Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

فائق السرعة الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز اختبارات رامان من أنظمة وظيفية مشبهة

Published: February 10, 2020 doi: 10.3791/60437
Automatic Translation
*1, *1
1Department of Chemistry, Faculty of Science, Gakushuin University
* These authors contributed equally

Summary

يتم وصف تفاصيل إنشاء الإشارة وتحسينها والقياس والحصول على البيانات ومعالجة البيانات لمطياف RAMan المحفز ة على وقت femtosecond. وتحفز الأشعة تحت الحمراء بالقرب من دراسة رامان على ديناميات متحمس الدولة من β كاروتين في التولوين يظهر كتطبيق تمثيلي.

Abstract

Femtosecond الوقت حل تحفيز مطياف رامان هو وسيلة واعدة لمراقبة الديناميات الهيكلية للعابرين قصيرة الأجل مع الأشعة تحت الحمراء القريبة (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء) التحولات، لأنه يمكن التغلب على حساسية منخفضة من مطيافات رامان عفوية في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة. هنا، نحن نصف التفاصيل التقنية لfemtosecond الوقت حلها بالقرب من الأشعة تحت الحمراء متعددة حفز مطياف رامان التي قمنا بتطويرها مؤخرا. كما يتم تقديم وصف لتوليد الإشارة وتحسينها، وقياسها، والحصول على البيانات، ومعايرة البيانات المسجلة وتصحيحها. نقدم تطبيقمطيع لدينا لتحليل ديناميات الدولة متحمس من β كاروتين في حل التولوين. لوحظ بوضوح في الطيس الطيّب المنبه المنفّز في طيّالة رامان المُحْزَّة المُحْزَّة في النسخة الثانية من الـ a-c-carotene في ثاني أقل ّ حالة مُتحمسة (S2)وأدنى حالة مُحْدّة (S1). وfemtosecond الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز مطياف رامان ينطبق على الديناميات الهيكلية للأنظمة اقتران ه من جزيئات بسيطة إلى مواد معقدة.

Introduction

نظام رامان للتنظير الطيفي هو أداة قوية ومتعددة الاستخدامات للتحقيق في هياكل الجزيئات في مجموعة واسعة من العينات من الغازات البسيطة والسوائل والمواد الصلبة إلى المواد الوظيفية والأنظمة البيولوجية. يتم تعزيز تشتت رامان بشكل كبير عندما تتزامن طاقة الفوتون لضوء الإثارة مع طاقة الانتقال الإلكتروني للجزيء. تأثير الرنين رامان تمكننا من مراقبة انتقائي الطيف رامان من الأنواع في عينة تتألف من أنواع كثيرة من الجزيئات. التحولات الإلكترونية بالقرب من الأشعة تحت الحمراء هي جذب الكثير من الاهتمام كمسبار للتحقيق في ديناميات الدولة متحمس من الجزيئات مع هياكل كبيرة مترافقة. وقد تم تحديد الطاقة والعمر من الدولة المنفرد متحمس أدنى لعدة الكاروتينات، والتي لديها سلسلة طويلة أحادية الأبعاد البوليين1،2،3. وقد تم التحقيق على نطاق واسع ديناميات الإثارة محايدة ومشحونة لمختلف البوليمرات الموصلة ضوئيا في الأفلام4،5،6،7، الجسيمات النانوية8، والحلول9،10،11. ويمكن الحصول على معلومات مفصلة عن هياكل العابرين إذا تم تطبيق التحليل الطيفي لرامان القريب من الأشعة تحت الحمراء على هذه النظم. فقط عدد قليل من الدراسات، ومع ذلك، وقد تم الإبلاغ عن الوقت حل هازة قرب الأشعة تحت الحمراء رامانالطيف12،13،14،15،16، لأن حساسية الطيف رامان بالقرب من الأشعة تحت الحمراء منخفضة للغاية. وتنبع الحساسية المنخفضة أساساً من الاحتمال المنخفض لتشتت رامان القريب من الأشعة تحت الحمراء. احتمال تشتت رامان التلقائي يتناسب مع درجةالـ3 ،حيثتكون ترددات ضوء الإثارة وضوء رماان المبعثر ، على التوالي. وبالإضافة إلى ذلك، فإن أجهزة الكشف القريبة من الأشعة تحت الحمراء المتاحة تجارياً لديها حساسية أقل بكثير من أجهزة الكشف عن اتفاقية مكافحة التصحر التي تعمل في الأشعة فوق البنفسجية والمناطق المرئية.

وقد ظهرت Femtosecond الوقت حل الطيف يحف رامان كوسيلة جديدة لمراقبة التغيرات التي تعتمد على الوقت من العصابات الاهتزازية رامان النشطة وراء حد فورييه تحويل واضح من نبض الليزر17،18،19،21،21،22،23،24،25،26،28 ،29،30،31،32،33. يتم إنشاء تشتت رامان المحفز عن طريق تشعيع نبضين ليزر: مضخة رامان ونبضات المسبار. هنا يفترض أن نبض ة مضخة رامان لديها تردد أكبر من نبض المسبار. عندما يتزامن الفرق بين ترددات مضخة رامان ونبضات المسبار مع تردد اهتزاز رماان الجزيئي النشط ، يكون الاهتزاز متحمسًا بشكل متماسك لعدد كبير من الجزيئات في الحجم المشع. الاستقطاب غير الخطي الناجم عن الاهتزاز الجزيئي متماسكة يعزز المجال الكهربائي للنبض التحقيق. هذه التقنية قوية بشكل خاص لقرب الأشعة تحت الحمراء رامان الطيفية، لأن تحفيز تشتت رامان يمكن أن يحل مشكلة حساسية الوقت حل الطيف ية عفوية رامان قرب الأشعة تحت الحمراء. يتم الكشف عن تحفيز تشتت رامان كتغييرات كثافة نبض المسبار. حتى لو كان جهاز الكشف عن الأشعة تحت الحمراء القريبة لديه حساسية منخفضة ، سيتم الكشف عن تشتت رامان المحفز عندما يتم زيادة كثافة المسبار بشكل كافٍ. احتمال تشتت رامان حفز يتناسب معRPοSRS، حيثRP وSRS هي ترددات نبض مضخة رامان وحفز رفان التشتت، على التوالي20. الترددات لتشتت رامان حفز،RP وSRS، ما يعادلط وs لتشتت رامان عفوية، على التوالي. لقد قمنا مؤخرًا بتطوير مطياف Ramtroa في متنفسه فيمتوثانية بالقرب من الأشعة تحت الحمراء باستخدام تشتت رامان المحفز للتحقيق في هياكل وديناميكيات العابرين قصيرة الأجل التي تم إنشاؤها فيأنظمةاقتران 2و3و7و10. في هذه المقالة، نقدم التفاصيل التقنية لدينا femtosecond الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء متعددة حفز مطياف رامان. يتم وصف المحاذاة البصرية ، والاستحواذ على أطياف رامان المحفزة التي تم حلها زمنيًا ، ومعايرة وتصحيح الأطياف المسجلة. تتم دراسة ديناميات الدولة المتحمسة لـ α-carotene في محلول التولوين كتطبيق تمثيلي للمطياف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. بدء تشغيل الأجهزة الكهربائية

  1. بدوره على نظام ليزر فيمتوثانية Ti:Sapphire وفقا لدليل التشغيل الخاص به. انتظر 2 ساعة لنظام الليزر للاحماء.
  2. قم بتشغيل مفاتيح الطاقة للمروحية البصرية، ووحدات التحكم في المرحلة الانتقالية، والطيف، وكاشف صفيف InGaAs، والكمبيوتر أثناء إحماء النظام. ملء ديوار الكاشف مع النيتروجين السائل.

2. محاذاة بصرية من مطياف

  1. تعديل المرآة(الشكل 1B)
    1. تحقق من موضع الدعم على حامل المرآة.
    2. بدوره مقبض العلوي من جبل في اتجاه عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة للسماح لشعاع الليزر ينعكس السفر إلى أسفل وصعودا في الاتجاه الرأسي، على التوالي، إذا كان يقع الدعم في الجزء السفلي من جبل. بدوره مقبض الباب في الاتجاه المعاكس إذا كان يوجد الدعم في الجزء العلوي من جبل.
    3. بدوره مقبض الباب على الجانب الأيسر من جبل في اتجاه عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة للسماح لشعاع الليزر ينعكس السفر اليمين واليسار في الاتجاه الأفقي، على التوالي، إذا كان يوجد الدعم على الجانب الأيمن من جبل. بدوره مقبض الباب في الاتجاه المعاكس إذا كان يوجد الدعم في الجانب الأيسر من جبل.
  2. محاذاة العدسة
    1. ضع بطاقة عمل مع شبكة خلف العدسة كشاشة.
    2. إزالة العدسة. أعرض شعاع الحادث والسماح لها ضرب الشاشة. وضع علامة على موضع بقعة الشعاع على الشاشة بقلم.
    3. منع شعاع ووضع العدسة. أعرض شعاع وتأكد من أنه يضرب علامة على الشاشة بالضبط. إذا لم يكن كذلك، قم بضبط المواضع الرأسية والأفقية للعدسة.
    4. إعداد بطاقة عمل مع حفرة. دع شعاع الحادث يمر عبر الثقب أمام العدسة وتأكد من أن الانعكاس الطيفي للشعاع من قبل العدسة يسافر في الاتجاه المعاكس تمامًا لشعاع الحادث. إذا لم يكن كذلك، ضبط زاوية العدسة.
  3. محاذاة شعاع الليزر(الشكل 1C)
    1. ضع بطاقة عمل خلف القزحية 2 (i2) كشاشة.
    2. السماح للشعاع تمر من خلال مركز i1 عن طريق ضبط مرآة 1 (م1) وفقا للقسم 2.1. اسمحوا شعاع تمر من خلال مركز i2 عن طريق ضبط M2 وفقا للقسم 2.1.
    3. تأكد من أن شعاع يمر عبر مراكز i1 و i2 في وقت واحد. إذا لم يمر الشعاع عبر مركز i1 ، كرر الخطوة 2.3.2 حتى يمر الشعاع عبر مراكز كل من القزحية.
  4. محاذاة خط التأخير البصري(الشكل 1D)
    1. قم بإزالة M3 و M4 على خط التأخير البصري (ODL). مكان i1 في موقف M3 في ذروة مركز M3.
    2. نقل المرحلة نحو M2 بقدر ما يمكن عن طريق وضع زر الاتجاه من وحدة تحكم المرحلة. اسمحوا شعاع تمر من خلال مركز i1 عن طريق ضبط M1 وفقا للقسم 2.1.
    3. نقل المرحلة وبصرف النظر عن M2 بقدر ما يمكن عن طريق وضع زر الاتجاه من وحدة تحكم المرحلة. اسمحوا شعاع تمر من خلال مركز i1 عن طريق ضبط M2 وفقا للقسم 2.1.
    4. تحريك المرحلة نحو المدخلات شعاع بقدر ما يمكن والتأكد من أن شعاع يمر من خلال مركز i1. إذا لم يمر الشعاع عبر مركز i1 بعد الخطوة 2.4.3، كرر الخطوات 2.4.2-2.4.3 حتى يمر الشعاع عبر مركز i1 في طرفي المرحلة.
    5. إزالة i1 من موقف M3. ضع M3 و M4 على ODL. اسمحوا شعاع تمر من خلال مركز i2 عن طريق ضبط M3 و M4 وفقا للخطوات 2.4.2-2.4.4.
    6. بمجرد الانتهاء من الخطوات 2.4.1 -2.4.5 ، دع الشعاع يمر عبر مركز i2 عن طريق ضبط M1 و M2 وفقًا للخطوات 2.4.2 - 2.4.5.
  5. توليد استمرارية الضوء الأبيض(الشكل 1A)
    1. ضع مرشح الكثافة المحايد المتغير (VND) VND1 في مسار شعاع الحادث. ضع بطاقة عمل ~ 200 مم وبصرف النظر عن VND1 كشاشة.
    2. بدوره VND1 حتى شعاع الحادث يضرب أعلى موقف الكثافة البصرية VND1، حيث شعاع المرسلة لديها أدنى قوة.
    3. ضع العدسة (L) L1 (البعد البؤري = 100 مم) خلف VND1. ضع لوحة الياقوت السميكة 3 مم (SP) ~ 105 مم بصرف النظر عن L1 ، حيث يقع SP قليلاً خلف تركيز الشعاع ، مما يسمح للشعاع بالمرور عبر SP بالقرب من الحافة.
    4. تعيين قطر I6 ليكون ~ 5 ملم.
    5. بدوره VND1 لزيادة تدريجيا قوة شعاع المرسلة حتى يتم ملاحظة بقعة صفراء بيضاء على الشاشة. بدوره VND1 كذلك في نفس الاتجاه بعناية فائقة حتى حلقة الأرجواني يحيط بقعة الأصفر والأبيض على الشاشة.
  6. محاذاة شعاع التحقيق(الشكل 1A)
    1. ضبط أزواج من المرايا (M) (M4، M5) و (M7، M8) وفقا للقسم 2.3. ضبط ODL2 وفقا للقسم 2.4. ضبط M12 و M13 وفقا للقسم 2.3.
    2. إنشاء استمرارية الضوء الأبيض وفقا للقسم 2.5.
    3. قم بإزالة فلاتر الزجاج الملون (F) F1 و F2 والمستقطب (P) P1.
    4. تعكس استمرارية الضوء الأبيض مع المرآة المقعرة (CM). اسمحوا شعاع ينعكس تمر فقط بجانب SP.
    5. دع الشعاع يضرب مركز M15 و M16 عن طريق ضبط M14 و M15 ، على التوالي ، وفقًا للقسم 2.1. إزالة L2 و L3 و L4. دع الشعاع يضرب مركز شق المدخل للمطيافي عن طريق ضبط M16.
    6. قياس قطر شعاع استمرارية الضوء الأبيض في CM وشق المدخل باستخدام ورق الشبكة. إذا تم تغيير الأقطار بشكل كبير بين الموقفين ، قم بضبط موضع CM المتوازي مع الشعاع باستخدام ميكرومتر على لوحة قاعدة CM حتى تصبح الأقطار متطابقة تقريبًا. إجراء الخطوات 2.6.4-2.6.5 بعد التعديل.
    7. ضع L2 و L3 و L4 وفقًا للقسم 2.2 ثم ضع F1 و F2 و P1.
  7. رامان مضخة محاذاة شعاع(الشكل 1A)
    1. ضع فلتر ممر النطاقات العاكس (BPF) في مسار شعاع الإخراج لمضخم الصوت البصري المكافئ (OPA) OPA1. ضبط BPF و M17 وفقا للقسم 2.3. استخدم بطاقة استشعار بالقرب من الأشعة تحت الحمراء لمراقبة بقعة الشعاع.
    2. تعيين زاوية لوحة نصف موجة (HWP) HWP2 في 45 درجة من أجل تعيين الاستقطاب مضخة رامان إلى عمودي. إزالة L5 و L6 و L7.
    3. دع الشعاع يضرب مركز M19 و M20 و M21 عن طريق ضبط M18 و M19 و M20 على التوالي ، وفقًا للقسم 2.1. استخدم بطاقة استشعار بالقرب من الأشعة تحت الحمراء لمراقبة بقعة الشعاع.
    4. ضع L5 و L6 و L7 وفقًا للقسم 2.2 باستخدام بطاقة مستشعر الأشعة تحت الحمراء القريبة كشاشة.
  8. محاذاة شعاع المضخة الأكتينيك(الشكل 1A)
    1. إزالة L8 و L9. السماح لشعاع الإخراج من OPA2 تمر من خلال مركز القزحية (I) I12 عن طريق ضبط M22 وفقا للقسم 2.1.
    2. ضبط M24 و M25 وفقا للقسم 2.3. مكان L8 و L9 وفقا للقسم 2.2. ضبط ODL1 وفقا للقسم 2.4.
    3. قياس قطر شعاع مضخة أكتينيك في M24 و M32 باستخدام ورقة الشبكة. إذا كانت الأقطار مختلفة بشكل كبير بين الموقفين ، قم بضبط موضع L9 بالتوازي مع الشعاع باستخدام ميكرومتر على لوحة قاعدة L9 حتى تصبح الأقطار متطابقة تقريبًا.
    4. إزالة L10 و M32. ضبط M30 و M31 وفقا للقسم 2.3.
    5. ضع P2 في موقف M32. ضع بطاقة عمل خلف P2 كشاشة.
    6. تعيين P2 في الزاوية التي تسمح للنبض أن يكون الاستقطاب في 35.3 درجة فيما يتعلق المحور الرأسي لتمرير من خلال P2. تدوير HWP3 حتى بقعة شعاع على الشاشة يختفي تماما. إجراء هذا البروتوكول للقضاء على تأثير إعادة التوجيه الجزيئي على القياسات التي تم حلها عبر الزمن.
    7. إزالة P2. ضع M32 وعكس الشعاع نحو خلية التدفق (FC). ضع L10 وفقًا للقسم 2.2.
  9. بدء تشغيل خلية التدفق(الشكل 1E)
    1. إرفاق خلية تدفق الكوارتز 2 ملم إلى جبل. قم بتوصيل كل طرف من خلية التدفق بأنبوب متعدد الفلوروسيت (PFA) (الطول = ~ 500 مم؛ القطر الخارجي = 1/8 بوصة) مع أنبوب استومر (الطول = ~ 10 مم).
    2. أدخل الأنبوب من أسفل خلية التدفق إلى خزان مليء بمحلول عينة. إرفاق أنبوب من أعلى خلية تدفق إلى الداخل من مضخة والعتاد المغناطيس.
    3. إرفاق أنبوب PFA (الطول = ~ 500 مم؛ القطر الخارجي = 1/8 بوصة) إلى منفذ مضخة والعتاد المغناطيس وإدراج الطرف الآخر إلى الخزان.
    4. ضع جبل خلية التدفق في بؤرة شعاع المسبار.
    5. بدوره على مضخة العتاد المغناطيسي. ضبط معدل التدفق إلى ~ 20 مل / دقيقة باستخدام التحكم في الجهد من المضخة من أجل استبدال العينة في حجم مضيئة قبل كل نبضة مضخة actinic تصل إلى FC.

3- تشغيل البرمجيات

  1. إعداد كاشف
    1. افتح جزء الكاشف. انقر على زر تهيئة. انتظر حتى يتم إضاءة مؤشر التهيئة الكاشف.
    2. أدخل 40 في مربع وقت التعرض (ms).
    3. حدد IGA Lo Gain و IGA 280 كيلو هرتز من القوائم المنسدلة لمعدل A/D، على التوالي. IGA وA / D تقف لInGaAs والمحول التناظرية إلى الرقمية ، على التوالي.
    4. انقر على زر تعيين أسفل مؤشر إعداد الكاشف. تأكد من أن ضوء المؤشر مضاء.
    5. تعيين مفتاح المشغل إلى خارجي من القائمة المنسدلة لحدث المشغل. حدد كل - لكل Acq وTTL ارتفاع الحافة من القائمة المنسدلة حافة الزناد. TTL لتقف على منطق الترانزستور الترانزستور.
    6. انقر على زر تعيين أسفل مؤشر مجموعة المشغل. تأكد من أن ضوء المؤشر مضاء.
    7. انقر على زر القراءة في الجزء السفلي من الجزء. تأكد من أن صندوق درجة حرارة الكاشف (K) يعرض قيمة أقل من 170 ك. إذا لم يكن كذلك، انتظر حتى تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 170 K.
  2. إعداد الطيف
    1. افتح جزء المطياف. انقر على زر تهيئة. انتظر حتى يتم تشغيل ضوء المؤشر المتهيئة للمطياف.
    2. حدد 1. الأخاج 300 ز / مم، الحريق الطول الموجي 2000 نانومتر من القائمة المنسدلة صر. انقر على زر تعيين على الجانب الأيمن من القائمة المنسدلة صر.
    3. أدخل الطول الموجي المركزي للمطيافي في المربع الانتقال إلى وانقر على زر الانتقال. يقع الطول الموجي للمركز عادة بين 1,380 و 1,430 نانومتر عندما يغطي الطيف منطقة بصمات الأصابع من طيف رامان المحفز.
    4. أدخل عرض فتحة مدخل في مربع تعيين المدخل وانقر على زر تعيين على الجانب الأيمن من المربع. عادة ما يتم تعيين عرض فتحة المدخل في 0.3 مم.
  3. التحكم في موضع المرحلة
    1. افتح جزء المعاينة. أدخل قيمة موضع ODL1 في ميكرومترات في مربع موضع مرحلة SK (μm). يقبل المربع القيم من 0 إلى 200,000 (ميكرومتر). انقر على زر الانتقال على الجانب الأيمن من المربع.
    2. أدخل قيمة موضع ODL2 في 0.1 ميكرومتر في مربع وضع مرحلة FA (1/10 ميكرومتر). يقبل المربع القيم من -250,000 إلى 250,000 (x 1/10 ميكرومتر). انقر على زر الانتقال على الجانب الأيمن من المربع.
  4. قياس واحد
    1. أدخل عدد التراكمات لقياس واحد للطيف في مربع التراكم. يقبل المربع القيم من 1 إلى 999.
    2. أغلق مدخل المطياف عن طريق دفع شريط الحجاب الحاجز إلى اليمين بقدر ما يمكنه التحرك. انقر على زر مخزن الظلام. افتح مدخل المطياف عن طريق سحب شريط الحجاب الحاجز إلى اليسار بقدر ما يمكنه التحرك.
    3. حدد متوسط المربع لمعاينة نتيجة متوسطة فقط.
    4. حدد الحصول على طيف الضوء والتحقق من امتصاص عابر من القائمة المنسدلة وضع التشغيل لقياس كثافة التحقيق وقياس تحفيز رامان أو أطياف امتصاص عابرة، على التوالي.
    5. انقر فوق الزر الحصول على.
    6. لتكرار القياسات تلقائيًا، حدد المربع المستمر وانقر على زر الحصول. إلغاء تحديد المربع المستمر لإيقاف القياسات المستمرة.
    7. افتح مربع حوار الملف بالنقر فوق رمز المجلد. انقر نقرًا مزدوجًا على مجلد لحفظ البيانات. أدخل اسم ملف مع ملحق ".txt" وانقر فوق OK. انقر على زر الحفظ.
  5. القياس الذي تم حله بالوقت
    1. افتح جزء التجربة. أدخل اسمًا ضمن 20 حرفًا يصف بإيجاز تجربة (على سبيل المثال، أسماء العينات والشروط) في مربع اسم التجربة.
    2. افتح مربع حوار الملف بالنقر فوق رمز المجلد. انقر نقرًا مزدوجًا على مجلد لحفظ البيانات وانقر فوق OK.
    3. أدخل عدد عمليات مسح المرحلة الانتقالية في مربع عدد عمليات المسح الضوئي.
    4. حدد المرحلة الانتقالية الممسوحة ضوئيًا في التجربة في القائمة المنسدلة للمسح الضوئي.
    5. أدخل موضع مرحلة حيث يبدأ الفحص في المربع من النطاق A. تعتمد وحدة ونطاق القيم المقبولة على المرحلة (انظر القسم 3.3).
    6. أدخل فاصلًا زمنيًا بين موضعين متتاليين في مرحلة في مربع الخطوة من النطاق A. ويتوافق الفاصل الزمني 1 ميكرومتر في موضع المرحلة مع الفاصل الزمني 6.7 fs في التأخير الزمني بين مضخة أكتينيك (أو رامان) ونبضات المسبار.
    7. أدخل عدد مواضع المرحلة في مسح ضوئي في مربع النقاط في النطاق A.
    8. إذا كان هناك حاجة إلى أكثر من فاصل زمني واحد في فحص واحد، فتحقق من مربع النطاق B وكرر الخطوات 3.5.5-3.5.7 للنطاق B. يمكن تعيين ثلاث فواصل زمنية باستخدام النطاق Aو Bو C.
    9. بدء عمليات المسح الضوئي بالنقر فوق زر التشغيل. سيتم تشغيل ضوء مؤشر تشغيل التجربة. انتظر حتى يتم إيقاف تشغيل ضوء المؤشر.

4. الأمثل لنطاق التحقيق

  1. ضع مقالب الحزمة في مسارات الحزم المضخة الأكتينية ورامان. تعيين P1 في الزاوية التي تسمح للنبض المستقطب عموديا لتمرير من خلال P1.
  2. تعيين عدد التراكمات إلى 10 وفقا للخطوة 3.4.1. تخزين إشارة الظلام وفقا للخطوات 3.4.2. حدد الحصول على الطيف الضوئي وفقا للخطوة 3.4.4.
  3. تشغيل القياسات المستمرة وفقا للخطوة 3.4.6 لمعاينة البيانات. زيادة عدد الكاشف على الشاشة عن طريق تدوير HWP1 تدريجياً.
  4. زيادة تدريجيا كثافة نبض الحادث عن طريق تدوير VND1 حتى يصل عدد الكاشف الأقصى والحد الأدنى إلى حوالي 30,000 و 4,000 على التوالي. إذا بدأ نمط تذبذب كبير في ملاحظته، قم بتدوير VND1 في الاتجاه المعاكس حتى يختفي النمط.
  5. وقف القياسات المستمرة وفقا للخطوة 3.4.6.

5. قياس أطياف رامان تحفيز ثابتة

  1. التداخل المكاني لمضخة رامان ونبضات المسبار
    1. إزالة تفريغ شعاع في مسار شعاع مضخة رامان. ضع المروحية البصرية (OC) في مسار شعاع مضخة رامان.
    2. ضع بطاقة استشعار بالقرب من الأشعة تحت الحمراء في موضع العينة. ضبط اتجاه شعاع مضخة رامان عن طريق ضبط M21 وفقا للقسم 2.1 حتى البقع من مضخة رامان والحزم التحقيق تتداخل تماما مع بعضها البعض. إزالة بطاقة الاستشعار.
  2. التداخل الزمني لمضخة رامان ونبضات المسبار
    1. ضع الصمام الثنائي الضوئي لـ InGaAs PIN في موضع العينة حيث تتداخل مضخة رامان وشعاعالمسبار مكانياً مع بعضهما البعض نتيجة للقسم 5.1.
    2. قم بتوصيل إخراج الإشارة من الصمام الثنائي الضوئي بـ 500 ميغاهرتز، 5 جي إس/ث منظار الذبذبات الرقمي من أجل رصد عندما تصل نبضات مضخة رامان والمسبار إلى موضع العينة.
    3. تعيين المقياس الأفقي لمنظار الذبذبات ليكون 1 ns/div.
    4. قراءة وقت الذروة من شدة إشارة لمضخة رامان ونبضات التحقيق حجب النبض الأخرى.
    5. إذا لوحظ اختلاف في وقت الذروة للنبضين، قم بضبط موضع ODL2 وفقًا للقسم 3.3 حتى يصبح الفرق أصغر من 200 ملاحظة.
  3. تعديل مرحلة دوران المروحية البصرية
    1. أضف 40 مل من السيكلوهيكسان إلى الخزان. بدء تدفق السيكلوهيكسان وفقا للخطوة 2.9.5.
    2. تعيين الطول الموجي للمركز من الطيف على أن يكون 1190 نانومتر وفقا للخطوة 3.2.3 لمراقبة تشتت رايلي من نبض مضخة رامان.
    3. تعيين عدد التراكمات إلى 10 وفقا للخطوة 3.4.1. تخزين إشارة الظلام وفقا للخطوة 3.4.2.
    4. حدد التحقق من الامتصاص العابر وفقًا للخطوة 3.4.4.
    5. تشغيل القياسات المستمرة وفقا للخطوة 3.4.6.
    6. تعظيم السعة من إشارة امتصاص عابرة واضحة مع علامة سلبية في الطول الموجي مضخة رامان، والتي تنبع من وجود وعدم وجود نبض ة مضخة رامان المتناثرة بسبب التقطيع، عن طريق ضبط مرحلة دوران OC من -180 °−170 درجة على اللوحة الأمامية للتحكم.
    7. وقف القياسات المستمرة وفقا للخطوة 3.4.6.
  4. تعظيم الإشارة
    1. تعيين الطول الموجي للمركز من الطيف على أن يكون 1410 نانومتر وفقا للخطوة 3.2.3 لمراقبة تنشيط أطياف رامان.
    2. تشغيل القياسات المستمرة وفقا للخطوة 3.4.6 والتحقق مما إذا لوحظت عصابات رامان حفز من السيكلوهيكسان في الشاشة. يظهر أقوى نطاق من السيكلوهيكسان عند البكسل 55-58 عندما يتم تعيين الطول الموجي للمركز عند 1,410 نانومتر.
    3. إذا لم يتم ملاحظة نطاقات رامان المحفزة، حاول تغيير موضع ODL2 بمقدار ± 15,000 ميكرومتر على فترات 150 ميكرومتر وفقاً للقسم 3.3 ومعرفة ما إذا كانت نطاقات رامان المحفزة قد لوحظت.
    4. إذا لم يتم ملاحظة نطاقات رامان المحفزة بعد إجراء الخطوة 5.4.3، فإعادة محاولة الخطوة 5.1.2 للحصول على التداخل المكاني بين مضخة رامان والحزم المسبارية وإجراء الخطوة 5.4.2 مرة أخرى.
    5. بمجرد الكشف عن عصابات رامان المحفزة ، قم بتعظيم كثافة النطاق في الشاشة عن طريق إعادة ضبط M21 بشكل متكرر ، ومرحلة الدوران OC ، وموضع ODL2.
    6. وقف القياسات المستمرة وفقا للخطوة 3.4.6.
  5. قياس
    1. تعيين عدد التراكمات إلى 500 وفقا للخطوة 3.4.1. تخزين إشارة الظلام وفقا للخطوة 3.4.2.
    2. تشغيل قياس واحد وفقا للخطوة 3.4.5. حفظ الطيف وفقا للخطوة 3.4.7. كرر القياس على الأقل 4x.
    3. قم بإزالة أنبوب الدخول من الخزان وانتظر حتى ينقطع التدفق عن طريق الهواء. تقليل الجهد من مضخة العتاد المغناطيسي.
    4. استبدال محتوى الخزان مع واحد مليئة 100 مل من الأسيتون الطازج.
    5. تعيين أنابيب الدخول ومنفذ في الخزان وقارورة فارغة، على التوالي. بدء مضخة العتاد المغناطيسي وفقا للخطوة 2.9.5 والسماح تدفق التولوين من خلال FC.
    6. انتظر حتى يتم مقاطعة التدفق من قبل الهواء. تقليل الجهد من مضخة العتاد المغناطيسي.
    7. كرر الخطوات 5.5.4-5.5.6 على الأقل 2x.
    8. أضف 40 مل من الأسيتون إلى الخزان. بدء تدفق الأسيتون وفقا للخطوة 2.9.5.
    9. سجل طيف رامان المحفز من الأسيتون وفقًا للخطوة 5.5.2.
    10. إزالة الأسيتون من FC وفقا للخطوة 5.5.3.
    11. كرر الخطوات 5.5.4-5.5.10 باستخدام التولوين بدلاً من الأسيتون.

6. قياس أطياف الامتصاص التي تم حلها زمنيًا

  1. إفراغ الخزان وإضافة 25 مل من محلول التولوين من كاروتين مع تركيز 1 × 10-4 مول DM-3. بدء تدفق حل العينة وفقا للخطوة 2.9.5.
  2. ضع OC في مسار شعاع المضخة الأكتينيك.
  3. نقل تفريغ شعاع من مسار شعاع مضخة actinic إلى أن من شعاع مضخة رامان.
  4. يتداخل مكانياً المضخة الأكتينية وأشعة المسبار في موضع العينة وفقًا للخطوة 5.1.2 باستخدام بطاقة عمل بدلاً من بطاقة استشعار الأشعة تحت الحمراء القريبة.
  5. تتداخل زمنيا شعاعين في موقف العينة وفقا للقسم 5.2 باستخدام الصمام الثنائي SI PIN الضوئي بدلا من الصمام الثنائي رقم التعريف الشخصي InGaAs.
  6. تعيين عدد التراكمات إلى 10 وفقا للخطوة 3.4.1. تخزين إشارة الظلام وفقا للخطوة 3.4.2.
  7. حدد التحقق من الامتصاص العابر وفقًا للخطوة 3.4.4.
  8. تشغيل القياسات المستمرة وفقا للخطوة 3.4.6 والتحقق مما إذا كان لوحظ امتصاص عابر من كاروتين في العرض. يظهر نطاق الامتصاص مع شكل يتناقص بشكل رتيب نحو أطوال موجية أطول (ثاني أدنى حالة منفردة متحمس ، S2)أو مع اثنين من maxima في جميع أنحاء بكسل 0 و 511th (أدنى حالة واحدة متحمس ، S1).
  9. إذا لم يلاحظ الامتصاص العابر، حاول تغيير موضع ODL1 بمقدار ± 15,000 ميكرومتر على فترات 150 ميكرومتر وفقاً للقسم 3.3.
  10. إذا لم يلاحظ أي نطاق امتصاص بعد إجراء الخطوة 6.9، إعادة محاولة الخطوة 6.4 للحصول على التداخل المكاني بين مضخة أكتينيك والحزم التحقيق.
  11. تعظيم كثافة الامتصاص عن طريق إعادة ضبط M32 مرة واحدة يتم الكشف عن الفرقة امتصاص عابر.
  12. وقف القياسات المستمرة وفقا للخطوة 3.4.6.
  13. تقليل موقف ODL1 وفقا للقسم 3.3 حتى يختفي الامتصاص العابر تماما.

7. قياس الوقت حل الأطياف رامان حفزت

  1. ضع OC في مسار شعاع مضخة رامان. إزالة تفريغ شعاع من مسار شعاع مضخة رامان.
  2. تعيين عدد التراكمات إلى 200 وفقا للخطوة 3.4.1. تخزين إشارة الظلام وفقا للخطوة 3.4.2.
  3. تشغيل تجربة تم حلها حسب الوقت وفقًا للقسم 3.5. في الخطوة 3.5.4، حدد مرحلة SK. تعيين قيمة البدء للنطاق A لتكون أصغر بنحو 50 ميكرومتر من الموضع الذي اختفت فيه إشارة الامتصاص العابرة في الخطوة 6.13.

8. رامان تحول المعايرة

  1. حساب متوسط الأطياف رامان حفز أربعة للسيكلوهيكسان، الأسيتون، والتولوين المسجلة في القسم 5 باستخدام برامج تحليل البيانات من اختيارك.
  2. رسم متوسط تنشيط أطياف رامان من المذيبات ضد عدد بكسل من كاشف صفيف InGaAs.
  3. تقدير مواقف الذروة من عصابات رامان حفز من المذيبات من قبل أقل المربعات المناسب التحليل مع وظائف لورنتزيان. إذا كانت الدالة لورنتزيان غير متوفرة، استخدم دالة متعددة الحدود بدلاً من ذلك.
  4. رسم ذروة أعداد موجات نطاقات رامان للمذيبات في كتاب مرجعي (على سبيل المثال، هاماغوتشي وإيواتا34)مقابل مواقع الذروة المقدرة في عدد البكسل.
  5. الحصول على وظيفة المعايرة بين التحول رامان ورقم بكسل من قبل تحليل أقل المربعات المناسب مع وظيفة متعددة الحدود من الدرجة الثانية أو الثالثة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم تطبيق Femtosecond الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز رامان التحليل الطيفي إلى α-كاروتين في حل التولوين. وكان تركيز العينة 1 × 10-4 مول DM-3. كانت العينة متحمسة ضوئيًا بواسطة نبض المضخة الأكتينية عند 480 نانومتر مع طاقة نبض ية تبلغ 1 μJ. يتم عرض أطياف رامان المحفزة التي تم حلها بالوقت من α-carotene في التولوين في الشكل 2A. احتوت الأطياف الخام نطاقات رامان قوية من التولوين المذيب وفرقة رامان ضعيفة من كاروتين في حالة الأرض وكذلك عصابات رامان من الكاروتين بيتا موست. تم طرحها باستخدام طيف رامان المحفز لنفس الحل في 1 ps قبل الفوتوكسيد. وأظهرت الأطياف بعد الطرح(الشكل 2B)خطوط الأساس المشوهة التي تسببها امتصاص photoexcited α-كاروتين و / أو غيرها من العمليات البصرية غير الخطية. أصبحت خطوط الأساس مسطحة بعد تصحيحها بوظائف متعددة الحدود(الشكل 2C).

أظهرت أطياف رامان المحفزة التي تم حلها بالوقت فرقتين قويتين في منطقة 1400-1800 سم-1 (الشكل 2C). تم تعيين فرقة رامان واسعة محفزة في 0 PS إلى اهتزاز التمدد C = C في المرحلة S 2-carotene. وقدر مركز الذروة أن يكون 1,556 سم-1. في مرحلة C = C تمتد الفرقة من S1 α-كاروتين ظهرت كما S2 C = C تمتد الفرقة المتحللة. تم رفع موضع ذروة S1 C = C نطاق التمدد بمقدار 8 سم-1 من 0.12 إلى 5 ps(الشكل 2D). وقدر ثابت الوقت من upshift ليكون 0.9 PS. تنشأ النوبة من إعادة توزيع الطاقة الاهتزازية في S 1-carotene2,3.

Figure 1
الشكل 1: مخططات الأدوات. (أ)الرسم التخطيطي كتلة من الوقت femtosecond حلها بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز مطياف رامان. Ti:S = وضع مؤمن Ti: نظام ليزر الياقوت؛ BS = Beamsplitter; OPA = مكبر الصوت البصري البارامتري؛ BBO = كريستال بورات الباريوم؛ OC = المروحية البصرية؛ ODL = خط تأخير بصري؛ BPF = مرشح ممر باند عاكس للحجم؛ SP = لوحة الياقوت؛ FC = تدفق الخلية; M = مرآة; CM = مرآة مقعرة؛ L = عدسة; أنا = إيريس; P = المستقطب؛ HWP = لوحة نصف موجة؛ F = مرشح الزجاج الملون؛ VND = مرشح الكثافة البصرية المتغيرة. تم تكييف هذا الرقم من تاكايا11 بإذن من جمعيات مالك PCCP. (ب)أربعة تكوينات من جبل مرآة. V، H، و S تمثل مقبض التكيف الرأسي، مقبض التكيف الأفقي، والدعم، على التوالي. انظر القسم 2-1 للحصول على التفاصيل. (C)رسم تخطيطي لمحاذاة شعاع الليزر. م = مرآة؛ ط = إيريس. انظر القسم 2-3 للاطلاع على التفاصيل. (D)رسم تخطيطي لمحاذاة خط التأخير البصري. م = مرآة؛ ط = إيريس. انظر القسم 2-4 للحصول على التفاصيل. (E)هيكل جبل خلية تدفق. انظر القسم 2.9 للحصول على التفاصيل. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: Femtosecond الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفزت أطياف رامان. (أ)Femtosecond الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز أطياف رامان من α-كاروتين في التولوين مع الطول الموجي مضخة actinic في 480 نانومتر. ويشار إلى عصابات رامان من التولوين وβ كاروتين في حالة الأرض مع الدوائر والمثلث، على التوالي. (ب)Femtosecond الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز أطياف رامان من β كاروتين في التولوين بعد يتم طرح عصابات رامان من التولوين وβ كاروتين في الدولة الأرضية. تم تزويد خطوط الأساس للأطياف بوظائف متعددة الحدود (آثار مكسورة). (C)Femtosecond الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز أطياف رامان من β كاروتين في التولوين بعد التصحيح خط الأساس. (D)مواقف الذروة من في المرحلة C = C تمتد الفرقة في الدولة S1 رسمضد تأخير الوقت. تم تزويد نطاقات التمدد C = C بوظيفة غاوسية لتقدير مواقع الذروة الخاصة بها. تم الحصول على أفضل منحنى مجهز للتحول من S1 C = C تمتد الفرقة (أثر الصلبة) من قبل تحليل أقل المربعات المناسب مع وظيفة أسي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

عوامل حاسمة في femtosecond الوقت حلها بالقرب من الأشعة تحت الحمراء متعددة حفز قياس رامان
للحصول على الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز أطياف رامان مع نسبة عالية إشارة إلى الضوضاء، وينبغي أن يكون الطيف التحقيق بشكل مثالي كثافة موحدة في نطاق الطول الموجي كله. ولذلك، فإن توليد سلسلة الحلقات الفرعية ذات الضوء الأبيض (القسم 2-5) هو أحد أهم الأجزاء التي تم حلها من قبل الزمن بالقرب من الأشعة تحت الحمراء التي حفزت تجارب رامان. بشكل عام، يصبح طيف المسبار واسعًا ومسطحًا مع زيادة شدة شعاع الحادث. ومع ذلك ، فإن كثافة الحزمة العالية تنتج بسهولة تأثيرات بصرية غير خطية غير مرغوب فيها بخلاف جيل استمرارية الضوء الأبيض. وفي أسوأ الحالات، توفر الآثار غير الخطية للطيف المسبار تقلبات كثافة كبيرة ونمط متذبذب يخفض إلى حد كبير نسبة الإشارة إلى الضوضاء في أطياف رامان المحفزة. يوضح الشكل 2C كيف يؤثر النمط المذبذب على الأطياف. فإنه يظهر أنماط متذبذبة من -0.30 إلى 4 PS، ولكن أنماط تظهر فقط ضعيفة، مع سعة الذروة إلى الذروة من 1 ×10-4،كما يتم تحسين بعناية توليد الضوء الأبيض. ويمكن توفير تأثير آخر غير مرغوب فيه على الطيف التحقيق عن طريق بخار الماء في الهواء2،11. يمكن تجنب تأثير بخار الماء إذا تم تعيين جزء من مطياف، بما في ذلك البصريات جيل الضوء الأبيض، عينة، ومطيافات، في غرفة مليئة النيتروجين الجاف.

دقة معايرة تحول رامان
كما هو موضح في القسم 8، نقوم بمعايرة محور تحول رامان من خلال تحليل أقل المربعات المناسب لمواقف ذروة النطاقات المذيبة في تحول رامان مقابل تلك الموجودة في عدد البكسل للكاشف مع وظيفة متعددة الحدود. نعتقد أن هذا البروتوكول يعمل بشكل جيد طالما لا يمكن تحديد الطول الموجي مضخة رامان بدقة عالية. هذا هو الحال بالنسبة لمطياف لدينا لأن كل بكسل من كاشف لدينا يغطي كبيرة مثل 3.5 سم-1 في جميع أنحاء عدد الموجي من نبض مضخة رامان. ومع ذلك ، يجب اختيار المذيبات بحيث تظهر جميع نطاقات رامان المحفزة العابرة للعينة بين أعلى وأدنى أعداد الموجات من نطاقات المذيبات (القسم 8). يفقد منحنى معايرة التحول رامان دقته خارج نطاق نطاقات المذيبات. في الشكل 2, عصابة رامان من S1 α-كاروتين في التولوين, في 1,785 سم-1,يظهر وراء أعلى عدد موجي من العصابات المذيبات, 1,710 سم-1. لقد أكدنا أن موقف الذروة يتفق بشكل جيد مع ذلك في البنزين التي يحددها بيكوثانية الوقت حل طيافية رامانعفوية 35،36.

فعالية ومنظور femtosecond الوقت حلها بالقرب من الأشعة تحت الحمراء متعددة حفز مطياف رامان
وقد ثبت أن femtosecond الوقت حل هاقرب الأشعة تحت الحمراء متعددة حفز مطياف رامان يمكن رصد spectra رامان حفز، الذي يوفر معلومات تعادل تقريبا أطياف رامان عفوية من الأنواع قصيرة الأجل مع الأشعة تحت الحمراء القريبة التحولات. يمكن الكشف عن اختلافات صغيرة في موضع الذروة للنطاق مع مطياف بسبب حساسيته العالية بما فيه الكفاية. وسوف يكون مطياف تنطبق على مجموعة واسعة من أنظمة اقتران من جزيئات العطرية بسيطة إلى البوليمرات موصل ضوئيا. ثابت بالقرب من الأشعة تحت الحمراء متعددة تحفيز نظام رامان الطيفي هو أيضا أداة قوية لمراقبة الاهتزازات الجزيئية دون تدخل الفلورمنس من العينة، وذلك لأن الطاقة من الفوتونات الأشعة تحت الحمراء القريبة عموما أقل بكثير من الإلكترونية الطاقة الانتقالية من الجزيئات من الدولة المنفرد متحمس أدنى إلى حالة الأرض. وينطبق المطياف على رصد الديناميات الهيكلية في النظم البيولوجية في الجسم الحي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل من قبل أرقام منحة JSPS KAKENHI JP24750023 ، JP24350012 ، أرقام منحة MEXT KAKENHI JP26104534 ، JP16H00850 ، JP26102541 ، JP16H00782 ، وبرنامج MEXT المدعوم لمؤسسة البحوث الاستراتيجية في الجامعات الخاصة ، 2015-2019.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1-Axis Translational Stage OptSigma TSD-401S Products equivalent to this are used as well; for M22, L9, and CM in Figure 1A
20-cm Optical Delay Line OptSigma SGSP26-200 ODL1 in Figure 1A
3-Axis Translational Stage OptSigma TSD-405SL For L8 in Figure 1A
3-Axis Translational Stage Suruga Seiki B72-40C For FC in Figure 1A
5-cm Optical Delay Line PMT HRS-0050 ODL2 in Figure 1A
Al Concave Mirror Thorlabs CM254-050-G01 Focal length: 50 mm; CM in Figure 1A
Base Plate Suruga Seiki A21-6 Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
BBO Crystal EKSMA Optics - Type 1, θ = 23.2 deg; BBO in Figure 1A
BK7 Plano-Concave Lens OptSigma SLB-25.4-50NIR2 Focal length: 50 mm; IR anti-reflection coating; L6 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex Lens OptSigma SLB-25.4-150PIR2 Focal length: 150 mm; IR anti-reflection coating; L2, L3, L5 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex Lens OptSigma SLB-25.4-100PIR2 Focal length: 100 mm; IR anti-reflection coating; L4 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex Lens OptSigma SLB-25.4-200PIR2 Focal length: 200 mm; IR anti-reflection coating; L7 in Figure 1A
Broadband Dielectric Mirror OptSigma TFMS-25.4C05-2/7 M22-M25, M28, M29 in Figure 1A
Broadband Dielectric Mirror Precision Photonics (Advanced Thin Films) - M26, M27, M30-M32 in Figure 1A
Broadband Half-Wave Plate CryLight - HWP3 in Figure 1A
Color Glass Filter HOYA IR85 F1 in Figure 1A
Color Glass Filter HOYA RM100 F2 in Figure 1A
Color Glass Filter Schott BG39 F3 in Figure 1A
Computer Dell Vostro 200 Mini Tower OS: Windows XP
Cyclohexane Kanto Kagaku 07547-1B HPLC grade
Data Analysis Software Wavemetrics Igor Pro 8
Dielectric Beamsplitter LAYERTEC - Reflection : Transmission = 2 : 1; BS1 in Figure 1A
Dielectric Beamsplitter LAYERTEC - Reflection : Transmission = 1 : 1; BS2, BS3 in Figure 1A
Dielectric Mirror Precision Photonics
(Advanced Thin Films)		 - M1-M8 in Figure 1A
Digital Oscilloscope Tektronix TDS3054B 500 MHz, 5 GS/s
Elastomer Tube - - Figure 1E
Femtosecond Ti:sapphire Oscillator Coherent Vitesse 800-2 Wavelength: 800 nm, pulse duration: 100 fs, average power: 280 mW, repetition rate: 80 MHz; included in Ti:S in Figure 1A
Femtosecond Ti:sapphire Regenerative Amplifier Coherent Legend-Elite-F-HE Wavelength: 800 nm, pulse duration: 100 fs, pulse energy: 3.5 mJ, repetition rate: 1 kHz; included in Ti:S in Figure 1A
Film Polarizer OptSigma SPFN-30C-26 P1 in Figure 1A
Glan-Taylor Prism OptSigma GYPB-10-10SN-3/7 P2 in Figure 1A
Gold Mirror OptSigma TFG-25C05-10 M9-M21 in Figure 1A
Half-Wave Plate OptSigma WPQ-7800-2M HWP1 in Figure 1A
Harmonic Separator Coherent TOPAS-C HRs 410-540 nm HS in Figure 1A
InGaAs Array Detector Horiba Symphony-IGA-512X1-50-1700-1LS 512 ch, Liquid nitrogen cooled
InGaAs PIN Photodiode Hamamatsu Photonics G10899-01K
IR Half-Wave Plate OptiSource - HWP2 in Figure 1A
Iris Suruga Seiki F74-3N Products equivalent to this are used as well; I1-I17 in Figure 1A
Lens Holder OptSigma LHF-25.4S Products equivalent to this are used as well; for L1-L10 in Figure 1A
Magnetic Gear Pump Micropump 184-415
Mirror Mount Siskiyou IM100.C2M6R Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, BBO, CM in Figure 1A
near-IR phosphor card Thorlabs VRC2
Nut - - Figure 1E, M4; purchased from a DIY store
Optical Chopper New Focus 3501 OC in Figure 1A
Optical Parametric Amplifier Coherent OPerA-F OPA1 in Figure 1A
Optical Parametric Amplifier Coherent TOPAS-C OPA2 in Figure 1A
Polarizer Holder OptSigma PH-30-ARS Products equivalent to this are used as well; for P1-P2 and HWP1-3 In Figure 1A
Polyfluoroacetate Tube - - Figure 1E
Post Holder OptSigma BRS-12-80 Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
Quartz Flow Cell Tosoh Quartz T-70-UV-2 FC in Figure 1A
Quartz Plano-Concave Lens OptSigma SLSQ-25-50N Focal length: 50 mm; L8 in Figure 1A
Quartz Plano-Convex Lens OptSigma SLSQ-25-100P Focal length: 100 mm; L1, L9 in Figure 1A
Quartz Plano-Convex Lens OptSigma SLSQ-25-220P Focal length: 220 mm; L10 in Figure 1A
Sapphire Plate Pier Optics - 3 mm thick; SP in Figure 1A
Si PIN Photodiode Hamamatsu Photonics S3883
Single Spectrograph Horiba Jobin Yvon iHR320 Focal length: 32 cm
Stainless Steel Rod Suruga Seiki A41-100 Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
Stainless Steel Rod Newport J-SP-2 Figure 1E
Toluene Kanto Kagaku 40180-1B HPLC grade
U-Shaped Steel Plate - - Figure 1E; purchased from a DIY store
Variable Neutral Density Filter (with a holder) OptSigma NDHN-100 VND1 in Figure 1A
Variable Neutral Density Filter (with a holder) OptSigma NDHN-U100 VND2 in Figure 1A
Visual Programming Language National Instruments LabVIEW 2009 The control software in this study is programmed in LabVIEW 2009
Volume-Grating Bandpass Filter OptiGrate BPF-1190 BPF in Figure 1A
β-Carotene Wako Pure Chemical Industries 035-05531

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الكيمياء، العدد 156، التحليل الطيفي بالليزر، الأشعة تحت الحمراء القريبة، حفز تشتت رامان، femtosecond، تقنية مضخة التحقيق، ο-conjugate، الكاروتينات، إعادة توزيع الطاقة الاهتزازية
فائق السرعة الوقت حل بالقرب من الأشعة تحت الحمراء حفز اختبارات رامان من أنظمة وظيفية مشبهة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Takaya, T., Iwata, K. Ultrafast… More

Takaya, T., Iwata, K. Ultrafast Time-resolved Near-IR Stimulated Raman Measurements of Functional π-conjugate Systems. J. Vis. Exp. (156), e60437, doi:10.3791/60437 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter