie in 0,1 μm in het vak FA Stage Position (1/10 μm) in. Het vak accepteert waarden van -250.000 tot 250.000 (x 1/10 μm). Klik op de knop Start aan de rechterkant van het vak.
  4. Enkele meting
    1. Voer het aantal accumulaties in voor één meting van een spectrum in het vak Accumulatie. Het vak accepteert waarden van 1 tot 999.
    2. Sluit de ingang van de spectrograaf door het middenrif bar naar rechts te duwen voor zover het kan bewegen. Klik op de knop Donker opslaan. Open de ingang van de spectrograaf door de middenrifbalk naar links te trekken voor zover hij kan bewegen.
    3. Schakel het selectievakje Gemiddeld in om alleen een gemiddeld resultaat te bekijken.
    4. Selecteer Lichtspectrum verwerven en controleer tijdelijke absorptie uit de vervolgkeuzelijst van de operatiemodus voor het meten van de sondeintensiteiten en het meten van gestimuleerde Raman- of tijdelijke absorptiespectra.
    5. Klik op de knop Verwerven.
    6. Als u metingen automatisch wilt herhalen, schakelt u het selectievakje Continu in en klikt u op de knop Verwerven. Schakel het selectievakje Continu uit om de continue metingen te stoppen.
    7. Open het dialoogvenster Bestand door op het mappictogram te klikken. Dubbelklik op een map om gegevens op te slaan. Voer een bestandsnaam in met de extensie ".txt" en klik op OK. Klik op de knop Opslaan.
  5. Tijdoptemeting
    1. Open het deelvenster Experiment. Voer een naam in binnen 20 tekens waarin een experiment kort wordt beschreven (bijvoorbeeld namen van monsters, voorwaarden) in het vak Naam experimenteren.
    2. Open het dialoogvenster Bestand door op het mappictogram te klikken. Dubbelklik op een map om gegevens op te slaan en klik op OK.
    3. Voer het aantal translationele fasescans in het vak Aantal scans in.
    4. Selecteer de translationele fase die is gescand in het experiment in het vervolgkeuzemenu Fase voor scannen.
    5. Voer een stagepositie in waar de scan begint in het vak Van bereik A. De eenheid en het bereik van de aanvaardbare waarden zijn afhankelijk van de fase (zie punt 3.3).
    6. Voer een interval in tussen twee opeenvolgende fasenposities in het vak Stap van bereik A. Het interval van 1 μm in de podiumpositie komt overeen met het interval van 6,7 fs in de tijdsvertraging tussen de actinische (of Raman) pomp en sondepulsen.
    7. Voer het aantal werkposities in een scan in het vak Punten van bereik Ain .
    8. Als er meer dan één interval vereist is in één scan, schakelt u het vak Bereik B in en herhaalt u de stappen 3.5.5–3.5.7 voor bereik B. Er kunnen drie intervallen worden ingesteld met bereik A, Ben C.
    9. Start de scans door op de knop Uitvoeren te klikken. Het indicatorlampje Experiment uitvoeren wordt ingeschakeld. Wacht tot het lampje uitgaat.

4. Optimalisatie van sondespectrum

  1. Plaats balk stortplaatsen in de paden van de actinische en Raman pomp balken. Stel P1 in onder de hoek waarmee de verticaal gepolariseerde puls door P1 kan gaan.
  2. Stel het aantal accumulaties in op 10 volgens stap 3.4.1. Bewaar het donkere signaal volgens stap 3.4.2. Selecteer Lichtspectrum verwerven volgens stap 3.4.4.
  3. Voer continue metingen uit volgens stap 3.4.6 voor het bekijken van gegevens. Maximaliseer detectortellingen op het display door HWP1 geleidelijk te roteren.
  4. Geleidelijk verhogen van de intensiteit van het incident puls door te draaien VND1 totdat de maximale en minimale detector telt bereiken ongeveer 30.000 en 4.000, respectievelijk. Als een groot oscillatory patroon begint te worden waargenomen, draai VND1 in de tegenovergestelde richting totdat het patroon verdwijnt.
  5. Stop de continue metingen volgens stap 3.4.6.

5. Meting van stationaire gestimuleerde Raman spectra

  1. Ruimtelijke overlap van Raman pomp en sonde pulsen
    1. Verwijder de balk dump in de Raman pomp balk pad. Plaats de optische chopper (OC) in het Raman pompstraalpad.
    2. Plaats een near-IR-sensorkaart op de monsterpositie. Pas de richting van de Raman pompbalk aan door M21 aan te passen volgens punt 2.1 totdat de vlekken van de Raman-pomp en sondestralen elkaar volledig overlappen. Verwijder de sensorkaart.
  2. Tijdelijke overlap van Raman pomp en sonde pulsen
    1. Plaats een InGaAs-pincode fotodiode op de monsterpositie waar de Raman-pomp en sondestralen elkaar ruimtelijk overlappen als gevolg van punt 5.1.
    2. Sluit de signaaluitgang van de fotodiode aan op een 500 MHz, 5 GS/s digitale oscilloscoop om te controleren wanneer de Raman-pomp- en sondepulsen op de monsterpositie aankomen.
    3. Stel de horizontale schaal van de oscilloscoop in op 1 ns/div.
    4. Lees de piektijd van de signaalintensiteit voor de Raman-pomp en sondepulsen die de andere puls blokkeren.
    5. Als er een verschil in de piektijd wordt waargenomen voor de twee pulsen, pas dan de positie van ODL2 aan volgens punt 3.3 totdat het verschil kleiner wordt dan 200 ps.
  3. Aanpassing van de rotatiefase van de optische chopper
    1. Voeg 40 mL cyclohexaan toe aan het reservoir. Start vloeiende cyclohexaan volgens stap 2.9.5.
    2. Stel de middelste golflengte van de spectrograaf op 1.190 nm volgens stap 3.2.3 om Rayleigh verstrooiing van de Raman pomppuls te observeren.
    3. Stel het aantal accumulaties in op 10 volgens stap 3.4.1. Bewaar het donkere signaal volgens stap 3.4.2.
    4. Selecteer Tijdelijke absorptie controleren op basis van stap 3.4.4.
    5. Voer continue metingen uit volgens stap 3.4.6.
    6. Maximaliseer de amplitude van het schijnbare voorbijgaande absorptiesignaal met het negatieve teken op de Raman-pompgolflengte, die voortkomt uit de aanwezigheid en afwezigheid van de verspreide Raman-pomppuls als gevolg van hakken, door de rotatiefase van OC van -180 aan te passen °−170° op het voorpaneel van de controller.
    7. Stop de continue metingen volgens stap 3.4.6.
  4. Signaalmaximalisatie
    1. Stel de middelste golflengte van de spectrograaf in op 1.410 nm volgens stap 3.2.3 voor het observeren van gestimuleerde Raman-spectra.
    2. Voer continue metingen uit volgens stap 3.4.6 en controleer of geprikkelde Raman-banden van cyclohexaan in het display worden waargenomen. De sterkste band van cyclohexaan verschijnt bij de 55e-58e pixel wanneer de middelste golflengte is ingesteld op 1.410 nm.
    3. Als de gestimuleerde Raman-banden niet worden waargenomen, probeer dan de positie van ODL2 te veranderen met ±15.000 μm met intervallen van 150 μm overeenkomstig punt 3.3 en kijk of de gestimuleerde Raman-banden worden waargenomen.
    4. Als de gestimuleerde Raman-banden niet worden waargenomen nadat stap 5.4.3 is uitgevoerd, probeer dan stap 5.1.2 opnieuw om de ruimtelijke overlap tussen de Raman-pomp en sondebalken te verkrijgen en stap 5.4.2 opnieuw uit te voeren.
    5. Zodra de gestimuleerde Raman-banden zijn gedetecteerd, maximaliseer tu u de bandintensiteiten in het display door M21, de rotatiefase van OC en de positie van ODL2 iteratief aan te stellen.
    6. Stop de continue metingen volgens stap 3.4.6.
  5. Meting
    1. Stel het aantal accumulaties in op 500 volgens stap 3.4.1. Bewaar het donkere signaal volgens stap 3.4.2.
    2. Voer een enkele meting uit volgens stap 3.4.5. Sla het spectrum op volgens stap 3.4.7. Herhaal de meting ten minste 4x.
    3. Verwijder de FC inlaatbuis uit het reservoir en wacht tot de stroom wordt onderbroken door de lucht. Minimaliseer de spanning van de magnetische tandwielpomp.
    4. Vervang de inhoud van het reservoir door het reservoir gevuld met 100 mL verse aceton.
    5. Zet de inlaat- en uitlaatbuizen in respectievelijk het reservoir en de lege kolf. Start de magnetische tandwielpomp volgens stap 2.9.5 en laat toluene door de FC stromen.
    6. Wacht tot de stroming wordt onderbroken door de lucht. Minimaliseer de spanning van de magnetische tandwielpomp.
    7. Herhaal de stappen 5.5.4–5.5.6 ten minste 2x.
    8. Voeg 40 mL aceton toe aan het reservoir. Begin aceton te stromen volgens stap 2.9.5.
    9. Neem het gestimuleerde Raman-spectrum van aceton vast volgens stap 5.5.2.
    10. Verwijder aceton van de FC volgens stap 5.5.3.
    11. Herhaal stap 5.5.4–5.5.10 met tolueen in plaats van aceton.

6. Meting van tijdsgebaseerde absorptiespectra

  1. Leeg het reservoir en voeg 25 mL tolueenoplossing van β-caroteen toe met een concentratie van 1 x 10-4 mol dm-3. Begin met het doorstromen van de monsteroplossing volgens stap 2.9.5.
  2. Plaats de OC in het actinische pompstraalpad.
  3. Verplaats de balk dump van het pad van de actinische pomp balk naar die van de Raman pomp balk.
  4. Overlap de actinische pomp en sondebalken op de monsterpositie ruimtelijk volgens stap 5.1.2 met behulp van een visitekaartje in plaats van de near-IR-sensorkaart.
  5. Elkaar de twee balken op de monsterpositie overeenkomstig sectie 5.2 tijdelijk overlappen met behulp van een Si PIN-fotodiode in plaats van de InGaAs-pinfotodiode.
  6. Stel het aantal accumulaties in op 10 volgens stap 3.4.1. Bewaar het donkere signaal volgens stap 3.4.2.
  7. Selecteer Tijdelijke absorptie controleren op basis van stap 3.4.4.
  8. Voer continue metingen uit volgens stap 3.4.6 en controleer of de tijdelijke absorptie van β-caroteen in het display wordt waargenomen. De absorptieband verschijnt met een vorm die monotoon naar langere golflengten afneemt (de op één na laagste opgewonden singletstaat, S2) of met twee maxima rond de 0e en 511e pixel (de laagste opgewonden singlet-status, S1).
  9. Als de tijdelijke absorptie niet wordt waargenomen, probeert u de positie van ODL1 met ±15.000 μm te veranderen met intervallen van 150 μm overeenkomstig punt 3.3.
  10. Als er geen absorptieband wordt waargenomen nadat stap 6.9 is uitgevoerd, probeert u stap 6.4 opnieuw om de ruimtelijke overlap tussen de actinische pomp en sondestralen te verkrijgen.
  11. Maximaliseer de absorptieintensiteit door M32 aan te pas te lezen zodra de voorbijgaande absorptieband is gedetecteerd.
  12. Stop de continue metingen volgens stap 3.4.6.
  13. Verlaag de positie van ODL1 volgens punt 3.3 totdat de tijdelijke absorptie volledig verdwijnt.

7. Meting van de tijd opgelost gestimuleerd Raman spectra

  1. Plaats de OC in het Raman pompstraalpad. Verwijder de balk dump van de Raman pomp balk pad.
  2. Stel het aantal accumulaties in op 200 volgens stap 3.4.1. Bewaar het donkere signaal volgens stap 3.4.2.
  3. Voer een op tijd opgelost experiment uit volgens punt 3.5. Selecteer sk-fase instap 3.5.4. Stel in dat de beginwaarde van bereik A met ongeveer 50 μm kleiner is dan de positie waar het voorbijgaande absorptiesignaal in stap 6.13 verdween.

8. Raman-ploegenkalibratie

  1. Bereken het gemiddelde van de vier gestimuleerde Raman spectra voor cyclohexaan, aceton en tolueen opgenomen in sectie 5 met behulp van data-analyse software van uw keuze.
  2. Plot de gemiddeld gestimuleerde Raman spectra van de oplosmiddelen tegen het pixelaantal van de InGaAs array detector.
  3. Schat de piekposities van de gestimuleerde Raman-banden van de oplosmiddelen door de minst-vierkanten montage analyse met de Lorentzian functies. Als de Lorentziaanse functie niet beschikbaar is, gebruikt u in plaats daarvan een polynomiale functie.
  4. Zet de piekgolfnummers van de Raman-banden van de oplosmiddelen in een naslagwerk (bijvoorbeeld Hamaguchi en Iwata34)in kaart tegen de geschatte piekposities in het pixelgetal.
  5. Verkrijg een kalibratiefunctie tussen de Raman-verschuiving en het pixelgetal door de minst vierkante serende analyse met een tweede- of derdegraads polynomiale functie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Femtotweede tijd-opgelost dichtbij-IR gestimuleerde Raman spectroscopie werd toegepast op β-caroteen in tolueenoplossing. De concentratie van het monster was 1 x 10-4 mol dm-3. Het monster werd gefotoenthousiast door de actinische pomppuls op 480 nm met een pulsenergie van 1 μJ. Tijd-opgelost gestimuleerde Raman spectra van β-caroteen in tolueen worden weergegeven in figuur 2A. De ruwe spectra bevatten sterke Raman banden van het oplosmiddel tolueen en ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Cruciale factoren in femtosecond time-resolved near-IR multiplex gestimuleerd Raman meting
Om tijdopgeloste bijna-IR gestimuleerde Raman spectra met een hoge signaal-ruisverhouding te verkrijgen, zou het sondespectrum idealiter een uniforme intensiteit in het gehele golflengtebereik moeten hebben. Witlicht continuüm generatie (paragraaf 2.5) is daarom een van de meest cruciale delen van de tijd opgelost in de buurt van IR gestimuleerd Raman experimenten. In het algemeen wordt het sondespectrum breed e...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door JSPSHI Grant Numbers JP247KAKEN0023, JP24350012, MEXT KAKENHI Grant Numbers JP26104534, JP16H00850, JP26102541, JP16H00782, en MEXT-Supported Program for the Strategic Research Foundation at Private Universities, 2015-2019.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1-Axis Translational StageOptSigmaTSD-401SProducten gelijkwaardig hieraan worden ook gebruikt; voor M22, L9 en CM in figuur 1A
20-cm Optical Delay LineOptSigmaSGSP26-200ODL1 in figuur 1A
3-Axis Translational StageOptSigmaTSD-405SLVoor L8 in figuur 1A
3-Axis Translational StageSuruga SeikiB72-40CVoor FC in figuur 1A
5-cm Optical Delay LinePMTHRS-0050ODL2 in figuur 1A
Al Concave MirrorThorlabsCM254-050-G01Focaalleiding: 50 mm; CM in figuur 1A
Base PlateSuruga SeikiA21-6Producten gelijkwaardig hieraan worden ook gebruikt; voor M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM en FC in figuur 1A
BBO CrystalEKSMA Optics-Type 1, θ = 23,2 graden; BBO in figuur 1A
BK7 Plano-Concave LensOptSigmaSLB-25.4-50NIR2Focaalleiding: 50 mm; IR antireflectiecoating; L6 in figuur 1A
BK7 Plano-Convex LensOptSigmaSLB-25.4-150PIR2Focaalleiding: 150 mm; IR antireflectiecoating; L2, L3, L5 in figuur 1A
BK7 Plano-Convex LensOptSigmaSLB-25.4-100PIR2Focaalleiding: 100 mm; IR antireflectiecoating; L4 in figuur 1A
BK7 Plano-Convex LensOptSigmaSLB-25.4-200PIR2Focaalleiding: 200 mm; IR antireflectiecoating; L7 in figuur 1A
Broadband Dielectric MirrorOptSigmaTFMS-25.4C05-2/7M22-M25, M28, M29 in figuur 1A
Broadband Dielectric MirrorPrecision Photonics (Advanced Thin Films)-M26, M27, M30-M32 in figuur 1A
Broadband Half-Wave PlateCryLight-HWP3 in figuur 1A
Color Glass FilterHOYAIR85F1 in figuur 1A
Color Glass FilterHOYARM100F2 in figuur 1A
Color Glass FilterSchottBG39F3 in figuur 1A
ComputerDellVostro 200 Mini TowerOS: Windows XP
CyclohexaneKanto Kagaku07547-1BHPLC-kwaliteit
Data Analysis SoftwareWavemetricsIgor Pro 8
Dielectric BeamsplitterLAYERTEC-Reflectie : Transmissie = 2 : 1; BS1 in figuur 1A
Dielectric BeamsplitterLAYERTEC-Reflectie : Transmissie = 1 : 1; BS2, BS3 in figuur 1A
Dielectric MirrorPrecision Photonics
(Advanced Thin Films)		-M1-M8 in figuur 1A
Digital OscilloscopeTektronixTDS3054B500 MHz, 5 GS/s
Elastomer Tube--Figuur 1E
Femtosecond Ti:sapphire OscillatorCoherentVitesse 800-2Golflengte: 800 nm, pulsduur: 100 fs, gemiddeld vermogen: 280 mW, herhalingssnelheid: 80 MHz; inbegrepen in Ti:S in figuur 1A
Femtosecond Ti:sapphire Regenerative AmplifierCoherentLegend-Elite-F-HEGolflengte: 800 nm, pulsduur: 100 fs, pulsenergie: 3,5 mJ, herhalingssnelheid: 1 kHz; inbegrepen in Ti:S in figuur 1A
Film PolarizerOptSigmaSPFN-30C-26P1 in figuur 1A
Glan-Taylor PrismOptSigmaGYPB-10-10SN-3/7P2 in figuur 1A
Gold MirrorOptSigmaTFG-25C05-10M9-M21 in figuur 1A
Half-Wave PlateOptSigmaWPQ-7800-2MHWP1 in figuur 1A
Harmonic SeparatorCoherentTOPAS-C HRs 410-540 nmHS in figuur 1A
InGaAs Array DetectorHoribaSymphony-IGA-512X1-50-1700-1LS512 ch, Vloeibaar stikstof gekoeld
InGaAs PIN PhotodiodeHamamatsu PhotonicsG10899-01K
IR Half-Wave PlateOptiSource-HWP2 in figuur 1A
IrisSuruga SeikiF74-3NProducten gelijkwaardig hieraan worden ook gebruikt; I1-I17 in figuur 1A
Lens HolderOptSigmaLHF-25.4SProducten gelijkwaardig hieraan worden ook gebruikt; voor L1-L10 in figuur 1A
Magnetic Gear PumpMicropump184-415
Mirror MountSiskiyouIM100.C2M6RProducten gelijkwaardig hieraan worden ook gebruikt; voor M1-M32, BS1-BS3, BBO, CM in figuur 1A
near-IR phosphor cardThorlabsVRC2
Nut--Figuur 1E, M4; gekocht bij een doe-het-zelfwinkel
Optical ChopperNew Focus3501OC in figuur 1A
Optical Parametric AmplifierCoherentOPerA-FOPA1 in figuur 1A
Optical Parametric AmplifierCoherentTOPAS-COPA2 in figuur 1A
Polarizer HolderOptSigmaPH-30-ARSProducten gelijkwaardig hieraan worden ook gebruikt; voor P1-P2 en HWP1-3 In figuur 1A
Polyfluoroacetate Tube--Figuur 1E
Post HolderOptSigmaBRS-12-80Producten gelijkwaardig hieraan worden ook gebruik

Referenties

  1. Polívka, T., Herek, J. L., Zigmantas, D., Åkerlund, H. -E., Sundström, V. Direct Observation of the (Forbidden) S1 State in Carotenoids. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (9), 4914-4917 (1999).
  2. Takaya, T., Iwata, K. Relaxation Mechanism of β-Carotene from S2 (1Bu+) State to S1 (2Ag-) State: Femtosecond Time-Resolved Near-IR Absorption and Stimulated Resonance Raman Studies in 900-1550 nm Region. Journal of Physical Chemistry A. 118 (23), 4071-4078 (2014).
  3. Takaya, T., Anan, M., Iwata, K. Vibrational Relaxation Dynamics of β-Carotene and Its Derivatives with Substituents on Terminal Rings in Electronically Excited States as Studied by Femtosecond Time-Resolved Stimulated Raman Spectroscopy in the Near-IR Region. Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (5), 3320-3327 (2017).
  4. Guo, J., Ohkita, H., Benten, H., Ito, S. Near-IR Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy of Ultrafast Polaron and Triplet Exciton Formation in Polythiophene Films with Different Regioregularities. Journal of the American Chemical Society. 131 (46), (2009).
  5. Hwang, I. -W., et al. Carrier Generation and Transport in Bulk Heterojunction Films Processed with 1,8-Octanedithiol as a Processing Additive. Journal of Applied Physics. 104 (3), 033706(2008).
  6. Yonezawa, K., Kamioka, H., Yasuda, T., Han, L., Moritomo, Y. Fast Carrier Formation from Acceptor Exciton in Low-Gap Organic Photovoltaic. Applied Physics Express. 5 (4), 042302(2012).
  7. Takaya, T., Enokida, I., Furukawa, Y., Iwata, K. Direct Observation of Structure and Dynamics of Photogenerated Charge Carriers in Poly(3-hexylthiophene) Films by Femtosecond Time-Resolved Near-IR Inverse Raman Spectroscopy. Molecules. 24 (3), 431(2019).
  8. Clafton, S. N., Huang, D. M., Massey, W. R., Kee, T. W. Femtosecond Dynamics of Excitons and Hole-Polarons in Composite P3HT/PCBM Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry B. 117 (16), 4626-4633 (2013).
  9. Cook, S., Furube, A., Katoh, R. Analysis of the Excited States of Regioregular Polythiophene P3HT. Energy & Environmental Science. 1 (2), 294-299 (2008).
  10. Okino, S., Takaya, T., Iwata, K. Femtosecond Time-Resolved Near-Infrared Spectroscopy of Oligothiophenes and Polythiophene: Energy Location and Effective Conjugation Length of Their Low-Lying Excited States. Chemistry Letters. 44 (8), 1059-1061 (2015).
  11. Takaya, T., Iwata, K. Development of a Femtosecond Time-Resolved Near-IR Multiplex Stimulated Raman Spectrometer in Resonance with Transitions in the 900-1550 nm Region. Analyst. 141 (14), 4283-4292 (2016).
  12. Jas, G. S., Wan, C., Johnson, C. K. Picosecond Time-Resolved Fourier Transform Raman Spectroscopy of 9,10-Diphenylanthracene in the Excited Singlet State. Applied Spectroscopy. 49 (5), 645-649 (1995).
  13. Jas, G. S., Wan, C., Kuczera, K., Johnson, C. K. Picosecond Time-Resolved Fourier-Transform Raman Spectroscopy and Normal-Mode Analysis of the Ground State and Singlet Excited State of Anthracene. Journal of Physical Chemistry. 100 (29), 11857-11862 (1996).
  14. Sakamoto, A., Okamoto, H., Tasumi, M. Observation of Picosecond Transient Raman Spectra by Asynchronous Fourier Transform Raman Spectroscopy. Applied Spectroscopy. 52 (1), 76-81 (1998).
  15. Sakamoto, A., Matsuno, S., Tasumi, M. Construction of Picosecond Time-Resolved Raman Spectrometers with Near-Infrared Excitation. Journal of Raman Spectroscopy. 37 (1-3), 429-435 (2006).
  16. Sakamoto, A., Matsuno, S., Tasumi, M. Picosecond Near-Infrared Excited Transient Raman Spectra of β-Carotene in the Excited S2 State: Solvent Effects on the in-Phase C=C Stretching Band and Vibronic Coupling. Journal of Molecular Structure. 976 (1-3), 310-313 (2010).
  17. Yoshizawa, M., Kurosawa, M. Femtosecond Time-Resolved Raman Spectroscopy Using Stimulated Raman Scattering. Physical Review A. 61 (1), 013808(2000).
  18. Yoshizawa, M., Kubo, M., Kurosawa, M. Ultrafast Photoisomerization in DCM Dye Observed by New Femtosecond Raman Spectroscopy. Journal of Luminescence. 87-89, 739-741 (2000).
  19. Yoshizawa, M., Aoki, H., Hashimoto, H. Vibrational Relaxation of the 2Ag– Excited State in All-Trans-β-Carotene Obtained by Femtosecond Time-Resolved Raman Spectroscopy. Physical Review B. 63 (18), 180301(2001).
  20. McCamant, D. W., Kukura, P., Mathies, R. A. Femtosecond Broadband Stimulated Raman: A New Approach for High-Performance Vibrational Spectroscopy. Applied Spectroscopy. 57 (11), 1317-1323 (2003).
  21. McCamant, D. W., Kukura, P., Yoon, S., Mathies, R. A. Femtosecond Broadband Stimulated Raman Spectroscopy: Apparatus and Methods. Review of Scientific Instruments. 75 (11), 4971-4980 (2004).
  22. Kukura, P., McCamant, D. W., Mathies, R. A. Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 58, 461-488 (2007).
  23. Laimgruber, S., Schachenmayr, H., Schmidt, B., Zinth, W., Gilch, P. A Femtosecond Stimulated Raman Spectrograph for the Near Ultraviolet. Applied Physics B. 85 (4), 557-564 (2006).
  24. Umapathy, S., Lakshmanna, A., Mallick, B. Ultrafast Raman Loss Spectroscopy. Journal of Raman Spectroscopy. 40 (3), 235-237 (2009).
  25. Mallick, B., Lakshmanna, A., Umapathy, S. Ultrafast Raman Loss Spectroscopy (URLS): Instrumentation and Principle. Journal of Raman Spectroscopy. 42 (10), 1883-1890 (2011).
  26. Kloz, M., van Grondelle, R., Kennis, J. T. M. Wavelength-Modulated Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy-Approach towards Automatic Data Processing. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (40), 18123-18133 (2011).
  27. Kloz, M., Weißenborn, J., Polívka, T., Frank, H. A., Kennis, J. T. M. Spectral Watermarking in Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy: Resolving the Nature of the Carotenoid S* State. Physical Chemistry Chemical Physics. 18 (21), 14619-14628 (2016).
  28. Kuramochi, H., Takeuchi, S., Tahara, T. Ultrafast Structural Evolution of Photoactive Yellow Protein Chromophore Revealed by Ultraviolet Resonance Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry Letters. 3 (15), 2025-2029 (2012).
  29. Wang, S., et al. Dynamic High Pressure Induced Strong and Weak Hydrogen Bonds Enhanced by Pre-Resonance Stimulated Raman Scattering in Liquid Water. Optics Express. 25 (25), 31670-31677 (2017).
  30. Ashner, M. N., Tisdale, W. A. High Repetition-Rate Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy with Fast Acquisition. Optics Express. 26 (14), 18331-18340 (2018).
  31. Quincy, T. J., Barclay, M. S., Caricato, M., Elles, C. G. Probing Dynamics in Higher-Lying Electronic States with Resonance-Enhanced Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry A. 122 (42), 8308-8319 (2018).
  32. Taylor, M. A., et al. Delayed Vibrational Modulation of the Solvated GFP Chromophore into a Conical Intersection. Physical Chemistry Chemical Physics. 21 (19), 9728-9739 (2019).
  33. Cassabaum, A. A., Silva, W. R., Rich, C. C., Frontiera, R. R. Orientation and Polarization Dependence of Ground- and Excited-State FSRS in Crystalline Betaine-30. Journal of Physical Chemistry C. 123 (20), 12563-12572 (2019).
  34. Raman Spectroscopy (The Spectroscopical Society of Japan, Spectroscopy Series 1). Hamaguchi, H., Iwata, K. , Kodansha. Tokyo, Japan. (2015).
  35. Hashimoto, H., Koyama, Y. The C=C Stretching Raman Lines of β-Carotene Isomers in the S1 State as Detected by Pump-Probe Resonance Raman Spectroscopy. Chemical Physics Letters. 154 (4), 321-325 (1989).
  36. Noguchi, T., Hayashi, H., Tasumi, M., Atkinson, G. H. Solvent Effects on the ag C=C Stretching Mode in the 21Ag- Excited State of β-Carotene and Two Derivatives: Picosecond Time-Resolved Resonance Raman Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry. 95 (8), 3167-3172 (1991).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Femtoseconde tijdresoluut spectroscopieDynamiek van bèta-caroteenUitlijning van optische vertragingslijnGestimuleerde Raman-bandenTransiënte absorptiemetingOptimalisatie van signaalgeneratieKalibratie van gegevensverwervingAnalyse van pi-geconjugeerde systemenChemische reactiedynamiek
Ultrasnelle time-resolved Near-IR Stimulated Raman Metingen van Functionele π-conjugaat Systemen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.