Summary

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

Published: February 10, 2020
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Summary

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

Abstract

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

Introduction

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

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

Protocol

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

Representative Results

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

Discussion

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

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Materials

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

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Cite This Article
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).

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