Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Ultrahızlı Zaman Çözümlü Yakın-IR Uyarılmış Raman Fonksiyonel π-konjuge Sistemlerinin Ölçümleri

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

Sinyal oluşturma ve optimizasyon, ölçüm, veri toplama ve femtosecond zaman çözümlü yakın-IR uyarılmış Raman spektrometresi için veri işleme ayrıntıları açıklanmıştır. Yakın kızılötesi uyarılmış Raman çalışma toluen β-karoten heyecanlı durum dinamikleri üzerinde temsili bir uygulama olarak gösterilmiştir.

Abstract

Femtosecond zaman çözülmüş uyarılmış Raman spektroskopisi yakın kızılötesi (yakın IR) geçişleri ile kısa ömürlü geçici yapısal dinamikleri gözlemleyerek umut verici bir yöntemdir, çünkü yakın IR bölgesinde spontan Raman spektrometrelerin düşük hassasiyetini aşabilir. Burada, son zamanlarda geliştirdiğimiz bir femtosecond zaman çözümlü yakın-IR multipleks uyarılmış Raman spektrometre teknik detayları açıklar. Kaydedilen verilerin sinyal üretimi ve optimizasyonu, ölçümü, veri toplama ve kalibrasyonu ve düzeltilmesi ile ilgili bir açıklama da sağlanır. Tolüen çözeltisinde β-karotenin heyecanlı durum dinamiklerini analiz etmek için spektrometremizin bir uygulamasını savuruyoruz. İkinci en düşük heyecanlı singlet (S2)durumunda ki β-karotenin C=C streç bandı ve kaydedilen zaman çözümlü raman spektrumlarında en düşük heyecanlı singlet (S1)durumu açıkça görülmektedir. Femtosecond zaman çözümlü yakın IR uyarılmış Raman spektrometresi basit moleküllerden karmaşık malzemelere π-conjugate sistemlerinin yapısal dinamikleri için geçerlidir.

Introduction

Raman spektroskopisi, basit gazlardan, sıvılardan ve katılardan fonksiyonel malzemelere ve biyolojik sistemlere kadar çok çeşitli numunelerde moleküllerin yapılarını araştırmak için güçlü ve çok yönlü bir araçtır. Raman saçılımı, uyarma ışığının foton enerjisi bir molekülün elektronik geçiş enerjisiile çakıştığında önemli ölçüde artar. Rezonans Raman etkisi, bir türün Raman spektrumunun birçok molekülden oluşan bir örnekte seçici olarak gözlemlemesini sağlar. Yakın-IR elektronik geçişler büyük π-konjuge yapıları ile moleküllerin heyecanlı devlet dinamikleri araştırmak için bir sonda olarak çok dikkat çekiyor. Enerji ve en düşük heyecanlı singlet devlet ömrü uzun bir tek boyutlu poliene zinciri1,2,3olan birkaç karotenoidler için tespit edilmiştir. Nötr ve yüklü uyarma dinamikleri yoğun filmler4,5,6,7, nano tanecikleri8çeşitli fotoiletken polimerler için araştırılmıştır , ve çözümler9,10,11. Bu sistemlere zaman-IR Raman spektroskopisi uygulandığı takdirde geçici yapıların detaylı bilgileri elde edilebilir. Sadece birkaç çalışma, ancak, zaman çözülmüş yakın-IR Raman spektroskopi bildirilmiştir12,13,14,15,16, yakın-IR Raman spektrometreduyarlılığı son derece düşük olduğu için. Düşük duyarlılık esas olarak neredeyse IR Raman saçılma olasılığının düşük olma olasılığından kaynaklanır. Spontan Raman saçılma olasılığı ωiωs3ile orantılıdır, ωi ve ωs sırasıyla uyarma ışığının frekansları ve Raman saçılma ışığıdır. Buna ek olarak, ticari olarak mevcut yakın IR dedektörleri UV ve görünür bölgelerde çalışan CCD dedektörleri çok daha düşük hassasiyete sahip.

Femtosecond zamanlı uyarılmış Raman spektroskopisi bir lazer darbe belirgin Fourier-transform sınırı 17 ötesinde Raman aktif titreşim bantları zamana bağlı değişiklikleri gözlemlemek için yeni bir yöntem olarak ortaya çıkmıştır17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33. Uyarılmış Raman saçılma iki lazer darbeleri ışınlama tarafından oluşturulur: Raman pompa ve sonda darbeleri. Burada Raman pompa darbesinin sonda darbesinden daha büyük bir frekansa sahip olduğu varsayılır. Raman pompası ve sonda darbeleri frekansları arasındaki fark Raman aktif moleküler titreşim frekansı ile çakıştığında, titreşim tutarlı ışınlanmış hacim moleküllerin çok sayıda için heyecanlı. Tutarlı moleküler titreşimin neden olduğu doğrusal olmayan polarizasyon, sonda darbesinin elektrik alanını geliştirir. Uyarılmış Raman saçılma zaman çözülmüş yakın IR spontan Raman spontan spontan duyarlılık sorunu çözebilir çünkü bu teknik, özellikle yakın IR Raman spektroskopisi için güçlüdür. Uyarılmış Raman saçılımı, sonda darbesinin yoğunluk değişiklikleri olarak algılanır. Yakın bir IR dedektörü düşük hassasiyete sahip olsa bile, sonda yoğunluğu yeterince arttığında uyarılmış Raman saçılma tespit edilecektir. Uyarılmış Raman saçılma olasılığı ωRPωSRSile orantılıdır , ωRP ve ωSRS Raman pompa darbesi nin frekansları ve uyarılmış Raman saçılma, sırasıyla20. Uyarılmış Raman saçılımı, ωRP ve ωSRSiçin frekanslar sırasıyla ωi ve ω spontan Raman saçılımı için ωs'e eşdeğerdir. Biz son zamanlarda π-conjugate sistemleri2,3,7,10fotojenler fotojen yapıları ve dinamikleri araştırmak için uyarılmış Raman saçılma kullanarak bir femtosecond zaman çözülmüş yakın IR Raman spektrometre geliştirdik. Bu makalede, bizim femtosecond zaman çözülmüş yakın-IR multipleks Raman spektrometre uyarılmış teknik detayları sıyoruz. Optik hizalama, zaman çözülmüş uyarılmış Raman spektrumlarının edinimi ve kayıtlı spektrumların kalibrasyonu ve düzeltilmesi tanımlanmıştır. Toluen çözeltisinde β-karotenin heyecanlı durum dinamiği spektrometrenin temsili bir uygulaması olarak incelenir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Elektrikli cihazların başlatılması

  1. Femtosecond Ti:safir lazer sistemini kullanım kılavuzuna göre açın. Lazer sisteminin ısınması için 2 saat bekleyin.
  2. Sistem ısınırken optik helikopterin güç anahtarlarını, çeviri sahne denetleyicilerini, spektrografı, InGAAs dizi dedektörünü ve bilgisayarı açın. Dedektördeki Dewar'ı sıvı nitrojenle doldurun.

2. Spektrometrenin optik hizalaması

  1. Ayna ayarı (Şekil 1B)
    1. Ayna montaj üzerinde destek konumunu kontrol edin.
    2. Destek dağın alt kısmında bulunuyorsa, yansıyan lazer ışınının sırasıyla dikey yönde aşağı ve yukarı seyahat etmesini sağlamak için dağın üst düğümünü saat yönünde ve saat yönünün tersine çevirin. Destek dağın üst kısmında yer alıyorsa, düğümü ters yöne çevirin.
    3. Destek dağın sağ tarafında bulunuyorsa, yansıyan lazer ışınının yatay yönde sağa ve sola hareket etmesini sağlamak için dağın sol tarafındaki kalayı saat yönünde ve saat yönünün tersine çevirin. Destek dağın sol tarafında bulunuyorsa, düğümü ters yöne çevirin.
  2. Lens hizalaması
    1. Ekran olarak lensin arkasına ızgara içeren bir kartvizit yerleştirin.
    2. Lensi çıkarın. Olay ışını tanıtın ve ekrana çarpmasına izin verin. Bir kalem ile ekranda Kiriş noktakonumunu işaretleyin.
    3. Kirişi engelleyin ve merceği yerleştirin. Işını tanıtın ve ekrandaki işarete tam olarak vurduğunu doğrulayın. Yoksa, lensin dikey ve yatay konumlarını ayarlayın.
    4. Delikli bir kartvizit hazırlayın. Olay ışınının lensin önündeki delikten geçmesine izin verin ve merceğin aynasal yansımasının olay ışınının tam tersi yönde ilerlediğini doğrulayın. Yoksa, lensin açısını ayarlayın.
  3. Lazer ışını hizalaması (Şekil 1C)
    1. Ekran olarak iris 2 'nin (i2) arkasına bir kartvizit yerleştirin.
    2. Bölüm 2.1'e göre ayna 1 (m1) ayarlayarak ışının i1'in merkezinden geçmesine izin verin. Bölüm 2.1'e göre m2 ayarlayarak ışının i2'nin merkezinden geçmesine izin verin.
    3. Işın i1 ve i2 merkezlerinden aynı anda geçtiğini doğrulayın. Işın i1'in merkezinden geçmezse, ışın her iki irises'in merkezlerinden geçene kadar 2.3.2 adımını tekrarlayın.
  4. Optik gecikme hattı hizalaması (Şekil 1D)
    1. Optik gecikme hattındaki (ODL) m3 ve m4'ü çıkarın. i1'i m3'ün merkezinde m3 pozisyonuna yerleştirin.
    2. Sahne denetleyicisinin yön düğmesini yerleştirerek sahneyi mümkün olduğunca m2'ye doğru hareket ettirin. Bölüm 2.1'e göre m1 ayarlayarak ışının i1'in merkezinden geçmesine izin verin.
    3. Sahne denetleyicisinin yön düğmesini yerleştirerek sahneyi m2'den olabildiğince uzağa taşıyın. Bölüm 2.1'e göre m2 ayarlayarak ışının i1'in merkezinden geçmesine izin verin.
    4. Sahneyi ışın girişine mümkün olduğunca doğru hareket ettirin ve ışının i1'in merkezinden geçtiğini doğrulayın. Eğer ışın adım 2.4.3'ten sonra i1'in merkezinden geçmezse, 2.4.2-2.4.3 adımlarını aşamanın her iki ucundaki i1'in merkezinden geçene kadar tekrarlayın.
    5. i1'i m3 konumundan çıkarın. ODL üzerine m3 ve m4 yerleştirin. 2.4.2-2.4.4 adımlarına göre m3 ve m4 ayarlayarak I2'nin merkezinden ışın geçsin.
    6. 2.4.1-2.4.5 adımları tamamlandıktan sonra, 2.4.2-2.4.5 adımlarına göre m1 ve m2 ayarlayarak ışının i2'nin merkezinden geçmesine izin verin.
  5. Beyaz ışık sürekliliği üretimi (Şekil 1A)
    1. Değişken nötr yoğunluk filtresi (VND) VND1'i olay ışını yoluna yerleştirin. Ekran olarak VND1 dışında ~ 200 mm bir kartvizit yerleştirin.
    2. Olay ışını VND1'in en yüksek optik yoğunluklu konumuna gelene kadar VND1'i çevirin ve iletilen ışın en düşük güce sahip.
    3. Lensi (L) L1 (odak uzaklığı = 100 mm) VND1'in arkasına yerleştirin. 3 mm kalınlığındaki safir plakayı (SP) ~105 mm'yi L1'in dışında yerleştirin ve SP'nin kirişin odağının biraz gerisinde yer aldığı ve kirişin SP'den kenara yakın bir noktadan geçmesine izin ver.
    4. I6'nın çapını ~5 mm olarak ayarlayın.
    5. Ekranda sarı-beyaz bir nokta gözlemlenene kadar iletilen ışının gücünü kademeli olarak artırmak için VND1'i açın. VND1'i aynı yönde çok dikkatli bir şekilde çevirin ta ki ekrandaki sarı-beyaz noktayı mor bir halka çevreleyene kadar.
  6. Prob Demeti hizalaması (Şekil 1A)
    1. İki çift aynayı (M4), M5) ve (M7, M8) bölüm 2.3'e göre ayarlayın. Bölüm 2.4'e göre ODL2'yi ayarlayın. Bölüm 2.3'e göre M12 ve M13'u ayarlayın.
    2. Bölüm 2.5'e göre beyaz ışık sürekliliği oluşturun.
    3. Renkli cam filtreleri (F) F1 ve F2 ile polarize (P) P1'i çıkarın.
    4. Beyaz ışık sürekliliği içbükey ayna (CM) ile yansıtın. Yansıyan ışın SP'nin hemen yanından geçsin.
    5. Bölüm 2.1'e göre, Kirişin m14 ve M15'i sırasıyla ayarlayarak M15 ve M16'nın merkezine çarpmasına izin verin. L2, L3 ve L4'u çıkarın. M16'yı ayarlayarak Kirişin spektrografın giriş yarığının ortasına çarpmasına izin verin.
    6. CM'deki beyaz ışık sürekliışın çapını ve giriş yarığı nın çapını ızgara kağıdı kullanarak ölçün. Eğer çaplar iki konum arasında önemli ölçüde değişmişse, çaplar hemen hemen aynı olana kadar CM'nin taban plakası üzerindeki bir mikrometre yi kullanarak CM'nin Kiriş ile paralel konumunu ayarlayın. Ayarlamadan sonra 2.6.4-2.6.5 adımlarını gerçekleştirin.
    7. Bölüm 2.2'ye göre L2, L3 ve L4'u yerleştirin ve ardından F1, F2 ve P1'i yerleştirin.
  7. Raman pompa demeti hizalaması (Şekil 1A)
    1. Hacim ızgara yansıtıcı bandpass filtresini (BPF) optik parametrik amplifikatörün (OPA) OPA1 çıkış ışını yoluna yerleştirin. Bölüm 2.3'e göre BPF ve M17'yi ayarlayın. Işın noktasını gözlemlemek için neredeyse IR sensör kartı kullanın.
    2. Raman pompa polarizasyonunu dikey etabı ayarlamak için yarım dalga plakasının (HWP) HWP2 açısını 45° olarak ayarlayın. L5, L6 ve L7'yi çıkarın.
    3. Bölüm 2.1'e göre, Kirişin m19, M20 ve M21'in merkezine, sırasıyla M18, M19 ve M20'yi ayarlayarak vurmasına izin verin. Işın noktasını gözlemlemek için neredeyse IR sensör kartı kullanın.
    4. Ekran olarak neredeyse IR sensör kartı kullanarak Bölüm 2.2'ye göre L5, L6 ve L7'yi yerleştirin.
  8. Aktinik pompa demeti hizalaması (Şekil 1A)
    1. L8 ve L9'u çıkarın. Bölüm 2.1'e göre M22'yi ayarlayarak OPA2'den çıkan çıkış ışınının iris (I) I12'nin merkezinden geçmesine izin verin.
    2. Bölüm 2.3'e göre M24 ve M25'i ayarlayın. Bölüm 2.2'ye göre L8 ve L9'u yerleştirin. Bölüm 2.4'e göre ODL1'i ayarlayın.
    3. Izgara kağıdı kullanarak M24 ve M32'deki aktinik pompa ışınının çapını ölçün. Çaplar iki konum arasında önemli ölçüde farklıysa, l9 taban plakası üzerindeki bir mikrometreyi kullanarak, l9'un kiriş ile paralel konumunu, çapları hemen hemen aynı hale gelene kadar ayarlayın.
    4. L10 ve M32'yi çıkarın. M30 ve M31'i bölüm 2.3'e göre ayarlayın.
    5. P2'yi M32 konumuna yerleştirin. Ekran olarak P2'nin arkasına bir kartvizit yerleştirin.
    6. P2'yi, p2'den geçmek için dikey eksene göre darbenin 35,3° polarize olmasını sağlayan açıya ayarlayın. Ekrandaki ışın noktası tamamen kaybolana kadar HWP3'u döndürün. Moleküler yeniden yönlendirmenin zaman içinde çözümlenmiş ölçümler üzerindeki etkisini ortadan kaldırmak için bu protokolü uygulayın.
    7. P2'yi çıkarın. M32'yi yerleştirin ve ışını akış hücresine (FC) doğru yansıtın. Bölüm 2.2'ye göre L10'u yerleştirin.
  9. Akış hücresi başlatma (Şekil 1E)
    1. Montaja 2 mm'lik kuvars akış hücresi takın. Akış hücresinin her iki ucunu bir polifloroasetat (PFA) tüpüne (uzunluk = ~500 mm; dış çap = 1/8 inç) bir elastomer tüple (uzunluk = ~10 mm) bağlayın.
    2. Tüpü akış hücresinin altından örnek bir çözümle dolu bir rezervuara yerleştirin. Tüpü akış hücresinin üst kısmından mıknatıs dişli pompasının girişine takın.
    3. Mıknatıs dişli pompasının çıkışına bir PFA tüpü (uzunluk = ~500 mm; dış çap = 1/8 inç) takın ve diğer ucunu rezervuara takın.
    4. Akış hücresini sonda ışınının odağına yerleştirin.
    5. Manyetik dişli pompasını açın. Her aktinik pompa darbesi FC'ye ulaşmadan önce ışıklı hacimdeki numuneyi değiştirmek için pompanın voltaj kontrolünü kullanarak akış hızını ~20 mL/dk olarak ayarlayın.

3. Yazılım işletimi

  1. Dedektör kurulumu
    1. Dedektör bölmesini açın. Initialize düğmesini tıklatın. Dedektör Başlatma göstergesi yanana kadar bekleyin.
    2. Pozlama Süresi (ms) kutusuna 40 girin.
    3. Sırasıyla A/D kazanç ve A/D oranı açılır menülerden IGA Lo Gain ve IGA 280 kHz'i seçin. IGA ve A/D, sırasıyla InGAA'lar ve analogdan dijitale dönüştürücü için dir.
    4. Dedektör Kurulumu göstergesinin altındaki Ayarla düğmesini tıklatın. Gösterge ışığının açık olduğunu doğrulayın.
    5. Tetikleyici Olay açılır menüsünden Tetikleyici anahtarını Harici olarak ayarlayın. Trigger Edge açılır menüsünden Her Acq ve TTL Rising Edge için Her Birini seçin. TTL transistör-transistör mantığı anlamına gelir.
    6. Tetikkümesi göstergesinin altındaki Ayarla düğmesini tıklatın. Gösterge ışığının açık olduğunu doğrulayın.
    7. Bölmenin altındaki Oku düğmesini tıklatın. Dedektör Sıcaklığı (K) kutusunun 170 K'nin altında bir değer görüntülediğini doğrulayın. Değilse, sıcaklık 170 K'nın altına inene kadar bekleyin.
  2. Spektrograf kurulumu
    1. Spektrograf bölmesini açın. Initialize düğmesini tıklatın. Spektrograf Initialized gösterge ışığı yanana kadar bekleyin.
    2. 1'i seçin. Oluklar 300 g/mm, Blaze Wavelength 2000 nm ızgara açılır menüden. Grating açılır menüsünün sağ tarafındaki Ayarla düğmesini tıklatın.
    3. Taşı kutusuna spektrografın orta dalga boyunu girin ve Git düğmesini tıklatın. Merkez dalga boyu genellikle 1.380 ve 1.430 nm arasında spektrograf uyarılmış Raman spektrumunun parmak izi bölgesini kapladığında yer alır.
    4. Giriş Kutusu'na giriş yarık genişliğini girin ve kutunun sağ tarafındaki Set düğmesini tıklatın. Giriş yarık genişliği genellikle 0,3 mm olarak ayarlanır.
  3. Sahne konumu kontrolü
    1. Önizleme bölmesini açın. SK Sahne Pozisyonu (μm) kutusuna mikrometrelerde ODL1 konumunun değerini girin. Kutu 0 ile 200.000 (μm) arasında değerleri kabul eder. Kutunun sağ tarafındaki Git düğmesini tıklatın.
    2. Fa Stage Position (1/10 μm) kutusuna 0,1 μm'lik ODL2 pozisyonunun değerini girin. Kutu -250.000 ile 250.000 (x 1/10 μm) arasında değerleri kabul eder. Kutunun sağ tarafındaki Git düğmesini tıklatın.
  4. Tek ölçüm
    1. Birikim kutusuna bir spektrumun tek bir ölçümü için birikim sayısını girin. Kutu 1'den 999'a kadar değerleri kabul eder.
    2. Diyafram çubuğunu hareket edebildiği kadar sağa iterek spektrografın girişini kapatın. Karanlık Depola düğmesini tıklatın. Diyafram çubuğunu hareket edebileceği kadar sola çekerek spektrografın girişini açın.
    3. Ortalama bir sonucu önizlemek için Ortalama kutusunu işaretleyin.
    4. Prob yoğunluklarını ölçmek ve uyarılmış Raman veya geçici soğurma spektrumunu ölçmek için Operasyon Modu açılır listesinden Işık Spektrumu Edinin'i seçin ve Geçici Soğuğun
    5. Satın Al düğmesini tıklatın.
    6. Ölçümleri otomatik olarak yinelemek için Sürekli kutusunu işaretleyin ve Satın Al düğmesini tıklatın. Sürekli ölçümleri durdurmak için Sürekli kutusunun işaretlerini kaldırın.
    7. Klasör simgesini tıklatarak dosya iletişim kutusunu açın. Veri kaydetmek için bir klasörü çift tıklatın. ".txt" uzantılı bir dosya adı girin ve OK'yitıklatın. Kaydet düğmesini tıklatın.
  5. Zaman çözümlü ölçüm
    1. Deney bölmesini açın. Deneme Adı kutusuna bir denemeyi (örn. örneklerin adları, koşullar) kısaca açıklayan 20 karakter içinde bir ad girin.
    2. Klasör simgesini tıklatarak dosya iletişim kutusunu açın. Veri kaydetmek için bir klasörü çift tıklatın ve OK'yitıklatın.
    3. Taramalar Sayısı kutusuna çeviri aşaması taramalarının sayısını girin.
    4. Tarama açılır menüsünde Denemede taranan çeviri aşamasını seçin.
    5. A Aralığı'nın From kutusuna tnüğün başladığı sahne konumugirin. Kabul edilebilir değerlerin birimi ve aralığı sahneye bağlıdır (bkz. bölüm 3.3).
    6. A Aralığı'nın Step kutusuna birbirini izleyen iki sahne pozisyonu arasında bir aralık girin. Sahne pozisyonundaki 1 μm'lik aralık, aktinik (veya Raman) pompa ile prob darbeleri arasındaki zaman gecikmesi içinde 6,7 fs aralığına karşılık gelir.
    7. A Aralığı'nın Puan kutusuna bir tbmye sahne pozisyonu sayısını girin.
    8. Tek bir taramaya birden fazla aralık gerekiyorsa, B Aralığı kutusunu işaretleyin ve B Aralığıiçin 3.5.5-3.5.7 adımlarını yineleyin. A , Bve C aralığıkullanılarak üç aralık ayarlanabilir.
    9. Çalıştır düğmesini tıklatarak taramaları başlatın. Deney Çalıştıran gösterge ışığı yanar. Gösterge ışığı solana kadar bekleyin.

4. Prob spektrumunun optimizasyonu

  1. Aktinik ve Raman pompa kirişlerinin yollarına kiriş dökümleri yerleştirin. Dikey polarize darbeNin P1'den geçmesini sağlayan açıda P1'i ayarlayın.
  2. 3.4.1 adıma göre birikim sayısını 10 olarak ayarlayın. Karanlık sinyali 3.4.2 adımlarına göre saklayın. Adım 3.4.4'e göre Işık Spektrumu Edinin'i seçin.
  3. Verileri önizlemeiçin adım 3.4.6'ya göre sürekli ölçümler çalıştırın. HWP1'i kademeli olarak döndürerek ekranda dedektör sayısını en üst düzeye çıkarın.
  4. Maksimum ve minimum dedektör sayıları sırasıyla 30.000 ve 4.000'e ulaşana kadar VND1'i döndürerek olay nabzının yoğunluğunu kademeli olarak artırın. Büyük bir salınım deseni gözlemlenmeye başlarsa, desen kaybolana kadar VND1'i ters yönde döndürün.
  5. Adım 3.4.6'ya göre sürekli ölçümleri durdurun.

5. Sabit uyarılmış Raman spektrumlarının ölçümü

  1. Raman pompa ve sonda darbeleri mekansal örtüşme
    1. Raman pompa kiriş yolunda kiriş dökümü çıkarın. Optik helikopteri (OC) Raman pompa ışını yoluna yerleştirin.
    2. Örnek konuma yakın bir IR sensör kartı yerleştirin. Raman pompa ve prob kirişleri noktalar tamamen birbiriyle çakışana kadar bölüm 2.1 göre M21 ayarlayarak Raman pompa ışını yönünü ayarlayın. Sensör kartını çıkarın.
  2. Raman pompa ve sonda darbeleri zamansal örtüşme
    1. Bölüm 5.1 sonucunda Raman pompa ve prob ışınlarının mekansal olarak birbiriyle çakıştığı örnek konumuna bir InGaAs PIN fotodiyot yerleştirin.
    2. Raman pompa ve prob darbelerinin numune konumuna geldiğini izlemek için fotodiyotun sinyal çıkışını 500 MHz, 5 GS/s dijital osiloskopa bağlayın.
    3. Osiloskopun yatay ölçeğini 1 ns/div olarak ayarlayın.
    4. Raman pompası ve diğer darbeyi engelleyen sonda darbeleri için sinyal yoğunluğunun en yüksek saatini okuyun.
    5. İki darbe için en yüksek zaman farkı gözlenirse, fark 200 ps'den küçük olana kadar ODL2'nin konumunu bölüm 3.3'e göre ayarlayın.
  3. Optik helikopter dönüş fazının ayarı
    1. Rezervuara 40 mL sikloheksane ekleyin. Adım 2.9.5'e göre sikloheksan akmaya başlayın.
    2. Raman pompa darbesirayleigh saçılma gözlemlemek için adım 3.2.3 göre 1.190 nm olarak spektrograf ın merkezi dalga boyu ayarlayın.
    3. 3.4.1 adıma göre birikim sayısını 10 olarak ayarlayın. Karanlık sinyali adım 3.4.2'ye göre saklayın.
    4. Adım 3.4.4'e göre Geçici Emilimi Kontrol Et'i seçin.
    5. Adım 3.4.6'ya göre sürekli ölçümler çalıştırın.
    6. -180'den OC'nin dönme fazını ayarlayarak, doğrama nedeniyle dağınık Raman pompa darbesinin varlığından ve yokluğundan kaynaklanan Raman pompa dalga boyundaki negatif işaretle görünür geçici emilim sinyalinin genliğini en üst düzeye çıkararak °−170° kumandanın ön panelinde.
    7. Adım 3.4.6'ya göre sürekli ölçümleri durdurun.
  4. Sinyal maksimizasyonu
    1. Uyarılmış Raman spektrumlarını gözlemlemek için 3.2.3 adıma göre spektrografın orta dalga boyunu 1.410 nm olarak ayarlayın.
    2. Adım 3.4.6'ya göre sürekli ölçümler çalıştırın ve ekranda uyarılan Raman sikloheksan bantlarının gözlendiğini kontrol edin. Sikloheksane güçlü bant merkezi dalga boyu 1.410 nm olarak ayarlandığında 55-58 piksel görünür.
    3. Uyarılmış Raman bantları gözlenmezise, Bölüm 3.3'e göre 150 μm aralıklarla ODL2'nin konumunu ±15.000 m ile değiştirmeye çalışın ve uyarılmış Raman bantlarının gözlemilip gözlemlenmediğini görün.
    4. Adım 5.4.3 yapıldıktan sonra uyarılmış Raman bantları gözlenmezise, Raman pompası ile prob kirişleri arasındaki mekansal çakışmayı elde etmek ve 5.4.2 adımını tekrar yapmak için 5.1.2 adımını yeniden deneyin.
    5. Uyarılmış Raman bantları algılandıktan sonra, M21'i, OC'nin dönme evresini ve ODL2'nin konumunu yinelemeli olarak değiştirerek ekrandaki bant yoğunluklarını en üst düzeye çıkarın.
    6. Adım 3.4.6'ya göre sürekli ölçümleri durdurun.
  5. Ölçüm
    1. 3.4.1 adıma göre birikim sayısını 500 olarak ayarlayın. Karanlık sinyali adım 3.4.2'ye göre saklayın.
    2. Adım 3.4.5'e göre tek bir ölçüm çalıştırın. 3.4.7 adıma göre spektrum kaydedin. Ölçümü en az 4x tekrarlayın.
    3. FC giriş tüpünü rezervuardan çıkarın ve akış hava tarafından kesilene kadar bekleyin. Manyetik dişli pompasının gerilimini en aza indirin.
    4. Rezervuarın içeriğini 100 mL taze aseton dolu olanla değiştirin.
    5. Giriş ve çıkış tüplerini sırasıyla hazne ve boş şişeye yerleştirin. Adım 2.9.5'e göre manyetik dişli pompasını çalıştırın ve FC'den toluen akışına izin verin.
    6. Akış hava tarafından kesilene kadar bekleyin. Manyetik dişli pompasının gerilimini en aza indirin.
    7. Adımları 5.5.4-5.5.6 en az 2x'i tekrarlayın.
    8. Rezervuara 40 mL aseton ekleyin. Adım 2.9.5'e göre akan aseton başlayın.
    9. Adım 5.5.2'ye göre asetonun uyarılmış Raman spektrumu kaydedin.
    10. Adım 5.5.3'e göre fc'den asetonu çıkarın.
    11. Aseton yerine tolüen kullanarak 5.5.4-5.5.10 adımlarını tekrarlayın.

6. Zaman içinde çözülmüş absorpsiyon spektrumunun ölçümü

  1. Rezervuarı boşaltın ve 1 x 10-4 mol dm-3konsantrasyonu ile β-karoten 25 mL toluen çözeltisi ekleyin. 2.9.5 adımına göre örnek çözeltiyi akışa başlayın.
  2. OC'yi aktinik pompa kiriş yoluna yerleştirin.
  3. Raman pompa ışınının hareket verici pompa ışını yolundan ışın dökümü taşıyın.
  4. Neredeyse IR sensör kartı yerine kartvizit kullanarak adım 5.1.2'ye göre numune konumundaki aktinik pompa ve prob kirişleri mekansal olarak örtüşün.
  5. InGAAs PIN fotodiyot yerine Si PIN fotodiyot kullanarak bölüm 5.2'ye göre örnek konumundaki iki Kirişi zamansal olarak örtüştürün.
  6. 3.4.1 adıma göre birikim sayısını 10 olarak ayarlayın. Karanlık sinyali adım 3.4.2'ye göre saklayın.
  7. Adım 3.4.4'e göre Geçici Emilimi Kontrol Et'i seçin.
  8. Adım 3.4.6'ya göre sürekli ölçümler çalıştırın ve β-karotenin geçici emiliminin ekranda gözlendirilip gözlenmeyince kontrol edin. Emme bandı, monoton olarak daha uzun dalga boylarına (ikinci en düşük heyecanlı singlet durumu, S2)veya 0 ve 511.piksellerde iki maxima ile (en düşük heyecanlı singlet durumu, S1)azalan bir şekille görünür.
  9. Geçici emilim gözlenmezise, Bölüm 3.3'e göre 150 μm aralıklarla ODL1 konumunu ±15.000 μm olarak değiştirmeye çalışın.
  10. Adım 6.9 yapıldıktan sonra emilim bandı gözlenmezise, aktinik pompa ve prob kirişleri arasındaki mekansal çakışmayı elde etmek için 6.4.
  11. Geçici emme bandı tespit edildikten sonra M32'yi kolayca hazırlayarak emme yoğunluğunu en üst düzeye çıkarın.
  12. Adım 3.4.6'ya göre sürekli ölçümleri durdurun.
  13. Geçici emilim tamamen kaybolana kadar bölüm 3.3'e göre ODL1'in konumunu azaltın.

7. Zaman çözümlü uyarılmış Raman spektrumlarının ölçümü

  1. OC'yi Raman pompa kiriş yoluna yerleştirin. Raman pompa kiriş yolundan kiriş dökümü çıkarın.
  2. 3.4.1 adıma göre birikim sayısını 200 olarak ayarlayın. Karanlık sinyali adım 3.4.2'ye göre saklayın.
  3. Bölüm 3.5'e göre zaman içinde çözümlenmiş bir deneme çalıştırın. Adım 3.5.4'te SK aşamasınıseçin. A Aralığı'nın Başlangıç değerini, geçici soğurma sinyalinin 6,13 adımda kaybolduğu konumdan yaklaşık 50 m daha küçük olacak şekilde ayarlayın.

8. Raman vardiya kalibrasyonu

  1. Seçtiğiniz veri analizi yazılımını kullanarak bölüm 5'te kaydedilen sikloheksane, aseton ve tolüen için dört uyarılmış Raman spektrumunun ortalamasını hesaplayın.
  2. InGAAs dizi dedektörünün piksel sayısına karşı çözücülerin ortalama uyarılmış Raman spektrumlarını çizin.
  3. Lorentzian fonksiyonları ile en az kareler uydurma analizi ile çözücülerin uyarılmış Raman bantlarının tepe konumlarını tahmin edin. Lorentzian işlevi kullanılamıyorsa, bunun yerine bir polinom işlevi kullanın.
  4. Bir referans kitabındaki (örneğin, Hamaguchi ve Iwata34)çözücülerin Raman bantlarının tepe dalga numaralarını piksel sayısındaki tahmini tepe konumlarına göre çizin.
  5. Raman kayması ile piksel sayısı arasında ikinci veya üçüncü derece polinom işleviile en az kareler montaj analizi ile bir kalibrasyon işlevi edinin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Femtosecond zamanlı olarak çözülmüş yakın IR uyarılmış Raman spektroskopisi toluen çözeltisinde β-karoten uygulandı. Numunenin konsantrasyonu 1 x 10-4 mol dm-3idi. Örnek 1 μJ darbe enerjisi ile 480 nm aktinik pompa darbe tarafından fotoexcited oldu. Toluen'deki β-karotenin zaman içinde çözülmüş uyarılmış Raman spektrumları Şekil 2A'dagösterilmiştir. Ham spektrum, solvent toluen güçlü Raman bantları ve zemin durumunda β-karoten zayıf bir Raman bant yanı sıra fotoheyecanlı β-karoten Raman bantları içeriyordu. Onlar fotoexcitation önce 1 ps aynı çözeltinin uyarılmış Raman spektrumu kullanılarak çıkarıldı. Çıkarmadan sonraki spektrumlarda(Şekil 2B)fotoheyecanlı β-karoten ve/veya diğer doğrusal olmayan optik süreçlerin emiliminin neden olduğu çarpık taban çizgileri ortaya konmaktadır. Taban çizgileri polinom fonksiyonları ile düzeltildikten sonra düz hale geldi (Şekil 2C).

Β-karotenin zaman içinde çözülmüş uyarılmış Raman spektrumları 1.400-1.800 cm-1 bölgesinde iki güçlü bant göstermiştir(Şekil 2C). S2 β-karotenin faz içi C=C germe titreşimine 0 ps'de geniş uyarılmış Raman bandı atandı. Tepe konumu 1.556 cm-1olarak tahmin edilebilmelidir. S1 β-karotenin faz içi C=C streç bandı, S2 C=C streç bandının çürümesi sonucu ortaya çıktı. S 1 C=C streç bandının tepe konumu0,12'den 5 ps'e kadar 8 cm-1 oranında yukarı kaydırıldı(Şekil 2D). Değişim zaman sabiti 0.9 ps olarak tahmin edilebildi. Yukarı kayma S1 β-karoten2,3titreşimsel enerji yeniden dağıtımı kaynaklanır.

Figure 1
Şekil 1: Gösterge diyagramları. (A) Bir femtosecond zaman-IR yakın çözülmüş blok diyagramı Raman spektrometre uyarılmış. Ti:S = Mod kilitli Ti:safir lazer sistemi; BS = Işın bölücü; OPA = Optik parametrik amplifikatör; BBO = β-Baryum borat kristali; OC = Optik helikopter; ODL = Optik gecikme hattı; BPF = Hacim ızgara reflektif bandpass filtresi; SP = Safir plaka; FC = Akış hücresi; M = Ayna; CM = İçbükey ayna; L = Lens; I = İris; P = Polarize; HWP = Yarım dalga plakası; F = Renkli cam filtre; VND = Değişken optik yoğunluk filtresi. Bu rakam, PCCP Sahibi Dernekleri'nin izniyle Takaya11'den uyarlanmıştır. (B) Bir ayna montaj dört yapılandırmaları. V, H ve S sırasıyla dikey ayar tonuzunu, yatay ayar tonlarını ve desteği temsil eder. Ayrıntılar için bölüm 2.1'e bakın. (C) Lazer ışını hizalama şematik diyagramı. m = Ayna; i = İris. Ayrıntılar için bölüm 2.3'e bakın. (D) Optik gecikme çizgisi hizalama şematik diyagramı. m = Ayna; i = İris. Ayrıntılar için bölüm 2.4'e bakın. (E) Akış hücre yuvasının yapısı. Ayrıntılar için bölüm 2.9'a bakın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Femtosecond zaman-çözülmüş yakın-IR Raman spektrumları uyarılmış. (A) Femtosecond zamanlı olarak çözülmüş yakın IR 480 nm'de aktinik pompa dalga boyu ile toluen β-karoten Raman spektrumları uyarılmış. Yer durumundaki toluen ve β-karoten raman bantları sırasıyla daireler ve üçgen ile gösterilir. (B) Femtosecond zamanlı olarak çözülmüş yakın IR, yer durumundaki Raman toluen ve β-karoten bantları çıkarılınca toluendeki β-karoten in β-karoten spektrumunu uyardı. Spektrumların taban çizgileri polinom fonksiyonları (kırık izleri) ile donatılmıştır. (C) Femtosecond zaman-çözülmüş yakın-IR temel düzeltme sonra toluen β-karoten Raman spektrumları uyarılmış. (D) S1 durumundaki faz içi C=C streç bandının tepe konumları zaman gecikmesine karşı çizilmiştir. C=C streç bantları, en yüksek konumlarını tahmin etmek için Gaussian fonksiyonu ile donatılmıştır. S1 C=C streç bandının (katı iz) kayması için en iyi monte eğrisi üstel bir fonksiyona sahip en az kareler montaj analizi ile elde edildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Femtosecond zaman-ir yakın-IR multipleks uyarılmış raman ölçümü önemli faktörler
Zaman çözülmüş yakın IR yüksek sinyal-gürültü oranı ile Raman spektrum uyarılmış elde etmek için, prob spektrumu ideal tüm dalga boyu aralığında düzgün yoğunluğu olmalıdır. Beyaz ışık sürekliliği üretimi (bölüm 2.5) bu nedenle, raman deneylerini uyaran zaman ayarı olan yakın-IR'nin en önemli parçalarından biridir. Genel olarak, sonda spektrumu olay ışınının şiddeti arttıkça geniş ve düz hale gelir. Ancak yüksek ışın yoğunluğu, beyaz ışık sürekliliği üretimi dışında istenmeyen doğrusal olmayan optik efektler üretir. En kötü durum senaryosunda, doğrusal olmayan etkiler sonda spektrumuna büyük bir yoğunluk dalgalanması ve uyarılmış Raman spektrumlarının sinyal-gürültü oranını önemli ölçüde düşüren bir salınım deseni sağlar. Şekil 2C, salınım deseninin spektrumları nasıl etkilediğini gösterir. Bu salınım desenleri gösterir -0.30 için 4 ps, ama desenler sadece zayıf görünür, bir tepe-to-peak genlik ile 1 x 10-4, beyaz ışık üretimi dikkatle optimize edilir gibi. Sonda spektrumu üzerinde başka bir istenmeyen etkisi havada su buharı tarafından sağlanabilir2,11. Spektrometrenin beyaz ışık üretimi optikleri, numunesi ve spektrografı da dahil olmak üzere bir parçası kuru nitrojenle dolu bir bölmede ayarlanırsa su buharının etkisi önlenebilir.

Raman vardiya kalibrasyonunun doğruluğu
Bölüm 8'de açıklandığı gibi, Raman kaydırma eksenini, raman kaymasındaki çözücü bantların tepe konumlarının en az kareler uydurma analizi ile, dedektörün piksel numarasındakilere karşı polinom fonksiyonu ile kalibre ediyoruz. Raman pompa dalga boyu yüksek doğrulukla belirlenemediği sürece bu protokolün iyi çalıştığını düşünüyoruz. Dedektörümüzün her pikseli Raman pompa darbesinin dalga sayısının etrafında 3,5 cm-1'e kadar büyük olduğu için spektrometremiz için de geçerlidir. Ancak, çözücüler, numunenin tüm geçici uyarılmış Raman bantlarının çözücü bantlarının en yüksek ve en düşük dalga sayıları arasında görünmesi için seçilmelidir (bölüm 8). Raman kaydırma kalibrasyon eğrisi, çözücü bantlarının menzilinin ötesinde ki doğruluğunu kaybeder. Şekil 2'de,toluene'de 1.785 cm-1'deS1 β-karotenden oluşan bir Raman bandı, çözücü bantların en yüksek dalga sayısının ötesinde, 1.710 cm-1'dir. Biz pik pozisyonu pikosaniye zaman çözülmüş spontan Raman spektroskopisi35tarafındanbelirlenen benzen ile iyi kabul ettiğini doğruladı ,36.

Etkililik ve femtosecond zaman çözülmüş yakın-IR multipleks Raman spektrometre uyarılmış perspektif
Bu femtosecond zaman çözülmüş yakın-IR çokkatlı Raman spektrometre uyarılmış Raman spektrumgözlemlemek olduğunu gösterilmiştir, hangi neredeyse yakın-IR ile kısa ömürlü türlerin spontan Raman spektrumları eşdeğer bilgi sağlar Geçiş. Bir bandın tepe konumundaki küçük farklar, yeterince yüksek hassasiyeti nedeniyle spektrometre ile tespit edilebilir. Spektrometre, basit aromatik moleküllerden fotoiletken polimerlere kadar çok çeşitli π-conjugate sistemleri için geçerli olacaktır. Sabit yakın IR multipleks uyarılmış Raman spektroskopisi de örnekten floresan girişim olmadan moleküler titreşimleri gözlemlemek için güçlü bir araçtır, çünkü yakın IR fotonların enerjisi genellikle elektronik fotonlardan çok daha düşüktür. moleküllerin enerji geçişi en düşük heyecanlı tekli durumundan yer durumuna. Spektrometre biyolojik sistemlerdeki yapısal dinamiklerin in vivo gözlemi için geçerli olacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma JSPS KAKENHI Hibe Numaraları JP24750023 tarafından desteklenmiştir, JP24350012, MEXT KAKENHI Hibe Numaraları JP26104534, JP16H00850, JP26102541, JP16H00782 ve Özel Üniversitelerde Stratejik Araştırma Vakfı MEXT Destekli Programı, 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

Kimya Sayı 156 lazer spektroskopisi yakın kızılötesi uyarılmış Raman saçılma femtosecond pompa-sonda tekniği π-konjuge karotenoidler titreşimsel enerji yeniden dağıtımı
Ultrahızlı Zaman Çözümlü Yakın-IR Uyarılmış Raman Fonksiyonel π-konjuge Sistemlerinin Ölçümleri
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