Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Ultrafast זמן-נפתר ליד IR גירוי מדידות ראמאן של פונקציונלי π-המשלים מערכות

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

פירוט של יצירת אותות ואופטימיזציה, מדידה, רכישת נתונים, וטיפול בנתונים עבור הסדר השני הנפתר באמצעות הזמן הקרוב-IR ספקטרומטר ראמאן מתוארים. כמעט אינפרא אדום מגורה מחקר ראמאן על הדינמיקה המדינה נרגש של β-קרוטן ב טולואן מוצג כיישום נציג.

Abstract

הזמן השני נפתר בפעם השנייה מגורה ספקטרוסקופית ראמאן היא שיטה מבטיחה להתבונן בדינמיקה המבנית של מעברים קצרי-חיים עם המעברים הסמוכים לאינפרא-אדום (ליד-IR), משום שהוא יכול להתגבר על הרגישות הנמוכה של הספקטרומטרים הספונטניים של ראמאן באזור הקרוב-IR. כאן, אנו מתארים פרטים טכניים של מולטיפלקס בזמן-רב שנפתרה בקרבת מכאן-IR הגירוי ספקטרומטר ראמאן שפיתחנו לאחרונה. מסופק גם תיאור של יצירת אותות ואופטימיזציה, מדידה, רכישת נתונים וכיול ותיקון של נתונים מוקלטים. אנו מציגים יישום של ספקטרומטר שלנו כדי לנתח את הדינמיקה של המדינה נרגש של β-קרוטן בפתרון טולואן. C = C הלהקה מתיחה של β-קרוטן במצב השני הנרגש ביותר (S2) המדינה ו-הנרגש ביותר (s1) המדינה היא נצפתה בבירור בזמן מוקלט החליט מגורה ראמאן ספקטרה. הפעם השנייה, שנפתרה ליד-IR, מעוררת ספקטרומטר ראמאן, ישימה בדינמיקה המבנית של מערכות π המשלים ממולקולות פשוטות לחומרים מורכבים.

Introduction

ספקטרוסקופית ראמאן הוא כלי רב עוצמה ורב תכליתי לחקירת מבנים של מולקולות במגוון רחב של דגימות מגזים פשוטים, נוזלים, ומוצקים לחומרים פונקציונליים ומערכות ביולוגיות. פיזור ראמאן משופר באופן משמעותי כאשר אנרגיית הפוטון של אור עירור בקנה אחד עם אנרגיית המעבר האלקטרוני של מולקולה. אפקט ראמאן התהודה מאפשר לנו באופן סלקטיבי להתבונן בספקטרום ראמאן של מין במדגם המורכב סוגים רבים של מולקולות. קרוב-IR מעברים אלקטרוניים מושכים תשומת לב רבה כמו בדיקה לחקירת הדינמיקה המדינה נרגש של מולקולות עם מבנים גדולים π מעלה. האנרגיה והחיים של המדינה הנרגש הנמוך ביותר של המחוז כבר נקבע עבור מספר קרוטנואידים, אשר יש שרשרת polyene חד-מימדי ארוך1,2,3. הדינמיקה של ההתרגשות הנייטרלית והטעונה נחקרו בהרחבה עבור פולימרים פוטו שונים בסרטים4,5,6,7, חלקיקים8, ופתרונות9,10,11. מידע מפורט על המבנים של הארעיות יהיה השגה אם הזמן נפתר באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן הנמצא ליד IR מוחל על מערכות אלה. רק מחקרים מעטים, עם זאת, דווחו על הזמן שנפתר ליד IR ראמאן ספקטרוסקופיית12,13,14,15,16, כי הרגישות של קרוב-IR ראמאן ממטרים הוא נמוך מאוד. רגישות נמוכה בעיקר מקורו בהסתברות נמוכה של פיזור קרוב-IR ראמאן. ההסתברות של הפיזור ראמאן ספונטנית הוא פרופורציונלי ωiωs3, שם ωi ו ωs הם התדרים של אור עירור ואת אור פיזור ראמאן, בהתאמה. בנוסף, גלאי מסחרית זמין בקרבת IR יש רגישות נמוכה בהרבה מאשר גלאי CCD לתפקד באזורים UV וגלויים.

הזמן השני הנפתר בפעם השנייה מגורה ספקטרוסקופיית התפתחה כשיטה חדשה של התבוננות בשינויים תלויי זמן של להקות ויברציה של ראמאן פעילים מעבר לגבול לכאורה של הגבלת שינוי פורייה של פעימת לייזר17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33. פיזור ראמאן מגורה נוצרת על ידי הקרנה של שני פולסים לייזר: משאבת ראמאן ופולסים בדיקה. כאן מניחים כי הדופק משאבת ראמאן יש תדר גדול יותר מאשר דופק הבדיקה. כאשר ההבדל בין התדרים של משאבת ראמאן ופולסים בדיקה בקנה אחד עם תדירות של רטט מולקולרי הפעיל ראמאן, הרטט הוא נרגש בעקשנות עבור מספר רב של מולקולות בנפח הקרינה. פולריזציה לא לינארית הנגרמת על ידי רטט מולקולרי קוהרנטי מגביר את השדה החשמלי של הדופק בדיקה. טכניקה זו היא רבת עוצמה במיוחד עבור כמעט IR ספקטרוסקופית ראמאן, כי גירוי פיזור ראמאן יכול לפתור את הבעיה של רגישות של זמן שנפתר ליד IR ספונטנית ספקטרומטרים ראמאן. פיזור ראמאן מגורה מזוהה כשינויי עוצמה של הדופק בדיקה. גם אם גלאי קרוב-IR יש רגישות נמוכה, מגורה פיזור ראמאן יזוהו כאשר עוצמת הבדיקה גדל מספיק. ההסתברות של מגורה פיזור ראמאן הוא פרופורציונלי ωRPωSRS, שם ωRP ו ωSRS הם התדרים של הדופק משאבת ראמאן ו מגורה פיזור ראמאן, בהתאמה20. התדרים עבור גירוי הפיזור ראמאן, ωRP ו ωSRS, הם שווי ערך ωi ו ωs עבור פיזור ראמאן ספונטנית, בהתאמה. פיתחנו לאחרונה בפעם השנייה לפתור בדיקת מערכת באמצעות-IR ספקטרומטר מעורר גירוי מגורה לחקור את המבנים והדינמיקה של משני הπ משני מערכות המשלים במערכות משניות2,3,7,10. במאמר זה, אנו מציגים את הפרטים הטכניים של שלנו בפעם השנייה שפתרתי באמצעות מולטיר הקרוב-IR גירוי ספקטרומטר ראמאן. יישור אופטי, רכישת זמן שנפתר והוא מגורה ספקטרום ראמאן, וכיול ותיקון של ספקטרום מוקלט מתוארים. הדינמיקה מדינה נרגשת של β-קרוטן בפתרון טולואן הוא למד כיישום מייצג של ספקטרומטר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הפעלת מכשירים חשמליים

  1. הפעל את מערכת הלייזר הנשית: לייזר ספיר על פי מדריך הפעולה שלה. לחכות 2 h עבור מערכת הלייזר להתחמם.
  2. הפעל את מתגי החשמל של המסוק האופטי, בקרי השלב הטרנסלליים, הספקטרוגרף, גלאי המערך של InGaAs והמחשב בזמן שהמערכת מתחממת. מלא את מכונת הזיהוי של הגלאי. עם חנקן נוזלי

2. היישור האופטי של הספקטרומטר

  1. התאמת ראי (איור 1B)
    1. בדוק את מיקום התמיכה של הר השיקוף.
    2. הפוך את הכפתור העליון של הר השעון ונגד כיוון השעון כדי לאפשר לקרן לייזר משתקף לנסוע למטה ולמעלה בכיוון האנכי, בהתאמה, אם התמיכה ממוקמת בחלק התחתון של ההר. סובב את הכפתור בכיוון ההפוך אם התמיכה ממוקמת בחלק העליון של ההר.
    3. לסובב את הידית בצד שמאל של הר בכיוון השעון ונגד כיוון השעון כדי לאפשר קרן לייזר משתקף לנסוע ימינה ושמאלה בכיוון האופקי, בהתאמה, אם התמיכה ממוקמת בצד ימין של הר. סובב את הכפתור בכיוון ההפוך אם התמיכה ממוקמת בצד שמאל של ההר.
  2. יישור עדשות
    1. מקם כרטיס ביקור עם רשת מאחורי העדשה כמסך.
    2. הסר את העדשה. הציגו את קרן האירוע ותנו לו לפגוע במסך. סמן את המיקום של נקודת הקורה על המסך בעט.
    3. לחסום את הקורה ולמקם את העדשה. הצג את הקרן ואשר שהוא פוגע בסימון על המסך בדיוק. אם לא, כוונן את המיקומים האנכיים והאופקיים של העדשה.
    4. הכינו כרטיס ביקור עם חור. ניתן לקרן האירוע לעבור דרך החור מול העדשה ולאשר כי השתקפות משתקף של הקרן על ידי העדשה נעה בכיוון בדיוק מול קרן האירוע. אם לא, כוונן את זווית העדשה.
  3. יישור קרן לייזר (איור 1ג)
    1. מניחים כרטיס ביקור מאחורי איריס 2 (i2) כמסך.
    2. תן לקרן לעבור דרך מרכז i1 על ידי התאמת מראה 1 (m1) לפי סעיף 2.1. תן לקרן לעבור דרך מרכז i2 על ידי התאמת m2 לפי סעיף 2.1.
    3. ודא כי הקרן עוברת דרך המרכזים של i1 ו i2 בו זמנית. אם הקרן אינה עוברת דרך מרכז i1, חזור על שלב 2.3.2 עד שהקרן תעבור דרך המרכזים של שתי הקשתיות.
  4. יישור קו השהיה אופטי (איור 1D)
    1. הסר את m3 ו-m4 בשורת ההשהיה האופטית (ODL). מקום i1 במיקום של m3 בגובה מרכז m3.
    2. להעביר את השלב לכיוון m2 ככל שהוא יכול על ידי הצבת לחצן הכיוון של בקר הבמה. תן לקרן לעבור דרך מרכז i1 על ידי התאמת m1 על פי סעיף 2.1.
    3. להזיז את השלב מלבד m2 ככל שזה יכול על ידי הצבת לחצן הכיוון של בקר הבמה. תן לקרן לעבור דרך מרכז i1 על ידי התאמת m2 לפי סעיף 2.1.
    4. הזז את הבמה לעבר קלט הקורה ככל שניתן וודא כי הקרן עובר דרך מרכז i1. אם הקרן אינה עוברת דרך מרכז i1 לאחר שלב 2.4.3, חזור על שלבים 2.4.2 – 2.4.3 עד הקרן עובר דרך מרכז i1 בשני קצוות הבמה.
    5. הסר i1 מהמיקום של m3. מקום m3 ו m4 ב-ODL. תנו לקרן לעבור דרך מרכז i2 על ידי התאמת m3 ו m4 לפי שלבים 2.4.2 – 2.4.4.
    6. לאחר צעדים 2.4.1 – 2.4.5 הם סיימו, תן את הקרן לעבור דרך המרכז של i2 על ידי התאמת m1 ו-m2 על פי שלבים 2.4.2 – 2.4.5.
  5. דור המשכיות אור לבן (איור 1א)
    1. הצב את מסנן הדחיסות הנייטרלית (VND) VND1 בנתיב קרן האירוע. מניחים כרטיס ביקור ~ 200 מ"מ מלבד VND1 כמסך.
    2. להפוך VND1 עד קרן האירוע פוגע במיקום הצפיפות האופטית הגבוהה ביותר של VND1, שם הקרן המועברת יש את הכוח הנמוך ביותר.
    3. מניחים את העדשה (L) L1 (מוקד אורך = 100 מ"מ) מאחורי VND1. מניחים את צלחת הספיר בעובי 3 מ"מ (SP) ~ 105 מ"מ מלבד L1, שם SP ממוקם מעט מאחורי המוקד של הקרן, ומאפשר לקרן לעבור דרך SP ליד הקצה.
    4. הגדר את קוטר I6 להיות ~ 5 מ"מ.
    5. הפעל את VND1 כדי להגדיל בהדרגה את העוצמה של הקרן המועברת עד שנקודה צהובה-לבנה נצפתה על המסך. הפעל VND1 באופן מדוקדק יותר באותו כיוון עד שטבעת סגולה מקיפה את הנקודה הצהובה-לבנה על המסך.
  6. בדיקה של יישור קרן (איור 1א)
    1. התאימו את שני זוגות המראות (M) (M4, M5) ו (M7, M8) לפי סעיף 2.3. כוונן ODL2 לפי סעיף 2.4. התאם M12 ו-M13 לפי סעיף 2.3.
    2. צור רצף אור לבן לפי סעיף 2.5.
    3. הסר את מסנני זכוכית הצבע (F) F1 ו-F2 ואת הקטצר (P) P1.
    4. משקפים את רצף האור הלבן עם המראה הקמור (CM). תן את הקרן משתקף לעבור רק ליד SP.
    5. תן לקרן לפגוע במרכז M15 ו-16 על ידי התאמת M14 ו M15, בהתאמה, לפי סעיף 2.1. הסרת L2, L3 ו-L4. תנו לקרן לפגוע במרכז הכניסה של הספקטרוגרף באמצעות התאמת ה-16.
    6. למדוד את קוטר הקרן אור לבן הרצף ב ס"מ ואת הכניסה באמצעות נייר ברשת. אם הקטרים משתנים באופן משמעותי בין שתי העמדות, מתאימים את מיקום הס"מ במקביל לקרן באמצעות מיקרומטר על לוח הבסיס של ס מ עד שהקטרים הופכים כמעט זהים. התנהלות צעדים 2.6.4 – 2.6.5 לאחר ההתאמה.
    7. מקם את L2, L3 ו-L4 לפי סעיף 2.2 ולאחר מכן הצב F1, F2 ו-P1.
  7. משאבה ראמאן יישור קרן (איור 1א)
    1. מניחים את מסנן הרפלקטיבי של העוצמה-פומפיה (BPF) בנתיב קרן הפלט של מגבר פרמטרי האופטי (OPA) OPA1. כוונן את BPF ו-M17 לפי סעיף 2.3. השתמש בכרטיס חיישן קרוב-IR להתבוננות בנקודת הקורה.
    2. להגדיר את זווית הצלחת חצי גל (hwp) HWP2 ב 45 ° כדי להגדיר את משאבת ראמאן קיטוב לאנכי. הסר את הL5, הL6 והL7.
    3. תנו לקרן לפגוע במרכז M19, M20 וM21 על ידי התאמת M18 נמצא, M19 ו M20, בהתאמה, לפי סעיף 2.1. השתמש בכרטיס חיישן קרוב-IR כדי להתבונן בנקודת הקורה.
    4. Place L5, L6 וL7 לפי סעיף 2.2 באמצעות כרטיס חיישן קרוב-IR כמסך.
  8. התאמת קרן משאבות לאקאיות (איור 1א)
    1. הסר L8 ו-L9. תן את קרן הפלט מ OPA2 לעבור דרך מרכז הקשתית (I) I12 על ידי התאמת M22 לפי סעיף 2.1.
    2. התאם רמינגטון m24 ו-M25 לפי סעיף 2.3. מקום L8 ו L9 לפי סעיף 2.2. כוונן ODL1 לפי סעיף 2.4.
    3. למדוד את קוטר קרן המשאבה אקקומית ב רמינגטון m24 ו M32 באמצעות נייר ברשת. אם הקטרים שונים באופן משמעותי בין שתי התנוחות, התאימו את המיקום של L9 במקביל לקרן באמצעות מיקרומטר על צלחת הבסיס של L9 עד שהקטרים יהפכו כמעט לזהים.
    4. הסר L10 ו-M32. התאם M30 ו-M31 לפי סעיף 2.3.
    5. הצב P2 במיקום של M32. מניחים כרטיס ביקור מאחורי P2 כמסך.
    6. הגדר P2 בזווית המאפשרת את הדופק יהיה מקוטב ב 35.3 ° ביחס לציר האנכי כדי לעבור P2. סובב HWP3 עד שנקודת הקרן על המסך תיעלם לגמרי. בצע פרוטוקול זה כדי לבטל את השפעת האוריינטציה המולקולרית על מדידות שנפתרו בזמן.
    7. הסר P2. Place M32 ושיקוף הקרן לכיוון תא הזרימה (FC). מקום L10 לפי סעיף 2.2.
  9. הפעלת תא זרימה (איור 1E)
    1. הצמד תא זרימה 2 מ"מ קוורץ להר. חבר כל קצה של תא הזרימה לצינור polyfluoroacetate (אורך = ~ 500 מ"מ; קוטר החיצוני = 1/8 אינץ ') עם צינור אלסטומר (אורך = ~ 10 מ"מ).
    2. הכנס את השפופרת מהחלק התחתון של תא הזרימה למאגר המלא בפתרון מדגם. לחבר את הצינור מראש תא הזרימה אל השקע של משאבת הילוך מגנט.
    3. לצרף שפופרת התחתית (אורך = ~ 500 מ"מ; קוטר החיצוני = 1/8 אינץ ') לשקע משאבת הילוך מגנט ולהכניס את הקצה השני אל המאגר.
    4. מניחים את תא הזרימה על המוקד של קרן הגישוש.
    5. . תדליק את משאבת ההילוכים המגנטית כוונן את קצב הזרימה ל ~ 20 mL/min באמצעות בקרת מתח של המשאבה כדי להחליף את המדגם בכרך המואר לפני כל פעימה משאבת אקמית מגיע FC.

3. תפעול תוכנה

  1. כיוונון גלאי
    1. פתח את חלונית הגלאי . לחץ על לחצן אתחול . המתן עד שהמחוון האותחל של הגלאי מואר.
    2. הזן 40 בתיבה זמן חשיפה (ms) .
    3. בחר Iga Lo להרוויח ו IGA 280 kHz מן הרווח a/d ו/d תפריטים נפתחים הקצב , בהתאמה. IGA ו A/D לעמוד InGaAs ואת ממיר אנלוגי לדיגיטלי, בהתאמה.
    4. לחץ על לחצן קבע מתחת הגלאי להגדיר מחוון. ודא שנורית החיווי דולקת.
    5. הגדר את מתג ההדק לחיצוני מהתפריט הנפתח אירוע של הגורם המפעיל . בחר כל – עבור כל Acq ו- TTL הגואה מתוך התפריט הנפתח קצה ההדק . TTL עומד על טרנזיסטור-טרנזיסטור לוגיקה.
    6. לחץ על לחצן set מתחת למחוון ערכת ההדק . ודא שנורית החיווי דולקת.
    7. לחץ על לחצן הקריאה בתחתית החלונית. ודא שהתיבה טמפרטורת הגלאי (K) מציגה ערך מתחת 170 K. אם לא, לחכות עד הטמפרטורה יורדת מתחת 170 K.
  2. התקנת ספקטרוגרף
    1. פתח את החלונית ספקטרוגרפיה . לחץ על לחצן אתחול . המתן עד שנורית החיווי של המחוון ספקטרוגרף מאותחל דולקת.
    2. בחר 1. חריצים 300 g/mm, בלייז אורך הגל 2000 nm מהתפריט הנפתח פומפיה . לחץ על לחצן Set בצד הימני של התפריט הנפתח של הפומפיה .
    3. הזן את אורך הגל המרכזי של הספקטרוגרף בתיבה העבר אל ולחץ על לחצן Go . אורך הגל מרכז ממוקם בדרך כלל בין 1,380 ו 1,430 nm כאשר ספקטרוגרף מכסה את אזור טביעת האצבע של ספקטרום ראמאן מגורה.
    4. הזן רוחב חריץ כניסה בתיבה קבע כניסה ולחץ על לחצן Set בצד הימני של התיבה. רוחב חריץ הכניסה מוגדר בדרך כלל ב 0.3 מ"מ.
  3. בקרת עמדת במה
    1. פתח את חלונית התצוגה המקדימה . הזן ערך של מיקום ODL1 באמצעות מיקרומטר בתיבה מיקום שלב SK (μm) . התיבה מקבלת ערכים מ-0 עד 200,000 (μm). לחץ על לחצן Go בצד הימני של התיבה.
    2. הזן ערך של מיקום ODL2 ב-0.1 יקרומטר בתיבה מיקום שלב הפא (1/10 יקרומטר) . התיבה מקבלת ערכים מ--250,000 עד 250,000 (x 1/10 μm). לחץ על לחצן Go בצד הימני של התיבה.
  4. מדידה בודדת
    1. הזינו את מספר הצטברויות למדידה אחת של ספקטרום בתיבה ' צבירה '. התיבה מקבלת ערכים מ-1 עד 999.
    2. סגור את הכניסה של הספקטרוגרף על-ידי דחיפת פס הסרעפת ימינה עד כמה שהוא יכול לנוע. לחץ על הלחצן ' אחסן ככהה '. פתח את הכניסה של הספקטרוגרף על ידי משיכת פס הסרעפת שמאלה ככל שהוא יכול לנוע.
    3. בדוק את התיבה הממוצעת כדי להציג בתצוגה מקדימה רק תוצאה בממוצע.
    4. בחר באפשרות ' רכוש ספקטרום אור ' ובדוק את הקליטה הארעית מהרשימה הנפתחת ' מצב פעולה ' למדידת עוצמות בדיקה ומדידת גירוי ראמאן או ספקטרום של קליטה ארעית, בהתאמה.
    5. לחץ על לחצן הרכישה .
    6. כדי לחזור על מדידות באופן אוטומטי, בדוק את התיבה הרציפה ולחץ על לחצן הרכישה . בטל את סימון התיבה הרציפה כדי לעצור את המידות הרציפות.
    7. פתח את תיבת הדו של הקובץ על-ידי לחיצה על סמל התיקיה. לחץ פעמיים על תיקיה לשמירת נתונים. הזן שם קובץ עם הסיומת ". txt" ולחץ על OK. לחץ על לחצן שמור .
  5. מדידה שנפתרה הזמן
    1. פתח את חלונית הניסוי . הזן שם בתוך 20 תווים המתארים בקצרה ניסוי (לדוגמה, שמות של דגימות, תנאים) בתיבה שם הניסוי .
    2. פתח את תיבת הדו של הקובץ על-ידי לחיצה על סמל התיקיה. לחץ פעמיים על תיקיה לשמירת נתונים ולחץ על OK.
    3. הזן את מספר סריקות השלב הטרנסלבותית בתיבה מספר הסריקות .
    4. בחר בשלב ההעברה שנסרק בניסוי שבשלב עבור התפריט הנפתח ' סריקה '.
    5. הזן מיקום שלב שבו הסריקה מתחילה ב- From Box של טווח a. היחידה והטווח של הערכים המקובלים תלויים בשלב (ראה סעיף 3.3).
    6. הזן מרווח בין שני מיקומי שלב רצופים בתיבת השלב של טווח A. מרווח של 1 יקרומטר במיקום הבמה מתאים למרווח של 6.7 fs בזמן ההשהיה בין המשאבה אקמית (או ראמאן) לבין פולסים בדיקה.
    7. הזן את מספר מיקומי השלבים בסריקה בתיבת הנקודות של טווח a.
    8. אם נדרש יותר ממרווח זמן אחד בסריקה אחת, בדוק את התיבה טווח b וחזור על שלבים 3.5.5 – 3.5.7 עבור טווח B. ניתן להגדיר שלושה מרווחי זמן באמצעות טווח A, Bו- C.
    9. הפעל את הסריקות על ידי לחיצה על לחצן הפעלה . הניסוי הנורית מחוון הפעלה. המתן עד שנורית החיווי תכבה.

4. אופטימיזציה של ספקטרום הבדיקה

  1. מניחים את הקורה בשבילים של הקרן משאבת אקמית ו ראמאן. הגדר P1 בזווית המאפשרת את הדופק מקוטב אנכית כדי לעבור P1.
  2. הגדר את מספר הצטברויות להיות 10 לפי שלב 3.4.1. אחסן את האות הכהה בהתאם לשלבים 3.4.2. בחר באפשרות ' רכוש ספקטרום אור ' בהתאם לשלב 3.4.4.
  3. הפעל מדידות רציפה לפי שלב 3.4.6 לתצוגה מקדימה של נתונים. למקסם את הגלאי ספירות על התצוגה על ידי סיבוב בהדרגה HWP1.
  4. בהדרגה להגדיל את העוצמה של הדופק האירוע על ידי סיבוב VND1 עד הגלאי מקסימלית ומינימלי ספירות להגיע סביב 30,000 ו 4,000, בהתאמה. אם דפוס נדנוד גדול מתחיל להיות נצפה, לסובב VND1 בכיוון ההפוך עד התבנית נעלמת.
  5. הפסיקו את המדידות הרציפות לפי שלב 3.4.6.

5. מדידת הנייח מגורה ספקטרום ראמאן

  1. חפיפה מרחבית של משאבת ראמאן ופולסים בדיקה
    1. הסר את המזבלה הקורה בנתיב קרן משאבת ראמאן. מניחים את המסוק האופטי (OC) בנתיב קרן המשאבה ראמאן.
    2. הצב כרטיס חיישן קרוב-IR במיקום המדגם. להתאים את כיוון קרן משאבת ראמאן על ידי התאמת M21 לפי סעיף 2.1 עד הנקודות של משאבת ראמאן ו לחקור קורות חופפים זה לזה. הסר את כרטיס החיישן.
  2. חפיפה טמפורלית של משאבת ראמאן ופולסים בדיקה
    1. מקום פוטודיודה ingaas במיקום לדוגמה שבו משאבת ראמאן ו לחקור קורות לחפוף אחד עם השני כתוצאה של סעיף 5.1.
    2. לחבר את פלט האות של פוטודיודה ל 500 MHz, 5 GS/s האולוסקופ דיגיטלי כדי לפקח כאשר משאבת ראמאן ופולסים בדיקה מגיעים לתנוחה לדוגמה.
    3. הגדר את הסולם האופקי של האולוסקופ כ-1 ns/div.
    4. קרא את זמן שיא של עוצמת האות עבור משאבת ראמאן ופולסים בדיקה חסימת הדופק השני.
    5. אם הבדל בזמן השיא נצפה עבור שני פולסים, להתאים את המיקום של ODL2 לפי סעיף 3.3 עד ההפרש הופך קטן מ 200 ps.
  3. התאמת שלב הרוטציה של המסוק האופטי
    1. הוסף 40 מ ל של ציקלוהקאן למאגר. התחילו להזרים ציקלוקסאן. לפי שלב 2.9.5
    2. הגדר את אורך הגל המרכזי של הספקטרוגרף כדי להיות 1,190 ננומטר על פי שלב 3.2.3 להתבונן הפיזור ריילי של הדופק משאבת ראמאן.
    3. הגדר את מספר הצטברויות ל-10 לפי שלב 3.4.1. אחסן את האות הכהה לפי שלב 3.4.2.
    4. בחר באפשרות ' בדוק קליטה ארעית ' בהתאם לשלב 3.4.4.
    5. הפעל מדידות רציפה לפי שלב 3.4.6.
    6. למקסם את משרעת של אות הקליטה חולף לכאורה עם הסימן השלילי על הגל משאבת ראמאן, אשר מקורו הנוכחות והעדר של הדופק מפוזר ראמאן עקב קיצוץ, על ידי התאמת השלב הסיבוב של OC מ-180 °-170 ° בלוח הקדמי של הבקר.
    7. הפסיקו את המדידות הרציפות לפי שלב 3.4.6.
  4. מקסום האות
    1. הגדר את אורך הגל המרכזי של הספקטרוגרף להיות 1,410 ננומטר על פי שלב 3.2.3 עבור התבוננות מגורה ספקטרום ראמאן.
    2. הפעל מדידות רציפה לפי שלב 3.4.6 ובדוק אם גירוי להקות ראמאן של ציקלוהקאן נצפו בתצוגה. הלהקה החזקה ביותר של ציקלוקסטן מופיעה ב-55-58 הפיקסלים כאשר אורך הגל המרכזי מוגדר ב-1,410 ננומטר.
    3. אם להקות ראמאן מגורה לא נצפתה, לנסות לשנות את המיקום של ODL2 על ידי ± 15,000 יקרומטר ב 150 יקרומטר מרווחי זמן לפי סעיף 3.3 ולראות אם להקות ראמאן מגורה נצפו.
    4. אם להקות ראמאן מגורה לא נצפתה לאחר שלב 5.4.3 מתנהל, נסה שוב שלב 5.1.2 כדי להשיג את החפיפה המרחבית בין משאבת ראמאן לבין קורות לבדוק את שלב 5.4.2 שוב.
    5. לאחר להקות ראמאן מגורה מזוהים, למקסם את עוצמות הלהקה בתצוגה על ידי תכווננת M21, השלב הסיבוב של OC, ואת המיקום של ODL2.
    6. הפסיקו את המדידות הרציפות לפי שלב 3.4.6.
  5. דידה
    1. הגדר את מספר הצטברויות להיות 500 בהתאם לשלב 3.4.1. אחסן את האות הכהה לפי שלב 3.4.2.
    2. הפעל מדידה אחת בהתאם לשלב 3.4.5. שמרו את הספקטרום בהתאם לשלב 3.4.7. חזור על המדידה לפחות 4x.
    3. הסירו את צינור האוויר האווירי ממאגר המים והמתינו עד להפסקת הזרם. מזער את המתח של משאבת ההילוך המגנטי.
    4. להחליף את התוכן של המאגר עם אחד מלא 100 mL של אצטון טרי.
    5. הגדר את הצינורות השקע והעודפים לתוך המאגר והבקבוקון הריק, בהתאמה. הפעל את משאבת ההילוך המגנטי על פי צעד 2.9.5 ולתת טולואן לזרום דרך FC.
    6. המתן עד שזרימת האוויר תיפסק. מזער את המתח של משאבת ההילוך המגנטי.
    7. חזור על שלבים 5.5.4 – 5.5.6 לפחות 2x.
    8. הוסף 40 מ ל של אצטון למאגר. התחילו לזרום אצטון. לפי שלב 2.9.5
    9. הקלט הספקטרום ראמאן של אצטון לפי שלב 5.5.2.
    10. הסירו את האצטון מהfc לפי שלב 5.5.3.
    11. חזור על שלבים 5.5.4 – 5.5.10 באמצעות טולואן במקום אצטון.

6. מדידת ספקטרום ספיגת הזמן שנפתר

  1. רוקן את המאגר ולהוסיף 25 מ ל של הפתרון טולואן של β-קרוטן עם ריכוז של 1 x 10-4 מול מיט-3. התחל להזרים את הפתרון לדוגמה בהתאם לשלב 2.9.5.
  2. הציבו את אלוף הבמה. בנתיב קרן המשאבה האקאית
  3. הזיזו את מזבלה הקורה מהנתיב של קרן המשאבה האקאית לזאת של קרן המשאבה ראמאן.
  4. Spatially חופפים את המשאבה אקמית וקרני בדיקה בעמדה לדוגמה לפי שלב 5.1.2 באמצעות כרטיס ביקור במקום כרטיס החיישן הקרוב-IR.
  5. באופן זמני חופפים את שתי הקורות בתנוחה לדוגמה לפי סעיף 5.2 באמצעות פוטודיודה Si-pin במקום פוטודיודה ingaas PIN.
  6. הגדר את מספר הצטברויות להיות 10 לפי שלב 3.4.1. אחסן את האות הכהה לפי שלב 3.4.2.
  7. בחר באפשרות ' בדוק קליטה ארעית ' בהתאם לשלב 3.4.4.
  8. הפעל מדידות רציפה לפי שלב 3.4.6 ובדוק אם הספיגה הארעית של β-קרוטן נצפתה בצג. להקת הקליטה מופיעה עם צורה היורדת ונוטוני לעבר אורכי גל ארוכים יותר (המדינה השנייה הנרגשת ביותר בגיל השני, S2) או עם שניים מקסימה בסביבות ה-0th ו 511th הפיקסלים (המדינה הנלהבת הנמוכה ביותר, S1).
  9. אם הספיגה ארעית לא נצפתה, לנסות לשנות את המיקום של ODL1 על ידי ± 15,000 יקרומטר ב 150 יקרומטר מרווחי זמן לפי סעיף 3.3.
  10. אם הלהקה קליטה לא נצפתה לאחר שלב 6.9 מתנהל, נסה שוב שלב 6.4 להשיג את החפיפה המרחבית בין המשאבה אקמית לבין קרני הבדיקה.
  11. למקסם את עוצמת הספיגה על ידי תכווננת M32 לאחר להקת הקליטה הארעית מזוהה.
  12. הפסיקו את המדידות הרציפות לפי שלב 3.4.6.
  13. הנמך את מיקומו של ODL1 לפי סעיף 3.3 עד שהספיגה הארעית תיעלם לגמרי.

7. מדידה של זמן נפתר מגורה ספקטרום ראמאן

  1. מניחים את OC בנתיב קרן משאבת ראמאן. הסר את dump הקרן מהנתיב משאבת ראמאן.
  2. הגדר את מספר הצטברויות ל-200 בהתאם לשלב 3.4.1. אחסן את האות הכהה לפי שלב 3.4.2.
  3. הפעל ניסוי שנפתר בזמן לפי סעיף 3.5. בשלב 3.5.4, בחר בשלב SK. הגדר את ערך ההתחלה של טווח A כדי להיות קטן יותר על-ידי סביב 50 יקרומטר מאשר המיקום שבו אות הקליטה הארעית נעלם בשלב 6.13.

8. ראמאן משמרת כיול

  1. חשב את הממוצע של ארבעה ספקטרום ראמאן מגורה עבור ציקלוהקאן, אצטון, ו טולואן הקליט בסעיף 5 באמצעות תוכנת ניתוח נתונים על פי בחירתך.
  2. העלילה הממוצע מגורה ספקטרום ראמאן של ממיסים נגד מספר הפיקסל של גלאי מערך InGaAs.
  3. העריכו את מיקומי השיא של להקות ראמאן גירוי של ממיסים על ידי לפחות ריבועים ניתוח התאמה עם פונקציות Lorentzian. אם הפונקציה Lorentzian אינה זמינה, השתמש בפונקציה פולינומיאלית.
  4. מתווה את השיא של להקות ראמאן של ממיסים בספר התייחסות (למשל, האמגוצ'י ו Iwata34) נגד עמדות שיא מוערך במספר הפיקסל.
  5. השג פונקציית כיול בין משמרת ראמאן לבין מספר הפיקסל באמצעות ניתוח ההתאמה של הריבועים הפחותים עם פונקציה פולינומיאלית מדרגה שנייה או שלישית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הזמן השני נפתר-בסמוך-IR גירוי ספקטרוסקופית ראמאן הוחל על β-קרוטן בפתרון טולואן. ריכוז המדגם היה 1 x 10-4 מול מיט-3. המדגם היה פוטונרגש על ידי דופק המשאבה אקקמית ב 480 ננומטר עם אנרגיית הדופק של 1 μJ. זמן נפתר מגורה ספקטרום ראמאן של β-קרוטן ב טולואן מוצגים באיור 2א. ספקטרום raw הכיל להקות ראמאן חזק של הממס טולואן ואת הלהקה ראמאן חלשה של β-קרוטן במדינה הקרקע, כמו גם להקות ראמאן של פוטונרגש β-קרוטן. הם הושלו באמצעות מגורה ספקטרום ראמאן של אותו פתרון ב 1 ps לפני פוטועירור. הספקטרום לאחר החיסור (איור 2ב) הראה בסיסיות מעוותות הנגרמות על ידי קליטת פוטוβ-קרוטן ו/או תהליכים אופטיים אחרים לא ליניאריים. התוכניות הבסיסיות הפכו שטוחות לאחר שהן תוקנו בפונקציות פולינומיאלית (איור 2ג).

הזמן נפתר מגורה ספקטרום ראמאן של β-קרוטן הראה שתי להקות חזקות ב 1400 – 1800 ס"מ-1 אזור (איור 2ג). להקת ראמאן מגורה ביותר ב -0 ps הוקצתה לרטט בשלב C = C מתיחה של S2 β-קרוטן. מיקומו השיאו הוערך כ1,556 ס"מ-1. הלהקה בשלב C = C למתוח מתיחה של S1 β-קרוטן הופיע כלהקה למתוח s2 c = c מתיחה. מיקום שיא של הלהקה מתיחה S1 c = C הוזזז על ידי 8 ס"מ-1 מ 0.12 אל 5 ps (איור 2ד). קבוע הזמן של השינוי המשוער הוא 0.9 ps. הupshift מקורו של ויברtional האנרגיה הפצה ב S1 β-קרוטן2,3.

Figure 1
איור 1: דיאגרמות מכשירים. (א) דיאגרמת הבלוק של הפעם השנייה שנפתרה בסמוך-IR מעוררת ספקטרומטר ראמאן. Ti: S = מצב-נעול Ti: מערכת לייזר ספיר; BS = Beamsplitter; OPA = מגבר פרמטרי אופטי; אבו = β-בריום קריסטל; OC = מסוק אופטי; ODL = שורת השהיה אופטית; BPF = המסנן הרפלקטיבי של פומפיה; SP = לוחית ספיר; FC = תא זרימה; M = ראי; CM = מראה קמור; L = עדשה; אני = איריס; P = מקטפולזר; HWP = צלחת חצי-גל; F = מסנן זכוכית צבעונית; VND = מסנן דחיסות אופטית משתנה. הדמות מותאמת מטקאיה11 באישור חברות הבעלים של pccp ס. (ב) ארבע תצורות של הר מראה. V, H ו-S מייצגים את כפתור הכוונון האנכי, כפתור הכוונון האופקי והתמיכה, בהתאמה. ראה סעיף 2.1 לקבלת פרטים. (ג) תרשים סכימטי של יישור קרן לייזר. m = ראי; i = איריס. ראה סעיף 2.3 לקבלת פרטים. (ד) תרשים סכמטי של יישור קו השהיה אופטי. m = ראי; i = איריס. ראה סעיף 2.4 לקבלת פרטים. (E) מבנה של תא זרימה. ראה סעיף 2.9 לקבלת פרטים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: הפעם השנייה שנפתרה בסמוך-IR מעוררת ראמאן ספקטרום. (A) הזמן השנינפתר-בסמוך-IR מגורה ספקטרום ראמאן של β-קרוטן ב טולואן עם אורך הגל של המשאבה אקמית ב 480 ננומטר. להקות ראמאן של טולואן ו-β-קרוטן במדינת הקרקע מסומנים במעגלים ובמשולש, בהתאמה. (ב) פטושני הזמן הנפתר ליד IR גירוי ספקטרום ראמאן של β-קרוטן ב טולואן לאחר להקות ראמאן של טולואן ו β-קרוטן במצב הקרקע מופחתים. התוכניות הבסיסיות של הספקטרום הותאמו עם פונקציות פולינומיאלית (עקבות שבורים). (ג) פמטושני הזמן הנפתר ליד IR מגורה ספקטרום ראמאן של β-קרוטן ב טולואן לאחר תיקון בסיסי. (ד) מיקומי השיא של הלהקה בשלב C = c מתיחה במצב S1 המותוות נגד השהיית הזמן. הלהקות המתתחות C = C הותאמו לפונקציה גאוסיאנית להערכת עמדות השיא שלהן. העקומה המתאימה ביותר עבור המשמרת של S1 c = c פס מתיחה (מעקב מלא) הושג על ידי ניתוח התאמה לפחות ריבועים עם פונקציה מעריכית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

גורמים מכריעים בפעם השנייה ביותר, הנפתרות באמצעות מולטיקיר, מגירוי מדידה ראמאן
כדי להשיג זמן שנפתר ליד IR מגורה ספקטרום ראמאן עם יחס אות לרעש גבוה, ספקטרום הבדיקה צריך באופן אידיאלי יש עוצמה אחידה בטווח אורך הגל כולו. הדור הלבן אור הרצף (סעיף 2.5) הוא, לפיכך, אחד החלקים הקריטיים ביותר של הזמן שנפתר ליד IR מגורה ניסויים ראמאן. באופן כללי, ספקטרום הבדיקה הופך רחב ושטוח ככל שעוצמת קרן האירוע עולה. עוצמה קרן גבוהה, עם זאת, מייצרת בקלות אפקטים אופטיים לא ליניאריים לא רצויות מלבד הדור הלבן הרצף האור. במקרה הגרוע ביותר, ההשפעות לא ליניאריות לספק את ספקטרום החללית עם תנודות בעוצמה גדולה דפוס מנדנוד המוריד באופן משמעותי את היחס אות לרעש של מגורה ספקטרה ראמאן. איור 2C מראה כיצד התבנית הנדנוד משפיעה על הספקטרום. הוא מציג דפוסים מנדנוד מ-0.30 עד 4 ps, אך הדפוסים מופיעים רק בחולשה, עם משרעת שיא לשיא של 1 x 10-4, כאשר הדור הלבן ממוטב בקפידה. עוד השפעה בלתי רצויה על הספקטרום בדיקה יכול להינתן על ידי אדי מים באוויר2,11. ניתן להימנע מהשפעת אדי המים אם חלק מהספקטרומטר, לרבות האופטיקה הלבנה לייצור האור, המדגם והספקטרוגרף, ממוקם בתא מלא בחנקן יבש.

דיוק של כיול משמרת ראמאן
כפי שמתואר בסעיף 8, אנו מכייל את ציר משמרת ראמאן על ידי ניתוח התאמה לפחות ריבועים של מיקומי שיא של להקות ממיסים ב ראמאן משמרת נגד אלה במספר הפיקסל של הגלאי עם פונקציה פולינומיאלית. אנו סבורים כי פרוטוקול זה פועל היטב כל עוד אורך הגל של משאבת ראמאן לא ניתן לקבוע עם דיוק גבוה. זה המקרה עבור ספקטרומטר שלנו כי כל פיקסל של הגלאי שלנו מכסה גדול כמו 3.5 ס"מ-1 סביב מספר גל של הדופק משאבת ראמאן. עם זאת, ממיסים חייב להיבחר כך כל הארעי מגורה להקות ראמאן של המדגם מופיעים בין הגבוהים והנמוכים ביותר של להקות ממיסים (סעיף 8). עקומת כיול ראמאן מאבד את הדיוק שלה מעבר לטווח של להקות ממיסים. באיור 2, הלהקה ראמאן של S1 β-קרוטן ב toluene, ב 1,785 ס"מ-1, מופיע מעבר למספר גל הגבוה ביותר של להקות ממיסים, 1,710 ס"מ-1. יש לנו אישר כי מיקום הפסגה מסכימים היטב עם זה בנזן נקבע על ידי פורק בזמן נפתר הספונטני ראמאן35,36.

יעילות ופרספקטיבה של הפעם השנייה שפתרתי מולטיפלקס ליד-IR גירוי ספקטרומטר ראמאן
זה כבר הוכיח כי בפעם השנייה מפוענח באמצעות מולטיר בסמוך-IR ספקטרומטר ראמאן יכול להתבונן מגורה ספקטרום ראמאן, אשר מספק מידע כמעט שווה לספקטרום ראמאן ספונטנית של מינים קצרי חיים עם קרוב-IR מעברים. הבדלים קטנים במיקום שיא של הלהקה ניתן לזהות עם ספקטרומטר בגלל רגישות גבוהה מספיק שלה. הספקטרומטר יחולו על מגוון רחב של מערכות π-המשלים ממולקולות ארומטיות פשוטות לפולימרים מוליכי אור. הקולנוע הנייח הקרוב-IR מגורה ספקטרוסקופיית ראמאן הוא גם כלי רב עוצמה להתבוננות בתנודות מולקולריות ללא הפרעות באמצעות המדגם, משום שהאנרגיה של הפוטונים בקרבת IR היא בדרך כלל נמוכה יותר מאשר האלקטרוניקה אנרגיית המעבר של מולקולות מן המדינה הנרגשת ביותר בארה ב למדינה הקרקע. הספקטרומטר יהיה ישים בהתבוננות vivo בדינמיקה המבנית במערכות ביולוגיות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת על ידי JSPS KAKENHI גרנט מספרים JP24750023, JP24350012, MEXT KAKENHI גרנט מספרים JP26104534, JP16H00850, JP26102541, JP16H00782, ו MEXT-תמיכה בתוכנית הקרן למחקר אסטרטגי באוניברסיטאות פרטיות, 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

כימיה סוגיה 156 ספקטרוסקופיית לייזר ליד אינפרא-אדום מגורה פיזור ראמאן שנייה משאבת-בדיקה טכניקה π-המשלים קרוטנואידים האנרגיה מפצה מקרוב
Ultrafast זמן-נפתר ליד IR גירוי מדידות ראמאן של פונקציונלי π-המשלים מערכות
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