Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Ультрабыстрое время решено около-ИК Стимулированные Раман Измерения функциональных и конъюгированных систем

6.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/60437

⸱

10 февраля 2020 г.

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

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

Описаны сведения о генерации и оптимизации сигнала, измерении, сборе данных и обработке данных для фемтосекундного времени, разрешиваемого почти ИК-спектрометра. В качестве репрезентативного применения показано около инфракрасное исследование, стимулирующее Раман на динамике возбужденного состояния к-каротина в толуоле.

Аннотация

Фемтосекундная стимулируемая Рамана спектроскопия является перспективным методом наблюдения структурной динамики недолговечных переходных процессов с ближними инфракрасными (ближними ИР) переходами, поскольку она может преодолеть низкую чувствительность спонтанных раманометров в области ближнего ИР. Здесь мы описываем технические детали фемтосекундного тайм-решенного почти ИР мультиплекса стимулировали Роман спектрометр, который мы недавно разработали. Предоставляется также описание генерации и оптимизации сигналов, измерений, сбора данных, калибровки и коррекции записанных данных. Мы представляем применение нашего спектрометра для анализа динамики возбужденного состояния к-каротина в толуевом растворе. Растяжка C'C из каротина во втором самом низком возбужденном сингле (S2)состоянии и самый низкий возбужденный синглет (S1) состояние четко наблюдается в записанном времени решенстимулстимулированных Спектра Раман. Фемтосекундный временнорешенный почти ИР стимулируемый Раманеспектрен применим к структурной динамике конъюгированных систем от простых молекул до сложных материалов.

Введение

Раманская спектроскопия является мощным и универсальным инструментом для исследования структур молекул в самых разнообразных образцах от простых газов, жидкостей и твердых веществ до функциональных материалов и биологических систем. Раманское рассеяние значительно усиливается, когда фотон-энергия возбуждающего света совпадает с электронной переходной энергией молекулы. Резонансный эффект Раман позволяет селективно наблюдать рамановый спектр вида в образце, состоящем из многих видов молекул. Ближайшие ИР электронные переходы привлекают большое внимание в качестве зонда для исследования взволнованно-государственной динамики молекул с большими конъюгированными структурами. Энергия и срок службы самого низкого возбужденного состояния синглетов были определены для нескольких каротиноидов, которые имеют длинную одномерную полиеновой цепи1,2,3. Динамика нейтральных и заряженных возбуждений была тщательно исследована для различных фотопроводящих полимеров в фильмах4,5,6,7,наночастиц8,и растворов9,10,11. Подробная информация о структурах переходных структур будет получена, если к этим системам будет применена временнорешеная спектроскопия,как и около ИР. Только несколько исследований, однако, были зарегистрированы на время решена почти ИР Раман спектроскопии12,13,14,15,16, потому что чувствительность ближнего ИР Раман спектрометров является чрезвычайно низким. Низкая чувствительность в основном происходит от низкой вероятности почти ИР Расан рассеяния. Вероятность спонтанного рассеяния Рамановпропорциональна3,где частоты света возбуждения и рассеяния Раманского света, соответственно. Кроме того, коммерчески доступные около ИК-детекторы имеют гораздо более низкую чувствительность, чем детекторы CCD, функционирующие в УФ-и видимых регионах.

Фемтосекундная временем решена стимулируемая Раманская спектроскопия стала новым методом наблюдения зависящих от времени изменений активных колебательных полос Рамына за пределами очевидного предела Фурье-преобразователя лазерного импульса17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33. Стимулированное рассеяние Раман генерируется облучением двух лазерных импульсов: Рамана насоса и импульсов зонда. Здесь предполагается, что импульс насоса Расан имеет большую частоту, чем пульс зонда. Когда разница между частотами Рамана насоса и импульсов зонда совпадает с частотой активных молекулярных вибраций Раман, вибрация когерентно возбуждается для большого количества молекул в облучении объема. Нелинейная поляризация, вызванная когерентной молекулярной вибрацией, улучшает электрическое поле пульса зонда. Этот метод особенно силен для околоир-ИР-Раманской спектроскопии, так как стимулируемое рассеяние Раманможет может решить проблему чувствительности решенных во времени почти ИК спонтанных спектрометров Ранана. Стимулированное рассеяние Рамына обнаруживается как изменение интенсивности пульса зонда. Даже если около ИК-детектор имеет низкую чувствительность, стимулируемое рассеяние Рамына будет обнаружено, когда интенсивность зонда достаточно увеличена. Вероятность стимулируемого рассеяния Раман пропорциональнаRPиSRS,гдечастоты импульса насоса Раман и стимулировали рассеяние Раман, соответственно20. Частоты для стимулируемого рассеяния Раман,RP иSRS, эквивалентныi иs для спонтанного рассеяния Раман, соответственно. Недавно мы разработали фемтосекундный тайм-решен почти ИР Роман спектрометр с использованием стимулировали Раман рассеяния для исследования структур и динамики недолго переходных фотогенерированных в конъюгированных систем2,3,7,10. В этой статье мы представляем технические детали нашего фемтосекундного времени решенных почти ИР мультиплекс стимулировал Роман спектрометр. Описано оптическое выравнивание, приобретение решенных временем стимулируемых Рамане спектров, калибровка и коррекция записанных спектров. Возбужденное состояние динамики з-каротина в толуолкомене растворе изучается как репрезентативное применение спектрометра.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Запуск электрических устройств

  1. Включите фемтосекундную лазерную систему Ti:sapphire в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Подождите 2 ч для лазерной системы, чтобы согреться.
  2. Включите выключатели питания оптического вертолета, контроллеры трансляционной стадии, спектрограф, детектор массива InGaAs и компьютер во время разогрева системы. Заполните dewar детектора жидким азотом.

2. Оптическое выравнивание спектрометра

  1. Зеркальная регулировка(рисунок 1B)
    1. Проверьте положение опоры на зеркальном креплении.
    2. Поверните верхнюю ручку крепления по часовой стрелке и против часовой стрелки, чтобы отраженный лазерный луч помещался вниз и вверх в вертикальном направлении, соответственно, если опора расположена в нижней части крепления. Поверните ручку в противоположном направлении, если опора расположена в верхней части крепления.
    3. Поверните ручку на левой стороне крепления по часовой стрелке и против часовой стрелки, чтобы отраженный лазерный луч перемещался вправо и влево в горизонтальном направлении, соответственно, если опора расположена на правой стороне крепления. Поверните ручку в противоположном направлении, если опора расположена в левой стороне крепления.
  2. Выравнивание объектива
    1. Поместите визитную карточку с сеткой за объективом в качестве экрана.
    2. Снимите объектив. Введите луч инцидента и дайте ему попасть на экран. Отметьте положение места луча на экране ручкой.
    3. Заблокируйте луч и поместите объектив. Введите луч и подтвердите, что он попадает в отметку на экране точно. Если это не так, отрегулируйте вертикальное и горизонтальное положение объектива.
    4. Подготовьте визитную карточку с отверстием. Пусть луч инцидента проходит через отверстие перед объективом и подтверждает, что зеркальное отражение луча объективом перемещается в направлении, прямо противоположном луче инцидента. Если это не так, отрегулируйте угол объектива.
  3. Выравнивание лазерного луча(рисунок 1C)
    1. Поместите визитную карточку за радужной оболочкой 2 (i2) в качестве экрана.
    2. Пусть луч проходит через центр i1, регулируя зеркало 1 (м1) в соответствии с разделом 2.1. Пусть луч проходит через центр i2, регулируя m2 в соответствии с разделом 2.1.
    3. Подтвердите, что луч проходит через центры i1 и i2 одновременно. Если луч не проходит через центр i1, повторите шаг 2.3.2 до тех пор, пока луч не пройдет через центры обоих ирисов.
  4. Выравнивание линии оптическойзадержки (рисунок 1D)
    1. Удалите m3 и m4 на оптической линии задержки (ODL). Поместите i1 в положении m3 на высоте центра m3.
    2. Переместите сцену к m2, насколько это возможно, поместив кнопку направления контроллера сцены. Пусть луч проходит через центр i1, регулируя m1 в соответствии с разделом 2.1.
    3. Перемещение этапе отдельно от m2, насколько это возможно, поместив кнопку направления контроллера сцены. Пусть луч проходит через центр i1, регулируя m2 в соответствии с разделом 2.1.
    4. Переместите сцену к входу луча, насколько это возможно, и подтвердите, что луч проходит через центр i1. Если луч не проходит через центр i1 после шага 2.4.3, повторите шаги 2.4.2-2.4.3 до тех пор, пока луч не пройдет через центр i1 на обоих концах этапа.
    5. Удалите i1 из положения m3. Место m3 и m4 на ODL. Пусть луч проходит через центр i2, регулируя m3 и m4 в соответствии с шагами 2.4.2-2.4.4.
    6. После завершения ступеней 2.4.1-2.4.5, пусть луч проходит через центр i2, регулируя m1 и m2 в соответствии с шагами 2.4.2-2.4.5.
  5. Белое поколение континуума света(рисунок 1A)
    1. Поместите фильтр переменной нейтральной плотности (VND) VND1 в путь луча инцидента. Поместите визитную карточку на 200 мм, кроме VND1 в качестве экрана.
    2. Поверните VND1 до тех пор, пока луч инцидента не достигнет самого высокого положения оптической плотности VND1, где передаваемый луч имеет самую низкую мощность.
    3. Поместите объектив (L) L1 (фокальная длина - 100 мм) позади VND1. Поместите 3 мм толщиной сапфировой пластины (SP) 105 мм отдельно от L1, где SP находится немного позади фокуса пучка, позволяя лучу пройти через SP вблизи края.
    4. Установите диаметр I6, чтобы быть 5 мм.
    5. Поверните VND1, чтобы постепенно увеличивать мощность передаваемого луча до тех пор, пока на экране не будет наблюдаться желто-белое пятно. Поверните VND1 дальше в том же направлении очень осторожно, пока фиолетовое кольцо окружает желто-белое пятно на экране.
  6. Выравнивание пучка зонда(рисунок 1A)
    1. Отрегулируйте две пары зеркал (M) (M4, M5) и (M7, M8) в соответствии с разделом 2.3. Отрегулируйте ODL2 в соответствии с разделом 2.4. Отрегулируйте M12 и M13 в соответствии с разделом 2.3.
    2. Создание белого светового континуума в соответствии с разделом 2.5.
    3. Удалите цветные стеклянные фильтры (F) F1 и F2 и поляризатор (P) P1.
    4. Отражение белого светового континуума с вогнутым зеркалом (CM). Пусть отраженный луч проходит рядом с SP.
    5. Пусть луч попал в центр M15 и M16, регулируя M14 и M15, соответственно, в соответствии с разделом 2.1. Удалите L2, L3 и L4. Пусть луч попал в центр входа щели спектрографа путем регулировки M16.
    6. Измерьте диаметр луча континуума белого света на CM и входной щели с помощью сетки бумаги. Если диаметры существенно изменены между двумя положениями, отрегулируйте положение CM параллельно с лучом, используя микрометр на базовой пластине СМ до тех пор, пока диаметры не станут почти идентичными. Проведите шаги 2.6.4-2.6.5 после корректировки.
    7. Место L2, L3 и L4 в соответствии с разделом 2.2, а затем место F1, F2 и P1.
  7. Рабан насос наячка выравнивание(Рисунок 1A)
    1. Поместите реактивное реактивное фильтра диапазона (BPF) в траекторию выходного луча оптического параметрического усилителя (OPA) OPA1. Отрегулируйте BPF и M17 в соответствии с разделом 2.3. Используйте карту датчика ближнего ИК для наблюдения за местом луча.
    2. Установите угол полуволновой пластины (HWP) HWP2 на 45 градусов, чтобы установить полярину насоса Расана в вертикаль. Удалите L5, L6 и L7.
    3. Пусть луч попал в центр M19, M20 и M21, регулируя M18, M19 и M20, соответственно, в соответствии с разделом 2.1. Используйте карту датчика ближнего ИК для наблюдения за местом луча.
    4. Размещать L5, L6 и L7 в соответствии с разделом 2.2 с помощью карты датчиков ближнего ИК в качестве экрана.
  8. Актиническом выравнивании пучка насоса(рисунок 1A)
    1. Удалите L8 и L9. Пусть выходной луч от OPA2 проходит через центр радужной оболочки (I) I12 путем регулировки M22 в соответствии с разделом 2.1.
    2. Отрегулируйте M24 и M25 в соответствии с разделом 2.3. Место L8 и L9 в соответствии с разделом 2.2. Отрегулируйте ODL1 в соответствии с разделом 2.4.
    3. Измерьте диаметр актинийного пучка насоса на M24 и M32 с помощью сетчатой бумаги. Если диаметры существенно отличаются между двумя положениями, отрегулируйте положение L9 параллельно с лучом, используя микрометр на базовой пластине L9 до тех пор, пока диаметры не станут почти идентичными.
    4. Удалите L10 и M32. Отрегулируйте M30 и M31 в соответствии с разделом 2.3.
    5. Место P2 на позиции M32. Поместите визитную карточку за P2 в качестве экрана.
    6. Установите P2 под углом, который позволяет пульсу быть поляризованным на 35,3 "по отношению к вертикальной оси пройти через P2. Поверните HWP3 до тех пор, пока пятно луча на экране полностью не исчезнет. Проведите этот протокол для устранения влияния молекулярной переориентации на временные измерения.
    7. Удалите P2. Поместите M32 и отражайте луч к ячейке потока (FC). Место L10 в соответствии с разделом 2.2.
  9. Запуск ячейки потока(рисунок 1E)
    1. Прикрепите к креплению 2 мм кварцевой ячейки к креплению. Соедините каждый конец ячейки потока к трубке поифтороацетата (PFA) (длина - 500 мм; внешний диаметр - 1/8 дюйма) с эластомерной трубкой (длина - 10 мм).
    2. Вставьте трубку из нижней части ячейки потока в резервуар, наполненный образцом раствора. Прикрепите трубку от верхней части ячейки потока к впуску магнитного насоса передач.
    3. Прикрепите трубку PFA (длина 500 мм; внешний диаметр - 1/8 дюйма) к розетке магнитного насоса и вставьте другой конец резервуара.
    4. Поместите крепление ячейки потока в фокусе пучка зонда.
    5. Включите магнитный насос передач. Отрегулируйте скорость потока до 20 мл/мин, используя контроль напряжения насоса, чтобы заменить образец в освещенном объеме, прежде чем каждый актиниальный импульс насоса достигнет FC.

3. Операция программного обеспечения

  1. Установка детектора
    1. Откройте панель детектора. Нажмите кнопку Инициализация. Подождите, пока не будет освещен индикатор Detector Initialized.
    2. Введите 40 в поле Время экспозиции (мс).
    3. Выберите меню IGA Lo Gain и IGA 280 кГц из меню a/D gain и A/D, соответственно. IGA и A/D обходятся для InGaAs и аналогового цифрового преобразователя, соответственно.
    4. Нажмите кнопку Set ниже индикатора настройки детектора. Подтвердите, что индикатор горит.
    5. Установите переключатель триггера на внешний из меню выпадения триггера. Выберите каждый — для каждого Acq и TTL Rising Edge из меню выпадения триггера Edge. TTL означает транзисторно-транзисторную логику.
    6. Нажмите кнопку Установить ниже индикатора триггерного набора. Подтвердите, что индикатор горит.
    7. Нажмите кнопку Чтения в нижней части панели. Подтвердите, что коробка Стемпературы детектора (K) отображает значение ниже 170 K. Если нет, подождите, пока температура опустится ниже 170 К.
  2. Установка спектрографа
    1. Откройте панель спектрографа. Нажмите кнопку Инициализация. Подождите, пока не зажгется индикатор spectrograph.
    2. Выберите 1. Grooves 300 г/мм, Blaze Wavelength 2000 нм из меню Grating drop-down. Нажмите кнопку Set на правой стороне меню выпадения Grating.
    3. Введите центральную длину волны спектрографа в поле Move To box и нажмите кнопку Go. Центральная длина волны, как правило, расположена между 1380 и 1430 нм, когда спектрограф покрывает область отпечатков пальцев стимулируемого спектра Раман.
    4. Введите ширину входной щели в поле Set Entrance и нажмите кнопку Set на правой стороне коробки. Ширина входной щели обычно установлена на уровне 0,3 мм.
  3. Контроль положения сцены
    1. Откройте панель предварительного просмотра. Введите значение положения ODL1 в микрометрах в поле sk Stage Position (мкм). Коробка принимает значения от 0 до 200 000 (мкм). Нажмите кнопку Go на правой стороне коробки.
    2. Введите значение позиции ODL2 в 0,1 мкм в поле FA Stage Position (1/10 мкм). Коробка принимает значения от -250,000 до 250,000 (x 1/10 мкм). Нажмите кнопку Go на правой стороне коробки.
  4. Одноизмерение
    1. Введите количество накоплений для одного измерения спектра в поле Накопления. Коробка принимает значения от 1 до 999.
    2. Закройте вход в спектрограф, нажав на диафрагму бар вправо, насколько он может двигаться. Нажмите кнопку Store Dark. Откройте вход в спектрограф, потянув диафрагму бар влево, насколько он может двигаться.
    3. Проверьте average box, чтобы просмотреть только усреднение результата.
    4. Выберите Acquire Light Spectrum и проверьте переходное поглощение из списка выпадающих режимов операции для измерения интенсивности зонда и измерения стимулируемой Раманской или переходной спектры поглощения, соответственно.
    5. Нажмите кнопку «Приобретение».
    6. Чтобы автоматически повторить измерения, проверьте непрерывную коробку и нажмите кнопку «Приобретение». Отоверьте непрерывную коробку, чтобы остановить непрерывные измерения.
    7. Откройте диалог файлов, нажав значок папки. Дважды щелкните папку для сохранения данных. Введите имя файла с расширением ".txt" и нажмите OK. Нажмите кнопку «Сохранить».
  5. Измерение, разрешаемые по времени
    1. Откройте панель эксперимента. Введите имя в пределах 20 символов, кратко описывающие эксперимент (например, названия образцов, условия) в поле «Имя эксперимента».
    2. Откройте диалог файлов, нажав значок папки. Дважды щелкните папку для сохранения данных и нажмите OK.
    3. Введите количество сканирований стадии перевода в поле Number of Scans.
    4. Выберите переводную стадию, отсканированную в эксперименте, в меню Stage для сканирования.
    5. Введите сценическое положение, где сканирование начинается в поле Из диапазона A. Единица и диапазон допустимых значений зависят от стадии (см. раздел 3.3).
    6. Введите интервал между двумя последовательными позициями этапа в ступенчатой коробке Диапазона A. Интервал в 1 мкм в стадии позиции соответствует интервалу 6,7 fs в задержке времени между актинийным (или Раманским) импульсами насоса и зонда.
    7. Введите количество сценических позиций в сканировании в поле Очков диапазона A.
    8. Если требуется более одного интервала в одном сканировании, проверьте поле Диапазона B и повторите шаги 3.5.5-3.5.7 для Range B. Три интервала могут быть установлены с помощью диапазона A, Bи C.
    9. Начните сканирование, нажав кнопку Run. Индикатор «Эксперимент бега» включится. Подождите, пока индикатор не выключит свет.

4. Оптимизация спектра зондов

  1. Поместите балки на пути актинатных и раманских насосных балок. Установите P1 под углом, который позволяет вертикально поляризованному импульсу проходить через P1.
  2. Установите количество накоплений на 10 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии со шагами 3.4.2. Выберите Приобрести световой спектр в соответствии с шагом 3.4.4.
  3. Запуск непрерывных измерений в соответствии с шагом 3.4.6 для просмотра данных. Максимальное количество детектора на дисплее путем постепенной вращающейся HWP1.
  4. Постепенно увеличивательный импульс инцидента, вращая VND1 до тех пор, пока максимальный и минимальный отсчет детектора не достигнет около 30 000 и 4000, соответственно. Если начинает наблюдаться большой колебательный узор, поверните VND1 в противоположном направлении, пока шаблон не исчезнет.
  5. Остановите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6.

5. Измерение стационарных стимулируемых Раманских спектров

  1. Пространственное перекрытие импульсов насоса и зонда Raman
    1. Удалите пучка свалки в Рамане насос амбар путь. Поместите оптический вертолет (OC) в путь луча насоса Рамына.
    2. Поместите карту датчика ближнего ИК в положении образца. Отрегулируйте направление луча насоса Raman путем регулировки M21 согласно разделу 2.1 до тех пор пока пятна насоса Raman и пучков зонда полноне перекрывают друг с другом. Удалите сенсорную карту.
  2. Временное перекрытие импульсов насоса и зонда Raman
    1. Поместите фотодиод INGaAs PIN в положении образца, где рамановый насос и зондные лучи пространственно пересекаются друг с другом в результате раздела 5.1.
    2. Подключите сигнал выход фотодиода к 500 МГц, 5 GS /s цифровой осциллоскоп для того, чтобы контролировать, когда Раман насосит и зонд импульсов прибыть в образец позиции.
    3. Установите горизонтальную шкалу осциллоскопа, чтобы быть 1 нс / div.
    4. Прочитайте пиковое время интенсивности сигнала для насоса Raman и импульсов зонда, блокирующих другой импульс.
    5. Если разница в пиковом времени наблюдается для двух импульсов, отрегулируйте положение ODL2 в соответствии с разделом 3.3 до тех пор, пока разница не станет меньше 200 ps.
  3. Регулировка фазы вращения оптического вертолета
    1. Добавьте 40 мл циклонексана в водоем. Начало течет циклогексан в соответствии с шагом 2.9.5.
    2. Установите центральную длину волны спектрографа, чтобы быть 1190 нм в соответствии с шагом 3.2.3 наблюдать Рейли рассеяния импульса насоса Раман.
    3. Установите количество накоплений до 10 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии с шагом 3.4.2.
    4. Выберите Проверить переходного поглощения в соответствии с шагом 3.4.4.
    5. Запуск непрерывных измерений в соответствии с шагом 3.4.6.
    6. Увеличьте амплиту очевидного переходного сигнала поглощения с отрицательным знаком на длине волны насоса Раман, которая возникает от наличия и отсутствия рассеянного импульса насоса Раман из-за измельчения, путем регулировки фазы вращения OC от -180 на передней панели контроллера .
    7. Остановите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6.
  4. Максимизация сигнала
    1. Установите длину центральной волны спектрографа на 1410 нм в соответствии с шагом 3.2.3 для наблюдения стимулируемых Спектрами Раман.
    2. Запуск непрерывных измерений в соответствии с шагом 3.4.6 и проверить, если стимулировали Раман полосы циклонексана наблюдаются на дисплее. Самая сильная полоса циклонексана появляется на 55-58-м пикселях, когда длина центральной волны установлена на уровне 1410 нм.
    3. Если стимулируемые полосы Раман не наблюдаются, попробуйте изменить положение ODL2 на 15 000 мкм с интервалом 150 мкм в соответствии с разделом 3.3 и посмотреть, если стимулировали полосы Раман наблюдается.
    4. Если стимулируемые полосы Раман не наблюдаются после шага 5.4.3 проводится, повторите шаг 5.1.2 для получения пространственного перекрытия между насосом Раман и пучками зонда и провести шаг 5.4.2 снова.
    5. Как только стимулируемые полосы Raman обнаружены, максимизируйте интенсивность полосы на дисплее путем итеративной сверкания M21, фазы вращения OC и положения ODL2.
    6. Остановите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6.
  5. Измерения
    1. Установите количество накоплений в 500 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии с шагом 3.4.2.
    2. Выполнить одно измерение в соответствии с шагом 3.4.5. Сохранить спектр в соответствии с шагом 3.4.7. Повторите измерение по крайней мере 4x.
    3. Удалите впускную трубку FC из резервуара и подождите, пока поток не будет прерван воздухом. Свести к минимуму напряжение магнитного насоса передач.
    4. Замените содержимое резервуара на заполненное 100 мл свежего ацетона.
    5. Установите входе и выход труб в водохранилище и пустую колбу, соответственно. Запустите магнитный насос передач в соответствии с шагом 2.9.5 и пусть толуол поток через FC.
    6. Подождите, пока поток не будет прерван воздухом. Свести к минимуму напряжение магнитного насоса передач.
    7. Повторите шаги 5.5.4-5.5.6 по крайней мере 2x.
    8. Добавьте 40 мл ацетона в водоем. Начало течет ацетон в соответствии с шагом 2.9.5.
    9. Запись стимулируемого Рамана спектра ацетона в соответствии с шагом 5.5.2.
    10. Удалить ацетон из ФК в соответствии с шагом 5.5.3.
    11. Повторите шаги 5.5.4-5.5.10 с помощью толуола вместо ацетона.

6. Измерение спектра поглощения, решаемого во времени

  1. Очистите резервуар и добавьте 25 мл толуенового раствора к-каротина с концентрацией 1 х 10-4 моль дм-3. Начните течь образца решения в соответствии с шагом 2.9.5.
  2. Поместите OC в актиническом пути пучка насоса.
  3. Переместите пучок с пути актинийного луча насоса к пуму насоса Рамына.
  4. Пространственно перекрывать актиниальный насос и зондные лучи в положении образца в соответствии с шагом 5.1.2 с помощью визитной карточки вместо карты датчика ближнего ИК.
  5. Временно перекрывайте два луча в положении образца в соответствии с разделом 5.2 с помощью фотодиода Si PIN вместо фотодиода InGaAs PIN.
  6. Установите количество накоплений на 10 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии с шагом 3.4.2.
  7. Выберите Проверить переходного поглощения в соответствии с шагом 3.4.4.
  8. Запустите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6 и проверьте, наблюдается ли на дисплее переходное поглощение каротина. Полоса поглощения появляется с формой, уменьшающейся монотонно к более длинным длинам волны (второй самый низкий возбужденный синглетный состояние, S2) или с двумя максимами на уровне около 0 и 511-го пикселей (самый низкий возбужденный одноразовый состояние, S1).
  9. Если переходное поглощение не наблюдается, попробуйте изменить положение ODL1 на 15 000 мкм с интервалом 150 мкм в соответствии с разделом 3.3.
  10. Если после проведения шага 6.9 полосы поглощения не наблюдается, повторнопопробуйй шаг 6.4 для получения пространственного перекрытия между актиниальным насосом и зондными лучами.
  11. Увеличьте интенсивность поглощения, сверя m32 после обнаружения переходного диапазона поглощения.
  12. Остановите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6.
  13. Снижение положения ODL1 в соответствии с разделом 3.3 до тех пор, пока переходное поглощение полностью не исчезнет.

7. Измерение временнорешенной стимулируемой Рамана спектры

  1. Поместите OC в путь Луча насоса Расана. Удалите пучка с пути луча насоса Расан.
  2. Установите количество накоплений до 200 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии с шагом 3.4.2.
  3. Выполнить эксперимент, решенный по времени в соответствии с разделом 3.5. В шаге 3.5.4 выберите этап SK. Установите начальное значение диапазона А, чтобы быть меньше примерно на 50 мкм, чем положение, где переходный сигнал поглощения исчез в шаге 6.13.

8. Калибровка смены Рамына

  1. Рассчитайте среднее среднее из четырех стимулируемых Рамановых спектров для циклонексана, ацетона и толуола, записанных в разделе 5 с помощью программного обеспечения для анализа данных по вашему выбору.
  2. Участок усреднен стимулировали Раман спектры растворителей против пиксельного числа детектора массива InGaAs.
  3. Оцените пиковые позиции стимулируемых рамановых полос растворителей по анализу наименьших квадратов с помощью lorentzian. Если функция Lorentzian недоступна, используйте полиномиальную функцию.
  4. Участок пиковых волн полос Раман полос растворителей в справочнике (например, Hamaguchi и Ивата34) против предполагаемых пиковых позиций в пиковом количестве.
  5. Получить функцию калибровки между сдвигом Раман и числом пикселей по наименее квадратной установки анализа с полиномиальной функцией второй или третьей степени.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Фемтосекундная вблизи ИК стимулировала Реман спектроскопию была применена к к-каротину в растворе толуола. Концентрация образца составила 1 х 10-4 моль дм-3. Образец был фотовозбужденным актиничным импульсом насоса на уровне 480 нм с импульсной энергией в 1 кВ. Решенные во времени стимулируемые Раман спектры из каротина в толуоле показаны на рисунке 2A. Сырые спектры содержали сильные полосы Раман из растворителя толуола и слабую раманую полосу з-кароти...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Решающие факторы в фемтосекундных временных мультиплексах, решенных почти ИР, стимулировали измерение Рамана
Для получения разрешения времени почти ИК стимулировали Раман спектры с высоким соотношением сигнала к шуму, спектр зонда в идеале должны иметь равномерное интенсивность во всем диапазоне длин волн. Таким образом, генерация континуума белого света (раздел 2.5) является одной из важнейших частей разрешенных временем почти ИР стимулируемых Рамана экспериментов. В целом, спектр зонда становится ши...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана JSPS KAKENHI Грант Номера JP24750023, JP24350012, MEXT KAKENHI Грант Номера JP26104534, JP16H00850, JP26102541, JP16H00782, и MEXT-поддерживаемая программа стратегических исследований в частных университетах, 201.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
1-осевой трансляционный столикOptSigmaTSD-401SТакже используются продукты, эквивалентные этому; для M22, L9 и CM на рисунке 1A
20-сантиметровая оптическая линия задержкиOptSigmaSGSP26-200ODL1 на рисунке 1A
3-осевой трансляционный столикOptSigmaTSD-405SLдля L8 на рисунке 1A
3-осевой трансляционный столикSuruga SeikiB72-40Cдля FC в Рисунок 1A
5-сантиметровая оптическая линия задержкиPMTHRS-0050ODL2 на рисунке 1A
Вогнутое зеркалоThorlabsCM254-050-G01Фокусное расстояние: 50 мм; CM на рисунке 1A
Опорнаяплита Suruga SeikiA21-6Также используются продукты, эквивалентные этому; для M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM и FC на рисунке 1A
BBO CrystalEKSMAOptics-Type1, θ = 23,2 град; BBO на рисунке 1A
BK7 Плосково-вогнутый объективOptSigmaSLB-25.4-50NIR2Фокусное расстояние: 50 мм; ИК-антибликовое покрытие; L6 на рисунке 1A
BK7 Плоско-выпуклый объективOptSigmaSLB-25.4-150PIR2Фокусное расстояние: 150 мм; ИК-антибликовое покрытие; L2, L3, L5 на рисунке 1A
BK7 Плоско-выпуклый объективOptSigmaSLB-25.4-100PIR2Фокусное расстояние: 100 мм; ИК-антибликовое покрытие; L4 на рисунке 1A
BK7 Плоско-выпуклый объективOptSigmaSLB-25.4-200PIR2Фокусное расстояние: 200 мм; ИК-антибликовое покрытие; L7 на рисунке 1A
Широкополосное диэлектрическое зеркалоOptSigmaTFMS-25.4C05-2/7M22-M25, M28, M29 на рисунке 1A
Широкополосное диэлектрическое зеркалоPrecision Photonics (Advanced Thin Films)-M26, M27, M30-M32 на рисунке 1A
Широкополосная полуволновая пластинана рисунке 1A
Цветной стеклянный фильтрHOYAIR85F1 на рисунке 1A
Цветной стеклянный фильтрHOYARM100F2 на рисунке 1A
Цветной стеклянный фильтрSchottBG39F3 на рисунке 1A
КомпьютерDellVostro 200 Mini TowerОС: Windows XP
ЦиклогексанКанто Кагаку07547-1BВЭЖХ
WavemetricsIgor Pro 8
Диэлектрический светоделительLAYERTEC-Reflection: Пропускание = 2 : 1; BS1 на рисунке 1A
Диэлектрический светоделительLAYERTEC-Reflection: пропускание = 1 : 1; BS2, BS3 на рисунке 1A
Диэлектрическая зеркальнаяпрецизионная фотоника
(усовершенствованные тонкие пленки)		-M1-M8 на рисунке 1A
Цифровой осциллографTektronixTDS3054B500 МГц,
эластомерная трубка--Рисунок 1E
Фемтосекундный Ti:сапфировый генераторКогерентVitesse 800-2Длина волны: 800 нм, длительность импульса: 100 фс, средняя мощность: 280 мВт, частота повторения: 80 МГц; включен в Ti:S на рисунке 1A
Фемтосекундный регенеративный усилитель Ti:sapphireCoherentLegend-Elite-F-HEДлина волны: 800 нм, длительность импульса: 100 фс, энергия импульса: 3,5 мДж, частота повторения: 1 кГц; включен в Ti:S на рисунке 1A
Пленочный поляризаторOptSigmaSPFN-30C-26P1 на рисунке 1A
Призма Глан-ТейлораOptSigmaGYPB-10-10SN-3/7P2 на рисунке 1A Золотое
зеркалоOptSigmaTFG-25C05-10M9-M21 на рисунке 1A
Полуволновая пластинаOptSigmaWPQ-7800-2MHWP1 на рисунке 1A
Гармонический сепараторкогерентныйTOPAS-C HRs 410-540 нмHS на рисунке 1A
Матричный детектор InGaAsHoribaSymphony-IGA-512X1-50-1700-1LS512 ch, Жидкое азотное охлаждение
InGaAs PIN ФотодиодHamamatsu PhotonicsG10899-01K
ИК-полуволновая пластинана рисунке 1A
IrisSuruga SeikiF74-3Nиспользуются продукты, эквивалентные этому; I1-I17 на рисунке 1A
Держатель объективаOptSigmaLHF-25.4Sиспользуются продукты, эквивалентные этому; для L1-L10 на рисунке 1A
Магнитный шестеренчатый насосMicropump184-415
Mirror MountSiskiyouIM100. Такжеиспользуются эквивалентные C2M6R продукты; для M1-M32, BS1-BS3, BBO, CM на рисунке 1A
ближняя инфракрасная люминофорная картаThorlabsVRC2
Nut--Figure 1E, M4; приобретенный в магазине
DIY оптический прерывательNew Focus3501OC на рисунке 1A
Оптический параметрический усилительCoherentOPerA-FOPA1 на рисунке 1A
Оптический параметрический усилителькогерентныйTOPAS-COPA2 на рисунке 1A
Держатель поляризатораOptSigmaPH-30-ARSТакже используются продукты, эквивалентные этому; для P1-P2 и HWP1-3 на рисунке 1A
Полифторацетатная трубка--Рисунок 1E
Держатель стойкиOptSigmaBRS-12-80Также используются продукты, эквивалентные этому; для M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM и FC на рисунке 1A
Кварцевая проточная ячейкаTosoh QuartzT-70-UV-2FC на рисунке 1A
Кварцевая плосково-вогнутая линзаOptSigmaSLSQ-25-50NФокусное расстояние: 50 мм; L8 на рисунке 1A
Кварцевая плоско-выпуклая линзаOptSigmaSLSQ-25-100PФокусное расстояние: 100 мм; L1, L9 на рисунке 1A
Кварцевая плоско-выпуклая линзаOptSigmaSLSQ-25-220PФокусное расстояние: 220 мм; L10 на рисунке 1A
Сапфировая пластинаPier Opticsтолщиной3 мм; SP на рисунке 1A
Si PIN ФотодиодHamamatsu PhotonicsS3883
Одиночный спектрографHoriba Jobin YvoniHR320Фокусное расстояние: 32 см
Стержень из нержавеющей сталиSuruga SeikiA41-100Также используются продукты, эквивалентные этому; для M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM и FC на рисунке 1A
Стерженьиз нержавеющей сталиNewportJ-SP-2Рисунок 1E
ТолуолКанто Кагаку40180-1B
Пластина из U-образной стали--Рисунок 1E; приобретен в магазине DIY
Фильтр нейтральной плотности (с держателем)OptSigmaNDHN-100VND1 на Рисунке 1A
Фильтр нейтральной плотности (с держателем)OptSigmaNDHN-U100VND2 на Рисунке 1A
Язык визуального программированияNational InstrumentsLabVIEW 2009Управляющее программное обеспечение в этом исследовании запрограммировано в LabVIEW 2009
Объемно-решетчатый полосовой фильтрOptiGrateBPF-1190BPF на рисунке 1A
&бета;-каротинWako Pure Chemical Industries035-05531
CryLight-HWP3 Программное обеспечение для анализа данных класса 5 Гвыб/с OptiSource-HWP2 Также Также класса ВЭЖХ

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Фемтосекундная спектроскопия с временным разрешениемдинамика бета-каротинаюстировка оптической линии задержкистимулированные рамановские полосыизмерение переходного поглощенияоптимизация генерации сигналакалибровка сбора данныханализ пи-сопряженных системдинамика химических реакций
Ультрабыстрое время решено около-ИК Стимулированные Раман Измерения функциональных и конъюгированных систем
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.