مقدمة لمعالجة بيانات الامتصاص العابر وتركيبها وتفسيرها

Summary

هذا البروتوكول هو مدخل المبتدئين إلى معالجة وتركيب وتفسير أطياف الامتصاص العابرة. ينصب تركيز هذا البروتوكول على إعداد مجموعات البيانات ، والتركيب باستخدام كل من حركية الطول الموجي الفردي وتحليل العمر العالمي. وتناقش التحديات المرتبطة ببيانات الامتصاص العابر وتركيبها.

Abstract

التحليل الطيفي للامتصاص العابر (TA) هو طريقة طيفية قوية يتم حلها زمنيا وتستخدم لتتبع تطور عمليات الحالة المثارة من خلال التغييرات في طيف امتصاص النظام. اقتصرت التطبيقات المبكرة ل TA على المختبرات المتخصصة ، لكن تطور أنظمة تسليم المفتاح التجارية جعل التقنية متاحة بشكل متزايد لمجموعات البحث في جميع أنحاء العالم. أنظمة TA الحديثة قادرة على إنتاج مجموعات بيانات كبيرة ذات دقة عالية الطاقة وزمنية غنية بالمعلومات الفيزيائية الضوئية. ومع ذلك ، يمكن أن تكون معالجة أطياف TA وتركيبها وتفسيرها أمرا صعبا بسبب العدد الكبير من ميزات الحالة المثيرة والتحف الآلية. يجب مراعاة العديد من العوامل بعناية عند جمع بيانات TA ومعالجتها وتركيبها من أجل تقليل عدم اليقين بشأن النموذج أو مجموعة معلمات الملائمة التي تصف البيانات بشكل أفضل. الهدف من إعداد البيانات وتركيبها هو تقليل أكبر عدد ممكن من هذه العوامل الدخيلة مع الحفاظ على البيانات للتحليل. في هذه الطريقة ، يتم تزويد المبتدئين ببروتوكول لمعالجة وإعداد بيانات TA بالإضافة إلى مقدمة موجزة لإجراءات ونماذج التركيب المختارة ، وتحديدا تركيب الطول الموجي الفردي وتحليل العمر العالمي. يتم تقديم تعليق على عدد من تحديات إعداد البيانات الشائعة وطرق معالجتها ، تليها مناقشة للتحديات والقيود المفروضة على طرق التركيب البسيطة هذه.

Introduction

التحليل الطيفي للامتصاص العابر (TA) هو تقنية طيفية تم حلها زمنيا تراقب تطور الأنواع المثارة ضوئيا من خلال التغييرات المعتمدة على الوقت في طيف امتصاصها بعد الإثارة بنبضة من الضوء. نظرا لأن TA هي تقنية امتصاصية ، يمكن تحديد الإشارات الطيفية التي تنشأ من الحالات التي تخضع لكل من التحولات الإشعاعية (أي الحالات التي تنبعث منها عادة فوتون) والتحولات غير الإشعاعية (الحالات التي عادة ما تكون غير فلورية وتخضع للتحويل الداخلي أو العبور بين الأنظمة أو المشاركة في التفاعلات الضوئية) ويمكن تحديد تطورها ^1,2. اعتمادا على تفاصيل مصدر الإثارة وطريقة الكشف ، يسمح TA بالوصول إلى الحركية من الفيمتو ثانية إلى ما بعد الميكروثانية ومن الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، مما يجعلها أداة طيفية متعددة الاستخدامات. لقد تقدم تسويق مطياف TA بشكل كبير على مدى العقود العديدة الماضية ، مما أدى إلى وصول المزيد من المختبرات والمرافق إلى هذه التقنية^{القوية 2}.

أنظمة TA الحديثة قادرة على إنتاج مجموعات بيانات كبيرة بدقة عالية الطاقة والزمانية. تأخذ مجموعات البيانات عموما شكل مصفوفة 2D لقيم فرق النفاذية أو الامتصاص كدالة للطول الموجي والتأخير الزمني بالنسبة لنبضة الإثارة. يمكن النظر إلى مجموعة البيانات هذه على أنها خريطة حرارية ثنائية الأبعاد أو خريطة طبوغرافية ثلاثية الأبعاد. أصبح تفسير هذه البيانات أكثر تعقيدا حيث يسعى الباحثون جاهدين لتضمين مجموعة البيانات بأكملها عند إنشاء نوبات تصف نظام اهتمامهم بشكل أفضل³.

على الرغم من أن TA يمكن أن يغطي مجموعة واسعة من الأطوال الموجية والمقاييس الزمنية ، إلا أن هذا البروتوكول يركز على أحد أكثر أشكاله التي يمكن الوصول إليها على نطاق واسع⁴: التحليل الطيفي عريض النطاق في المنطقة المرئية للأشعة فوق البنفسجية مدفوعا بليزر نابض فيمتو ثانية. يتم توفير مخطط ^5,6 من هذه الأداة في الشكل 1. تبدأ التجربة بأخذ نبضة من الليزر وتقسيمها إلى نسختين. يتم استخدام نسخة واحدة من النبضة ، تسمى "المضخة" ، لإثارة العينة. عادة ما يتم استخدام جهاز مثل مكبر الصوت البارامتري البصري (OPA) لتحويل نبضة المضخة إلى الطول الموجي المطلوب^{للإثارة 5,7}. تدخل النسخة الثانية من النبضة ، والتي تسمى "المسبار" ، مرحلة تأخير ميكانيكية ، والتي يمكن أن تغير التأخير الزمني بين المضخة ونبضات المسبار عن طريق تغيير المسافة التي تقطعها النبضة. ثم يتم تحويل نبضة المسبار ذات الطول الموجي الواحد إلى سلسلة متصلة من الضوء الأبيض باستخدام بلورة الياقوت أو فلوريد الكالسيوم (CaF₂)⁸. يتم تمرير نبضة الضوء الأبيض عبر العينة ، ويتم قياس طيفها باستخدام كاشف النطاق العريض مثل كاميرا جهاز اقتران الشحن (CCD). من خلال قياس التغيرات في طيف نبضة الضوء الأبيض مع المضخة وبدونها ، يمكن قياس التغيرات في طيف امتصاص العينة الناجم عن المضخة ، ΔA (T). يتم توجيه القراء المهتمين نحو هذه المراجعة المفيدة⁹ لمزيد من المعلومات حول عملية الكشف.

في جميع أشكال التحليل الطيفي TA ، يتم حساب أطياف ΔA (t) عن طريق أخذ الفرق بين امتصاص الحالة الأرضية ،_مسبار A ، وامتصاص الحالة المثارة ،_{مضخة + مسبار} ، في تأخير زمني معين ، t ، بين النبضتين^2،5،9،10.

(1)

لاحظ أن_{المسبار} A يعادل طيف امتصاص الحالة المستقرة للعينة وهو مستقل عن الوقت. تنشأ دقة وقت التجربة من التأخير بين المضخة والمسبار الذي تم التقاطه في_{مضخة + مسبار} (ر). يظهر الشكل 2 أ محاكاة لهذه البيانات.

على عكس أطياف الامتصاص المستقرة ، يمكن أن يكون لأطياف TA سمات إيجابية وسالبة بسبب الاختلاف المأخوذ في المعادلة 1. الميزات الإيجابية هي نتيجة لأنواع امتصاص جديدة تم إنشاؤها بواسطة نبضة المضخة ويمكن أن تمثل حالات كروموفور مثارة ، أو حالات ثلاثية ، أو إعادة ترتيب هندسي ، أو تأثيرات ذوبان ، أو منتجات ضوئية للحالة المثارة³. وستعرض في المناقشة مبادئ توجيهية عامة لتحديد هذه السمات وتخصيصها للأنواع الكيميائية. يمكن أن تنشأ السمات السلبية إما من مبيض الحالة الأرضية (GSB) أو الانبعاثات المحفزة (SE) (الشكل 2B). يرجع GSB إلى فقدان سكان الحالة الأرضية بعد امتصاص نبضة المضخة. لم تعد الجزيئات التي يتم ترقيتها إلى الحالة المثارة تمتص في نفس منطقة حالتها الأرضية. لذلك ، يتم امتصاص كمية أقل من نبضة المسبار ، ويمكن أن يكون الفرق في المعادلة 1 سالبا في تلك المنطقة. يتميز GSB بأن له نفس الشكل الطيفي مثل امتصاص الحالة الأرضية ولكن بعلامة معاكسة. تنتج إشارات SE عن الانبعاث من نوع الحالة المثارة التي يحفزها نبض المسبار³. ينتج عن الانبعاث من هذه الأنواع وصول المزيد من الضوء إلى الكاشف ، وهو ما يعادل امتصاص أقل عند تلك الأطوال الموجية. سيكون لإشارة SE شكل طيفي مماثل لطيف الانبعاث التلقائي للأنواع ، ولكن مع علامة سلبية ووزن تردد مختلف¹⁰.

بالإضافة إلى المعلومات حول أنواع الحالة المثارة ، يمكن أن تحتوي أطياف TA على عدد من القطع الأثرية والميزات الدخيلة التي يمكن أن تشوه الديناميات الأساسية وتحجب تخصيص نطاقات^{الامتصاص 11}. يمكن أن تؤدي المعالجة غير السليمة لهذه القطع الأثرية في إعداد البيانات وتحليلها إلى تطبيق نماذج فيزيائية ضوئية غير مناسبة على البيانات ، وبالتالي إلى استنتاجات^{مضللة 11}. لذلك ، يركز الجزء الأول من هذا البروتوكول على كيفية معالجة مجموعات بيانات TA بشكل صحيح بعد جمعها. الهدف من هذا القسم هو تزويد الباحثين الجدد في TA بمجموعة من الإرشادات التي ستساعد في تطوير الحدس والتقدير لإعداد ومعالجة بياناتهم بدقة.

بعد معالجة مجموعة البيانات ، يتوفر عدد كبير من الأدوات والنماذج لتركيب وتفسير الأطياف بمستويات مختلفة من التعقيد والدقة¹⁰. الهدف من القسم الثاني من هذا البروتوكول هو إعداد القارئ لتطبيق تركيب الطول الموجي الواحد والتحليل العالمي على البيانات وتقديم إرشادات حول متى تكون هذه النماذج مناسبة لوصف بياناتها. البرامج التجارية متاحة الآن بسهولة لإعداد ومعالجة بيانات TA ، مثل Surface Xplorer^12,13 من أنظمة Ultrafast (مجانا للتنزيل والاستخدام ، انظر جدول المواد). تم إصدار بدائل مجانية أخرى من قبل الباحثين الأكاديميين ، مثل Glotaran¹⁴. Glotaran هو برنامج مجاني تم تطويره للتحليل العالمي والهدف لبيانات التحليل الطيفي والفحص المجهري التي تم حلها بمرور الوقت. إنه بمثابة واجهة مستخدم رسومية (GUI) لحزمة R TIMP¹⁴. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمستخدمين استخدام لغات البرمجة مثل Python لكتابة الرموز الخاصة بهم التي تجري التحليل. كل من هذه البرامج المناسبة وحلول البرمجة لها ميزات إيجابية تجعلها مساهمات مهمة. لغرض هذه الدراسة ، يمكننا تقديم برنامج واحد فقط للمكون المرئي لهذا النشاط. مناقشة متعمقة لكل برنامج تركيب خارج نطاق هذه المقالة.

توفر هذه المقالة إجراء خطوة بخطوة ل (1) معالجة بيانات TA ، (2) ملاءمة بيانات TA باستخدام حركية الطول الموجي الفردي والتحليل العالمي ، و (3) استخراج البيانات وتركيبها مع نماذج أخرى. يتم تضمين مجموعة من بيانات TA التمثيلية للقارئ لاستخدامها كممارسة (الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2). البيانات عبارة عن قياس لعينة 165 ميكرومتر من 1،4-مكرر (5-فينيلوكسازول-2-يل) بنزين (POPOP) في الإيثانول متحمس عند 330 نانومتر وتم جمعه على مدى من -5 ps إلى 5.5 ns. بالإضافة إلى ذلك ، تم جمع عينة "فارغة" تحتوي على الإيثانول فقط ولم يتم جمع أي عينة في ظل نفس الظروف التجريبية على مدى من -5 ps إلى 5 ps ، والتي تستخدم في إعداد البيانات للتركيب (الخطوة 1). تم جمع الأطياف باستخدام مطياف امتصاص عابر فائق السرعة. تم احتواء العينة في كوفيت بطول مسار 2 مم وتعرضت للتحريك المستمر. يعتمد إجراء المعالجة والتركيب الموصوف على برنامج Surface Xplorer الذي يلائم البيانات بتنسيق *.ufs، والذي سيطلق عليه هنا اسم "برنامج التركيب". تتوفر برامج لتحويل مجموعات البيانات بتنسيقات أخرى إلى ملفات * .ufs¹⁵. على الرغم من أن تفاصيل هذا البروتوكول خاصة بجهاز Surface Xplorer، إلا أن الخطوات التالية قابلة للتعميم على أي حزمة برامج، تجارية أو منزلية. بالإضافة إلى ذلك ، قد يتم استخراج نتائج معالجة البيانات وملاءمتها باستخدام حزم البرامج الأخرى هذه. يوفر ملف المعلومات الداعمة (الملف التكميلي 3) نصائح إضافية حول التركيب.

Protocol

1. إعداد البيانات للتركيب

1. قم بتحميل مجموعة بيانات SAMPLE في برنامج التركيب. ستظهر البيانات كما هو موضح في الشكل التكميلي 1.
2. عند وجود ضوء إثارة مبعثر داخل نافذة الكشف البصري للتجربة ، استخدم خيار طرح الضوء المبعثر (الشكل التكميلي 2). في حالة عدم وجود ضوء إثارة مشتت في البيانات ، انتقل إلى الخطوة 1.5.
   ملاحظة: يتم ملاحظة الضوء المبعثر بشكل شائع عندما يقع الطول الموجي للإثارة داخل النافذة البصرية. يظهر الضوء المبعثر كميزة سلبية حادة (مبيض) عند الطول الموجي للإثارة (أو بعض ترتيب الحيود ، أو الطول الموجي الناتج في OPA) الذي لا يختلف مع مرور الوقت.
3. انقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق خيار طرح الضوء المبعثر (الشكل التكميلي 2). ستظهر نافذة جديدة.
4. في النافذة الجديدة ، انقر فوق أزرار الأسهم لتعيين عدد أطياف الخلفية إلى المتوسط (الشكل التكميلي 3) لإجراء تصحيح الخلفية. يوفر استخدام عشرة أطياف نقطة انطلاق جيدة ويمكن تعديل الرقم حسب الرغبة. انقر فوق قبول لإجراء الطرح (انتقل إلى الخطوة 1.7).
   ملاحظة: تستمد أطياف الخلفية من الأطياف الأولى الموجودة في مجموعة البيانات ثم تتحرك إلى الأمام زمنيا باستخدام أكبر عدد ممكن من أطياف الخلفية حسب الحاجة لتوفير متوسط لإشارة الخلفية؛ ومع ذلك ، فإن استخدام الكثير سيبدأ في استخدام الأطياف التي تحتوي على إشارة الاهتمام ، لذا لا تستخدم الكثير. مع بيانات النافذة الزمنية الطويلة ، قد لا تظهر ميزة التشتت في نهاية الإطار الزمني للبيانات. قد يحدث هذا إذا تجاوزت النافذة الزمنية وقت تكامل الكاميرا ، أو لأسباب أخرى ، بناء على كيفية إنشاء تجربة TA. لتصحيح ذلك ، يمكن استخدام خيار النطاق الزمني المحدد كما هو موضح في الملف التكميلي 3.
5. بالنسبة للبيانات التي لا يوجد فيها ضوء مشتت داخل النافذة البصرية ، انقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق خيار طرح الخلفية .
6. في النافذة التي تظهر ، انقر فوق أزرار الأسهم في أسفل اليمين ل "عدد الأطياف" إلى المتوسط (اختر 10) ، وانقر فوق قبول.
   ملاحظة: تعمل أطياف الخلفية في هذا الخيار بنفس الطريقة التي تعمل بها في خيار "طرح الضوء المتناثر". بدءا من عشرة أطياف يوفر متوسط جيد. يمكن استخدام المزيد من الأطياف ، ولكن يجب توخي الحذر لعدم استخدام الكثير لتجنب تضمين الأطياف التي تحتوي على إشارات الاهتمام. يصف دليل المستخدم الخاص بجهاز Surface Xplorer الاختلافات في التصحيح المطبق على "طرح الضوء المتناثر" مقابل . تصحيح "طرح الخلفية" الأساسي. من المهم تطبيق التصحيح المناسب للقطعة الأثرية¹⁶.
7. قد تحتوي البيانات الموجودة بالقرب من حواف النافذة الضوئية على نسبة إشارة إلى ضوضاء منخفضة للغاية ناتجة عن شكل طيف المسبار و / أو العينة التي تمتص الكثير من الضوء الأبيض. البيانات الصاخبة في هذه المناطق تجعل التحليل أكثر صعوبة. قم بإزالة هذه الأجزاء غير المفيدة من الطيف. انقر فوق الأطوال الموجية النهائية على الطيف (البلاط الأيسر السفلي) ، واكتب قيما جديدة (الشكل التكميلي 4) ، وانقر فوق إدخال. اختر نطاق الطول الموجي الذي يزيل البيانات الصاخبة عند حواف النافذة. بالنسبة للبيانات المقدمة ، يكون النطاق 340-680 نانومتر.
8. وضع اللمسات الأخيرة على ضبط النافذة الطيفية إلى النطاق المطلوب من الأطوال الموجية. انقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق Crop (الشكل التكميلي 5). ستظهر نافذة منبثقة.
   1. انقر فوق موافق. انقر فوق قائمة "ملف " ، ثم انقر فوق "حفظ الملف باسم". ثم انقر فوق موافق. أغلق مجموعة البيانات هذه.
      ملاحظة: كن حذرا عند الاقتصاص ، حيث ستقوم الوظيفة بقص البيانات على طول محوري الطول الموجي والتأخير الزمني ، مع حذف جميع البيانات الأخرى. تأكد من أن نافذة التأخير الزمني تحتوي على جزء البيانات المراد الاحتفاظ به. أيضا ، يوصى بشدة بحفظ أي بيانات تم اقتصاصها كملف جديد تم تصنيفه بشكل مناسب لترك سطح البيانات الأولية سليما كنسخة احتياطية.
9. بالنسبة للبيانات التي تم جمعها على المقاييس الزمنية fs أو ps ، يجب تطبيق تصحيح الزقزقة. افتح سطح البيانات باستخدام المذيب أو الركيزة فقط (بدون عينة) المأخوذة في نفس الإعداد التجريبي مثل البيانات. تسمى هذه العينة تشغيل التجربة "الفارغة". قم بتنفيذ نفس مجموعة الخطوات على البيانات "الفارغة" (من الخطوة 1.2 إلى الخطوة 1.8) التي تم تنفيذها على عينة البيانات.
   ملاحظة: يوصى بشدة بإجراء مثل هذه التجربة "الفارغة" في نفس ظروف العينة ولكن مع نافذة زمنية أقصر (على سبيل المثال ، ~ −5 ps إلى 5 ps) لضمان عدد كبير من النقاط حول الوقت صفر. يجب أن يتكون هذا التشغيل "الفارغ" من مذيب أو ركيزة فقط ، اعتمادا على نوع العينة ، ويستخدم لتحديد انحناء الزقزقة. يجب أن يتبع إعداد "الفراغ" حتى هذه النقطة نفس تصحيح الخلفية والاقتصاص مثل بيانات العينة. إذا لم يتم تشغيل "فارغ" ، فيمكن إجراء تصحيح الزقزقة مباشرة على مجموعة البيانات.
10. ابدأ عملية تصحيح الزقزقة. في بلاط الخريطة الحرارية (أعلى اليسار) ، انقر فوق التقاطع واسحب مكون الخط العمودي إلى الطرف الأزرق من الطيف. ابدأ على نطاق الطول الموجي الأزرق بالقرب من بداية النافذة الطيفية. انقر فوق قائمة الحركية ، ثم انقر فوق Fit Solvent Response.
    ملاحظة: يجب إجراء استجابة المذيب المناسب فقط على عينة "فارغة" لا تولد أي إشارة بعد وقت الصفر. ستؤدي محاولة تطبيق وظيفة الملاءمة هذه على مجموعة بيانات تحتوي على بيانات عن جزيء أو مادة ذات أهمية إلى محاولة البرنامج ملاءمة البيانات بدلا من IRF (وظيفة استجابة الأداة). بالنسبة للعينات "الفارغة" ، يجب أن تكون الإشارة الوحيدة الموجودة عبارة عن قطعة أثرية متماسكة ناشئة عن التشكيل عبر الطور. يحدث التعديل عبر الطور فقط عندما تتداخل المضخة وعوارض المسبار ، وبالتالي ، يوفر أثرا لانحناء الزقزقة الذي يمكن ملاءمته باستخدام خيار "استجابة المذيبات المناسبة". سيكون وضع النقاط يدويا مطلوبا للبيانات التي لا تحتوي على "فارغة" مصاحبة لاستخدامها في التصحيح ويتم وصفها بمزيد من التفصيل في الملف التكميلي 3.
11. تفتح نافذة جديدة "تناسب استجابة المذيبات". انقر فوق الزر "ملاءمة " (الشكل التكميلي 6). سيولد التركيب ملاءمة لوظيفة استجابة الأداة باستخدام المشتقات الأولى والثانية من Gaussian. انقر فوق الزر "حفظ " ، ثم انقر فوق x لإغلاق الشاشة.
    ملاحظة: يجب أن يتطابق الخط الأحمر المناسب مع نقاط البيانات (المربعات المجوفة الزرقاء) جيدا عبر النطاق الزمني بأكمله ، والأهم من ذلك الميزة الكبيرة التي تظهر بالقرب من الوقت صفر (0.1-2.0 ps). ستحقق الملاءمة أكبر قدر من النجاح إذا كان هناك عدد كبير من النقاط حول الوقت صفر ، والذي يمكن تحقيقه باستخدام نافذة تأخير زمنية قصيرة للتجربة "الفارغة" والاحتفاظ بعدد كبير من النقاط. إذا بدا أن الملاءمة لا تتطابق مع نقاط البيانات جيدا ، فحدد المربع "إضافة Gaussian (R0)" وأعد محاولة الملاءمة. سيضيف هذا الخيار مجموع Gaussian إلى المشتقات الأولى والثانية وقد يتناسب بشكل أفضل مع شكل ميزة IRF عند هذا الطول الموجي. إذا كان تركيب استجابة المذيب لا يزال يفشل في التقاط إشارة IRF ، فحدد طولا موجيا مختلفا.
12. قم بإجراء هذه العملية (الخطوات 1.10-1.11) خمس مرات على الأقل ، حيث ستكون هناك حاجة إلى خمس نقاط لتصحيح الزقزقة بشكل صحيح. يجب أن تكون النقاط متباعدة عبر النافذة الطيفية بأكملها إن أمكن. قد لا تولد بعض المذيبات / الركائز إشارة يمكن ملاحظتها في أجزاء من النافذة الطيفية ، اعتمادا على الظروف التجريبية. يمكن إضافة / استخدام المزيد من النقاط حسب الحاجة لإنتاج ملاءمة مقبولة. عند الانتهاء ، أغلق مجموعة البيانات "الفارغة".
    ملاحظة: تتم كتابة كل نقطة محفوظة إلى ملف Excel في مجلد العمل كصف جديد بمجرد أن ينقر المستخدم على حفظ. إذا تم حفظ نقطة غير مرغوب فيها ، فيمكن إزالة النقطة من ملف Excel عن طريق حذف صف النقطة غير المرغوب فيها.
13. أعد فتح مجموعة البيانات التي تم اقتصاصها وطرح الخلفية. انقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق خيار تصحيح الزقزقة . سيؤدي ذلك إلى إظهار شاشة جديدة بثلاث نوافذ وقائمة في أسفل اليمين (الشكل التكميلي 7).
14. أضف تصحيح الزقزقة الذي تم إنشاؤه للتو. انقر فوق خيار إضافة من الملف ، وحدد ملف Excel الذي ينتهي ب "معاملات الملاءمة" ، وانقر فوق موافق. يتم الآن عرض ملاءمة تصحيح الزقزقة في النافذة اليسرى العلوية كخط أسود مع علامات X (الشكل التكميلي 8).
    ملاحظة: يتم عرض تصحيح الزقزقة كخط متصل; علامات X على طول الخط هي النقاط الناتجة عن عملية استجابة المذيبات المناسبة. يمكن إضافة النقاط يدويا عن طريق ضبط الشعيرات المتصالبة والنقر على إضافة. يمكن أيضا إزالة النقاط عن طريق تمييزها والضغط على إزالة. يمكن تحرير المزيد من النقاط يدويا عن طريق كتابة القيم في القائمة في أسفل اليمين. أخيرا ، إذا رغبت في ذلك ، يمكن أيضا حفظ التصحيح الحالي كملف لإعادة استخدامه لاحقا باستخدام زر حفظ إلى ملف .
15. انقر فوق الزر "معاينة تصحيح الزقزقة ". هذا ينطبق مؤقتا تصحيح الزقزقة. راقب التصحيح في النافذة العلوية اليسرى للتأكد من أن البيانات قد تم تسويتها مؤقتا ولا يمكن ملاحظة المزيد من الانحناء.
    1. إذا كنت راضيا عن تصحيح الزقزقة ، فانقر فوق الزر "تطبيق وخروج ". إذا لم تكن راضيا ، كرر الخطوات 1.10-1.14 ، واختر أطوال موجية أكثر (أو مختلفة) لملاءمة تصحيح الزقزقة حتى يتم الحصول على تصحيح مرض.
       ملاحظة: سيؤدي تطبيق تصحيح الزقزقة إلى ضبط الوقت صفر على الخط المستقيم كما يظهر في المعاينة. قد يكون هناك بعض الاختلال الزمني بين "الفارغ" وسطح البيانات.
16. انقر فوق قائمة "ملف " ، ثم انقر فوق "حفظ الملف باسم". اكتب اسما مناسبا للملف للإشارة إلى تطبيق تصحيح الزقزقة. ثم انقر فوق موافق.
17. قد لا تتم إزالة بعض ميزات التشتت في البيانات بالكامل عند إجراء طرح الخلفية. تؤثر هذه الميزات على التركيب وتنتج نتائج تركيب خاطئة. حدد موقع أي من هذه الميزات في البيانات التي يجب إزالتها. يمكن تحديد ميزة التشتت بسهولة أكبر في منطقة الوقت السالب.
    1. في مربع الخريطة الحرارية العلوية اليسرى، انقر فوق علامة التقاطع واسحبها إلى منطقة الوقت السالب. البقاء ضمن المنطقة الزمنية السالبة ، استخدم التقاطع لتحديد الأطوال الموجية التي تبدأ عندها ميزة التشتت وتنتهي. لاحظ نطاق الطول الموجي لمعلم التشتت (بالنسبة لمجموعة البيانات المتوفرة ، يتراوح نطاق المعلم من 654 نانومتر إلى 672 نانومتر).
       ملاحظة: عند تحديد ما إذا كان يجب إزالة معلم ما، اسحب التقاطع الأفقي لأعلى ولأسفل عبر محاور الوقت لتصور النطاق الطيفي للميزة. عادة ما يكون لمعالم التشتت آثار حركية أحادية الطول الموجي صاخبة للغاية ، لذلك يمكن أيضا التحقق من النطاق الطيفي للميزة باستخدام الآثار الحركية.
18. بدءا من الطول الموجي المنخفض (الأزرق) (أي 654 نانومتر) ، انقر فوق الطول الموجي الأيمن على الطيف (البلاطة اليسرى السفلية) واكتب قيمة نطاق الميزة الأقل (الأزرق).
19. قم بقص البيانات بالنقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق اقتصاص. انقر فوق "موافق " في القائمة المنبثقة. احفظ البيانات التي تم اقتصاصها باسم ملف فريد للإشارة إلى أي جانب من البيانات هذا (يوصى باللون الأزرق أو الأيسر). أغلق الملف.
20. افتح الملف مع تصحيح الزقزقة المطبق المحفوظ في الخطوة 1.16. تابع إلى مدى الطول الموجي الأعلى (الأحمر) للميزة. انقر فوق الطول الموجي الأيسر على الطيف (البلاط الأيسر السفلي) واكتب قيمة النطاق الأعلى للميزة.
21. قم بقص البيانات بالنقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق اقتصاص. انقر فوق "موافق " في القائمة المنبثقة. احفظ البيانات التي تم اقتصاصها باسم ملف فريد للإشارة إلى أي جانب من البيانات هو (يوصى باللون الأحمر أو الأيمن).
22. اجمع بين الملفين بالنقر فوق قائمة "ملف " ، ثم انقر فوق "دمج أسطح متعددة". في النافذة الجديدة ، حدد كلا جانبي البيانات (أي اليمين واليسار أو الأزرق والأحمر). استخدم ctrl + click لتحديد كل ملف. تحقق من تحديد كلا الملفين في مربع "اسم الملف:" ، ثم انقر فوق "موافق" في أسفل اليمين. عند انتهاء شريط التقدم ، تم دمج البيانات.
    ملاحظة: يمكن دمج أي عدد من الملفات بهذه الطريقة. يمكن تجميع البيانات معا عبر عمليات قطع متعددة في كل من محوري الوقت والطول الموجي.
23. انقر فوق قائمة "ملف " ، ثم انقر فوق "حفظ الملف باسم " واختر اسم ملف فريدا للإشارة إلى أنه مدمج (مدمج أو مركب مستحسن). ثم انقر فوق "موافق " لحفظ الملف.
    ملاحظة: راجع القسم 3 للحصول على معلومات حول كيفية حفظ البيانات من نافذة البيانات الأولية لعرضها وتخطيطها لاحقا. يجب أن تظهر البيانات الموجودة في الخريطة الحرارية (البلاط الأيسر العلوي) كما في الشكل 3 وهي الآن جاهزة لتكون مناسبة. يتم وصف تصور الأطياف التمثيلية ، كما هو موضح في الشكل 3 ، في الخطوة 3.1.2.

2. أداء نوبة

1. قم بتحميل سطح البيانات المعد بشكل صحيح.
2. حدد التركيب الذي سيتم إجراؤه وانتقل إلى القسم المناسب.
   ملاحظة: يقدم هذا البروتوكول خيارين لملاءمة البيانات: تقدم الخطوة 2.3 تركيب التتبع الحركي أحادي الطول الموجي ، وتعرض الخطوة 2.4 تركيب التحليل العالمي.
3. تركيب الطول الموجي الفردي
   1. لإعداد ملاءمة حركية واحدة ، حرك المؤشر (إما في المربعات العلوية أو السفلية اليسرى) إلى الطول الموجي المطلوب. انقر فوق قائمة الحركية ، ثم انقر فوق Fit Kinetic. بالنسبة لمجموعة البيانات المقدمة ، ابدأ ب 632 نانومتر.
   2. في النافذة الجديدة التي تفتح (الشكل التكميلي 9) ، لاحظ أن معلمات التركيب الرئيسية وقيم البذور محددة في الجزء العلوي الأيسر من النافذة أسفل شعار البرنامج في المربع المجاور لهذه المنطقة ضمن نص "الملاءمة الحالية @ الطول الموجي".
   3. انقر فوق أزرار الأسهم لضبط عدد الأعمار (أي عدد الاضمحلالات الأسية المستخدمة لتناسب البيانات) في مربع "الأعمار المحدودة". بالنسبة لمجموعة البيانات المتوفرة، اختر 2 مدى الحياة. عمر واحد إلى 3 نموذجي كنقطة انطلاق.
   4. إذا امتدت إشارة البيانات إلى ما بعد النافذة الزمنية المجمعة ، فيجب تضمين مكون عمر "لانهائي". للقيام بذلك ، انقر فوق مربع الاختيار استخدام مدى الحياة اللانهائي . إذا اضمحلت البيانات بالكامل إلى خط الأساس، فلا تحدد هذا المربع. بالنسبة إلى مجموعة البيانات المقدمة، لا تحدد المربع.
      ملاحظة: يسمح "العمر اللانهائي" ببقاء إزاحة الإشارة (أي أن البرنامج لن يجبر الملاءمة على الاضمحلال مرة أخرى إلى خط الأساس). يلزم استخدام مكون لا نهائي عندما لا تضمحل الإشارة عند هذا الطول الموجي إلى خط الأساس ضمن النطاق الزمني للتجربة.
   5. أدخل قيم التخمين للأعمار والسعات المرتبطة بها ، ووقت استجابة الأداة ، والوقت صفر للمساعدة في عملية التركيب (الشكل التكميلي 10). انقر فوق المعلمة المطلوبة. انقر في نافذة القيمة، واكتب قيمة تخمين، ثم انقر فوق زر التخمين الأولي لتعيين القيمة. بالنسبة لمجموعة البيانات المقدمة ، فإن قيم التخمين المناسبة هي: 0 = 0 ps ، IRF = 0.25 ps ، A1 = 0.6 ، t1 = 100 ps ، A2 = 0.08 ، t2 = 1100 ps.
      ملاحظة: "0" هو تقدير الوقت صفر ، "IRF" هو وقت استجابة الأداة ، "A" يشير إلى سعة أس معين (انظر المعادلة 3) ، و "t" هو ثابت العمر / الوقت. يساعد توفير قيم تخمين جيدة البرنامج في الحصول على ملاءمة معقولة. اختر القيم "A" الموجودة ضمن قيم النطاق A في مجموعة البيانات. اختر قيم "t" على النطاقات الزمنية حيث لوحظ تغيير كبير في التتبع الحركي. أفضل طريقة لاكتساب الحدس حول كيفية تأثير قيم التخمين على الملاءمة هي تجربة عدة مجموعات من قيم التخمين ومراقبة الملاءمة التي تنتجها. إذا كانت واحدة أو أكثر من هذه المعلمات معروفة ، فيمكن تعيين هذه المعلمة و "إصلاحها" بحيث لا تختلف مع الملاءمة (الشكل التكميلي 11).
   6. عند إدخال جميع معلمات التخمين ، انقر فوق الزر Fit . يوضح الشكل 4 توافقا تمثيليا.
      ملاحظة: سيؤدي تطبيق الملاءمة إلى ملء مخطط البيانات بخط الملاءمة ومخطط متبقي يمكن استخدامه لتقييم جودة الملاءمة. يتم أيضا ملء معلمات الملاءمة ، مثل الأعمار والسعة المرتبطة بها ، والوقت صفر ، ووقت استجابة الأداة ، في المربع الأيسر العلوي. استخدم العديد من معلمات الملاءمة المختلفة لتحديد عدد الأعمار وتضمين / استبعاد مكون زمني "لانهائي" ينتج أفضل ملاءمة للبيانات.
   7. احفظ الملاءمة بالنقر فوق الزر حفظ (الشكل التكميلي 9).
      ملاحظة: راجع القسم 3 للحصول على معلومات حول كيفية حفظ البيانات من نافذة البيانات الأولية لعرضها وتخطيطها لاحقا.
4. تركيب التحليل العالمي
   1. انقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق خيار المكونات الرئيسية عبر SVD . تظهر نافذة جديدة (الشكل التكميلي 12).
      ملاحظة: تعرض النافذة العلوية اليمنى الآثار الحركية الرئيسية، وتعرض النافذة السفلية اليسرى الأطياف الرئيسية. يعرض البلاطة العلوية اليسرى قطعة من السطح المتبقي تم إنشاؤها بواسطة الفرق بين السطح الأصلي والسطح الذي تم إنشاؤه بواسطة المكونات الرئيسية المحددة.
   2. انقر فوق أزرار الأسهم لتعيين "عدد المكونات الرئيسية" (الشكل التكميلي 12). بالنسبة لمجموعة البيانات المتوفرة، اختر 15.
      ملاحظة: عند اتخاذ قرار بشأن عدد المكونات الرئيسية التي يجب اختيارها ، تتمثل إحدى الطرق في الاستمرار في زيادة العدد حتى يشبه كل من الأطياف الرئيسية والآثار الحركية الرئيسية نمط الضوضاء. هناك طريقة أخرى لتحديد عدد المكونات الأساسية التي يجب اختيارها وهي النظر إلى قيم معامل الوزن التي تظهر على يسار وسيلة الإيضاح في البلاطة العلوية اليمنى. استمر في إضافة المكونات الأساسية حتى تصل هذه القيمة إلى 0.01. بشكل عام ، ينصح بإضافة المزيد بعد ذلك لإجراء تدبير جيد. قد يؤدي ذلك إلى اختيار ما يصل إلى 15 مكونا رئيسيا أو أكثر.
   3. انقر فوق الزر حفظ . المكونات الرئيسية المحفوظة مطلوبة للتقدم إلى الخطوة التالية.
      ملاحظة: كل مكون رئيسي هو تمثيل منخفض التعقيد لسطح البيانات الأصلي. سيؤدي استخدام المكونات الرئيسية إلى سطح مبسط مقارنة بالبيانات الأولية التي يتم تحليلها. يعد حساب معظم الميزات الرئيسية لسطح البيانات أمرا مهما للغاية للحصول على ملاءمة دقيقة ، لذلك من الضروري استخدام مكونات رئيسية كافية لالتقاط هذه الميزات. لن يؤدي استخدام المزيد من المكونات الرئيسية إلى الإضرار بالملاءمة. لذلك ، إذا كان هناك أي شك حول عدد المكونات الرئيسية التي يجب اختيارها ، فاستخدم المزيد من المكونات الرئيسية بدلا من عدد أقل. ضع في اعتبارك أن استخدام عدد كبير جدا قد يؤدي إلى إبطاء برنامج التركيب.
   4. بعد حفظ المكونات الرئيسية ، سيعود البرنامج إلى الشاشة الرئيسية ويمكن الآن محاولة التركيب العالمي. انقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق خيار Global Fit . سيتم فتح نافذة جديدة (الشكل التكميلي 13).
      ملاحظة: يتم عرض الآثار الحركية الرئيسية في البلاط الأيمن العلوي. سيعرض البلاط الأيسر العلوي سطحا من السطح المناسب مقارنة بالسطح الخام. سيعرض البلاط السفلي الأيسر أطياف الفرق المرتبطة بالاضمحلال (DADS) الناتجة عن الملاءمة. أخيرا ، البلاط الأيمن السفلي هو المكان الذي يمكن فيه تعيين معلمات الملاءمة ، بما في ذلك عدد الوظائف الأسية التي يجب استخدامها وما إذا كان سيتم استخدام دالة لا نهائية.
   5. استخدم أزرار الأسهم بجوار "عدد exp." لتعيين عدد الوظائف الأسية لتضمينها في الملاءمة. إذا امتدت إشارة البيانات إلى ما بعد النافذة الزمنية المجمعة ، فيجب تضمين مكون عمر "لانهائي". للقيام بذلك ، انقر فوق مربع الاختيار استخدام الإزاحة (Ainf). بالنسبة لمجموعة البيانات المتوفرة، اختر 2 ولا تنقر فوق المربع. إذا اضمحلت البيانات بالكامل إلى خط الأساس، فلا تحدد هذا المربع.
      ملاحظة: يمكن إصلاح معلمات الملاءمة قبل إجراء الملاءمة بالنقر فوق عمود الملصق في المربع الأيمن السفلي أسفل معاملات الملاءمة العالمية. سيتحول الملصق إلى اللون الأحمر ويتغير ليكون له مؤشر (ثابت) على الملصق. سيتم استخدام أي قيمة مكتوبة في المربع الموجود على اليمين لهذه المعلمة بدلا من تغييرها بحرية للملاءمة. يجب توخي الحذر عند تحديد قيم الملاءمة ، لأن هذا قد يؤدي إلى تحيز نتائج الملاءمة.
   6. انقر فوق الزر "ملائمة ". سيتم عرض تقدم الملاءمة عبر شريط تحميل صغير في وسط الشاشة. عند الانتهاء من تقدم الملاءمة ، سيتم ملء النوافذ ببيانات من الملاءمة (الشكل 5 والشكل التكميلي 14). فحص بصريا نتائج المناسب.
      ملاحظة: يتم استخدام المعلومات من كل من الملاءمة الحركية الرئيسية و DADS لتحديد ما إذا كان الملاءمة تستحق الادخار أو أنها سيئة للغاية. بشكل عام ، إذا كان ملاءمة التتبع الرئيسي يتطابق جيدا مع البيانات ، ولا توجد ميزات أو عدد قليل جدا من الميزات في المخطط ، فيمكن قبول الملاءمة. من السهل التحقق من النوبات المتعددة عن طريق تغيير عدد الأعمار و / أو التحقق / إلغاء تحديد زر "استخدام الإزاحة (Ainf)". يجب قبول أفضل ملاءمة يتم إنتاجها بعد التحقق من أشكال متعددة من معلمات التركيب.
   7. انقر فوق الزر حفظ . سيؤدي هذا إلى حفظ الملاءمة المعروضة حاليا مع البيانات الموجودة في ملف Excel.
      ملاحظة: يتم حفظ ملف Excel في نفس موقع الملف مثل مجموعة البيانات. إذا تم إجراء نوبات إضافية وتحتاج إلى حفظها ، الكتابة فوق أي إصدار سابق. على هذا النحو ، قبل إنشاء وحفظ مقاس جديد ، امنح أي مقاس قديم اسما فريدا. تتضمن المعلمات المحفوظة من الملاءمة فقط الوقت صفر ، IRF ، الأعمار و DADS المصاحبة لها. لا يحتوي هذا الملف على أي معلومات حول المؤامرة أو التركيب للآثار الحركية الرئيسية. تم توضيح حفظ آثار الحركية الرئيسية في الخطوة 3.3. راجع الخطوة 3.0 للحصول على معلومات حول كيفية حفظ البيانات من نافذة البيانات الأولية لعرضها وتخطيطها لاحقا.

3. استخراج البيانات الخام وتناسبها من برنامج التركيب للتخطيط

ملاحظة: يمكن تصدير البيانات الأولية أو النوبات الناتجة عن تركيب الطول الموجي الفردي أو التحليل العالمي إلى ملفات csv التي يمكن فتحها في مجموعة من البرامج الأخرى.

1. استخراج البيانات الخام للتخطيط
   1. لتصدير الخريطة الحرارية لمجموعة البيانات ، انقر فوق قائمة "ملف " ، ثم انقر فوق تصدير إلى CSV (الشكل التكميلي 15). سيؤدي هذا إلى فتح نافذة ، انقر فوق "موافق " لحفظ ملف csv في نفس الدليل مثل ملف البيانات المفتوح بنفس اسم ملف البيانات.
      ملاحظة: بدلا من ذلك ، يمكن تصدير البيانات الأولية بالنقر بزر الماوس الأيمن على نافذة الخريطة الحرارية والنقر فوق تصدير البيانات إلى الحافظة. سيؤدي هذا إلى حفظ البيانات مؤقتا بحيث يمكن لصقها في مستند برنامج من اختيار المستخدم. الصق البيانات في ملف Excel، ثم احفظ البيانات.
   2. قد يتم عرض أطياف متعددة في النافذة للمقارنة أو لغرض صنع رقم. اسحب المؤشر الأفقي (في الخريطة الحرارية، أعلى اليسار) إلى النقطة الزمنية المطلوبة. اضغط على Ctrl + S لتحديد الطيف وحفظه في النافذة الطيفية (أسفل اليسار). أضف أكبر عدد ممكن من النقاط الزمنية اللازمة لإظهار تقدم البيانات (5-10 أطياف) ، كما هو موضح في الشكل 3.
      ملاحظة: قد يعتمد عدد الأطياف المختارة لتمثيل البيانات والترتيب الزمني لهذه الأطياف اعتمادا كبيرا على العينة المحددة والظروف التجريبية. التوصية أعلاه هي إرشادات عامة ، ولكن يجب أن تملي تفاصيل التجربة أجزاء مجموعة البيانات التي يتم التأكيد عليها.
   3. تصدير كبيانات عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على النافذة التي تحتوي على الأطياف. انقر فوق خيار تصدير البيانات إلى الحافظة . يتم حفظ البيانات مؤقتا. الصق هذه البيانات في مستند البرنامج المطلوب (أي Excel) واحفظ.
   4. يمكن عرض آثار حركية متعددة في نافذة الحركية بنفس طريقة عرض نافذة الأطياف. اسحب المؤشر الرأسي (في الخريطة الحرارية ، أعلى اليسار) إلى الطول الموجي المطلوب. اضغط على Ctrl + X لتحديد تتبع الوقت وحفظه في نافذة الحركية (أعلى اليمين). أضف العديد من النقاط الزمنية حسب الرغبة. سيؤدي هذا إلى حفظ التتبع الحركي الحالي مؤقتا في النافذة.
   5. تصدير كبيانات عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على النافذة التي تحتوي على الآثار الحركية. انقر فوق خيار تصدير البيانات إلى الحافظة . يتم حفظ البيانات مؤقتا. الصق هذه البيانات في مستند البرنامج المطلوب (أي Excel) واحفظ.
2. استخراج البيانات من تركيب الطول الموجي الفردي للعرض
   1. انقر فوق قائمة Kinetics ، ثم انقر فوق Fit Kinetic لفتح النافذة التي تحتوي على البيانات المجهزة.
   2. انقر بزر الماوس الأيمن على نافذة الملاءمة (أي البلاط المركزي في النافذة الفردية). انقر فوق تصدير البيانات إلى الحافظة. سيؤدي هذا إلى حفظه مؤقتا بحيث يمكن لصقه في برنامج مختلف.
      ملاحظة: لا يمكن تصدير المخطط المتبقي أسفل بيانات الملاءمة وسيتعين بدلا من ذلك إعادة إنشائه من بيانات الملاءمة. يقوم الملاءمة بتصدير كل من البيانات الأولية وخط الملاءمة ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لإعادة إنشاء المتبقية. يتم إنشاء المتبقي عن طريق طرح قيمة الملاءمة من البيانات في كل نقطة زمنية ، وإنشاء مخطط مشابه لما يظهر في نافذة "Fit Kinetics".
   3. الصق هذه البيانات في مستند البرنامج المطلوب (أي Excel) واحفظ.
      ملاحظة: سيتضمن التصدير إلى الحافظة البيانات الأولية وبيانات خط الملاءمة فقط لكل أسي مستخدم في الملاءمة. لن يتم تضمين معلمات الملاءمة ، مثل الأعمار والسعة وما إلى ذلك ، وسيتعين تصديرها عن طريق نسخ القيم من برنامج التركيب.
3. استخراج البيانات من تحليل العمر العالمي للعرض والتحليل
   1. انقر فوق قائمة Surface ، ثم انقر فوق خيار Global Fit لفتح النافذة التي تحتوي على البيانات المجهزة.
   2. يجب تعديل دقة قيم كل من الكثافة الضوئية ومحاور التأخير الزمني / الطول الموجي للمكونات الرئيسية (البلاط الأيمن العلوي) و DADS (البلاط الأيسر السفلي) ، على التوالي. ضع الماوس فوق نافذة المكون الرئيسي حتى يظهر مربع الإعداد في أسفل اليمين.
   3. انقر بسرعة على زر x.xx ، ومرر الماوس فوق "الدقة" ، وانقر فوق 6 من القائمة لتعيين عدد المنازل العشرية المراد تضمينها.
   4. ضع الماوس فوق نافذة المكون الرئيسي حتى يظهر مربع الإعداد في أسفل اليمين. انقر بسرعة على زر y.yy ، ومرر الماوس فوق "الدقة" وانقر على 6 من القائمة لتعيين عدد المنازل العشرية المراد تضمينها.
   5. انقر بزر الماوس الأيمن على نافذة الآثار الحركية الرئيسية . انقر فوق تصدير البيانات إلى الحافظة. سيؤدي هذا إلى حفظه مؤقتا بحيث يمكن لصقه في برنامج مختلف.
   6. الصق هذه البيانات في مستند البرنامج المطلوب (أي Excel) واحفظ.
      ملاحظة: سيتم حفظ البيانات كسلسلة من الأعمدة التي تحتوي أولا على التأخيرات الزمنية ، ثم الآثار الحركية الرئيسية متبوعة بخط الملاءمة. ستكون هناك مجموعة واحدة لكل مكون رئيسي يتم اختياره عند التحضير للتحليل العالمي. تم بالفعل حفظ أطياف DADS كجزء من إجراء التركيب في الخطوة 2.4.7.

النتائج

تم تحضير وتحليل عينة من 1،4-مكرر [2- (5-فينيلوكسازول)] بنزين ، POPOP في الإيثانول باتباع الإجراء الموضح أعلاه. تم إجراء القياسات باستخدام مطياف امتصاص عابر فائق السرعة ، كما هو موضح في الشكل 1 ، مع محاليل السوائل في كوفيت 2 مم باستخدام حامل كوفيت قابل للتعديل ومحرك مغناطيسي لضمان الخلط. تم قياس العينات في الظروف المحيطة مع عدم وجود ضوابط إضافية لدرجة الحرارة أو الغلاف الجوي. تم إنشاء النافذة البصرية من 340 نانومتر إلى 680 نانومتر باستخدام بلورة فلوريد الكالسيوم. تم جمع مائتين وخمسين (250) نقطة زمنية بين -5 ps إلى ~ 5500 ps ، وتم حساب متوسط ثلاث عمليات مسح لإنشاء مجموعة البيانات النهائية ، الشكل 3. تم إعداد بيانات POPOP كما هو موضح في البروتوكول. يظهر مثال على تصحيح الزقزقة دون المستوى الأمثل في الشكل التكميلي 16. تم إجراء التركيب الحركي أحادي الطول الموجي على POPOP ، واختيار 632 نانومتر كطول موجي محل الاهتمام. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء تحليل عالمي على POPOP كما هو موضح في البروتوكول.

أنتج التركيب الحركي أحادي الطول الموجي ل POPOP عند 632 نانومتر عمرين. سمح لهذه الأعمار بالتغيير ولم يتم إجراء أي تعديلات أخرى. كانت المعلمات النهائية التي تم الحصول عليها على النحو التالي: t0 = −0.1176 ps ، IRF = 0.436 ps ، A1 = 0.0956 ، t1 = 1.614 ps ، A2 = 0.0646 ، t2 = 522.2 ps (الشكل 4). وتتفق هذه النتائج اتفاقا جيدا مع التحليل العالمي الذي أجري لاحقا وقيم عمر الانبعاثات المبلغ عنها للملوثات العضوية الثابتة (τ = 1.35 نانوثانية)¹⁷. يتم عرض ومناقشة مثال على تركيب الطول الموجي الفردي مع عدد قليل جدا من مكونات العمر في الشكل التكميلي 16.

تم إجراء التحليل العالمي المناسب على POPOP بعد اختيار 15 مكونا رئيسيا (PCs) عند إجراء SVD. تم اختيار عمرين بعد التركيب ، ولم يتم إصلاح أي معلمات. كانت المعلمات النهائية التي تم الحصول عليها من التركيب كما يلي: t0 = −0.1586 ps ، tp (IRF) = 0.4408 ps ، t1 = 1459 ps ، t2 = 267.5 ps. يتم عرض أطياف الفرق المرتبطة بالاضمحلال في الشكل 5. كانت النتائج في اتفاق جيد مع تلك من التركيب الحركي الفردي عند 632 نانومتر وقيم العمر ل POPOP¹⁷. ويرد مثالان للتحليل العالمي دون المستوى الأمثل ويناقشان في الشكل التكميلي 16.

الشكل 1: تمثيل تخطيطي لأداة امتصاص عابرة عريضة النطاق من الفيمتو ثانية الموصوفة في هذا البروتوكول. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: محاكاة بيانات TAS ومساهماتها في إشارة TAS. (أ) منحنيات غاوسية تحاكي طيف امتصاص الحالة الأرضية (الخط الأزرق المنقط) وطيف الحالة المثارة (الخط المنقط الأحمر، والانزياح الأحمر من طيف الحالة الأرضية). أطياف الفرق لهذين الطيفين (الخط الأرجواني ، الخط المتصل) هو طيف الفرق كما هو موضح في TA. تم المبالغة في الاختلافات بين أطياف الحالة الأرضية والحالة المثارة لأغراض توضيحية. (ب) طيف فرق TA تمثيلي ل POPOP عند 1.04 ps بعد الإثارة عند 330 نانومتر. تظهر الخطوط المنقطة امتصاص الحالة الأرضية وانبعاث الحالة المستقرة ل POPOP. تظهر المناطق المميزة ميزات TA الشائعة ، ومبيض الحالة الأرضية (GSB) ، والانبعاثات المحفزة (SE) ، وامتصاص الحالة المثارة (ESA) التي لوحظت في هذه البيانات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: البيانات المعدة ل POPOP الناتجة عن تطبيق الخطوة 1 - إعداد البيانات. يتم عرض البيانات كخريطة حرارية مصححة وأطياف تمثيلية. توضح هذه النتائج كيف يجب أن تبدو البيانات بعد تطبيق التصحيحات ويكون المرء جاهزا لتطبيق ملاءمة لمجموعة البيانات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: نتائج تركيب الطول الموجي المفرد ل POPOP عند 632 نانومتر بعد تطبيق الخطوة 2.3 - تركيب الطول الموجي الفردي. يوضح الشكل (القسم العلوي) الأعمار التي تم الحصول عليها في شكل جدول ، (القسم الأوسط) البيانات (النقاط الزرقاء) وملاءمة البيانات (خط الملاءمة الأحمر) ، و (القسم السفلي) المخطط المتبقي. لاحظ أنه ضمن قسم "الملاءمة الحالية" ، يتم عرض السعات (A) كقيم ΔA من البيانات التي تمثل مساهمة هذا المكون المحدد مدى الحياة عند t0. ومع ذلك ، عند حفظ الملاءمة الحالية وظهورها في جدول "معاملات الملاءمة" ، يكون الإعداد الافتراضي هو إظهار السعات الطبيعية. يمكن تغيير هذا الإعداد عن طريق إلغاء تحديد المربع بجوار تصنيف "معاملات الملاءمة" "تمت تسويتها". يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: نتائج تركيب التحليل العالمي ل POPOP التي تم الحصول عليها بعد تركيب الخطوة 2.4. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 6: مثال على تشتت رامان المحفز الذي لوحظ في بيانات TA التجريبية. في مجموعة البيانات هذه (وليس بيانات POPOP الموضحة في البرنامج التعليمي) ، تم إثارة العينة عند 550 نانومتر (يشار إليها بالخط المنقط). يظهر تشتت رامان في الوقت صفر تقريبا ويظهر بشكل عام لكل من اللون الأزرق (تشتت رامان المضاد لستوكس) والأحمر (تشتت ستوكس رامان) للطول الموجي لإثارة المضخة. تشتت رامان المحفز قصير الأجل ، عادة حوالي ~ 200 fs فقط ، لأنه يحدث نتيجة تفاعل شعاع المسبار مع العينة في نفس الوقت مع شعاع المضخة ، وبالتالي تحفيز عملية رامان. ومع ذلك ، لا يمكن تجنب الميزة ويجب إزالتها بالاقتصاص. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: القائمة الرئيسية عند تحميل البيانات في البداية. بشكل عام ، في برنامج التركيب هذا ، ستكون هناك مربعات خيارات تظهر في الركن الأيمن السفلي من النافذة عند تمرير النافذة بالماوس. تسمح هذه المربعات بتغيير تفاعل المؤشر مع النافذة ، إما بنقل التحديدات أو التكبير / التصغير أو تحريك النوافذ المحددة. هناك أيضا خيارات لضبط دقة كل من مقاييس المحور x والمحور y للنافذة بالإضافة إلى تبديل الشاشة من خطي إلى لوغاريتمي. يمكن أيضا قفل المحاور أو إلغاء قفلها. أثناء القفل ، سيبقى المحور عند مستوى التكبير / التصغير أو نطاق القيم المحددة ؛ عند إلغاء القفل ، سيتم تبديل النطاق ليحتوي على مجموعة كاملة من البيانات. تسمح الخيارات الأخرى بضبط عرض الأرقام وتلوين الشبكات إن وجدت. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2: قائمة السطح لتنفيذ طرح الضوء المتناثر. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 3: طرح شاشة الضوء المتناثرة - ضبط الأطياف على المتوسط. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 4: تحديد نطاق المحاصيل. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 5: مجموعة بيانات المحاصيل. ستتم إزالة البيانات التي تم اقتصاصها نهائيا. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 6: تناسب نافذة استجابة المذيبات ومثال على ملاءمة استجابة المذيب (بالخط الأحمر) للبيانات (النقاط الزرقاء). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 7: نافذة تصحيح الزقزقة مع بيانات عينة "فارغة". الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 8: تصحيح الزقزقة الموضح مع مجموعة البيانات. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 9: نافذة تناسب حركي واحد. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح شريط التمرير في الأعلى للمستخدم بتحديد الطول الموجي الذي يتم عنده إجراء الملاءمة. يتطلب اختيار الطول الموجي المناسب معرفة التحليل الطيفي للنظام لتحديد مكان حدوث العمليات ذات الأهمية. ومن الأمثلة على ذلك منتجات نقل الشحنة ، أو التكوين الثلاثي ، أو تكوين المنتج الضوئي ، والتي من المعروف أن سماتها الطيفية ترتبط بأطوال موجية محددة. يمكن أن تكون هذه الأطوال الموجية المحددة مناسبة للحصول على عمر تلك الأحداث المحددة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مجموعة مختارة من الأطوال الموجية من أجل توفير التحقق من صحة نموذج ملاءمة عالمي محدد. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 10: تحديد معلمات الملاءمة الحركية المفردة. يمكن إصلاح معلمات الملاءمة الفردية أو تغييرها يدويا إذا رغبت في ذلك لضبط الملاءمة وتقليل الانحراف المعياري المتبقي. ملاحظة: يمكن ضبط المعلمات بسهولة من خلال النقر على القيمة الموجودة في المربع ثم الضبط باستخدام شريط تمرير أو كتابة قيمة يدويا. سيتم ضبط التركيب المعروض في الوقت الفعلي مع تغيير القيم. عند تحقيق ملاءمة مقبولة ، يمكن تصدير الملاءمة عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على شاشة الملاءمة ، مما يسمح بتصدير البيانات إلى الحافظة للصقها في البرنامج المطلوب أو كصورة للعرض السريع. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 11: يمكن تقييد وتثبيت قيم معلمات الملاءمة الحركية الفردية إذا كانت معلمة واحدة أو أكثر معروفة جيدا. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 12: نافذة تحليل القيمة المفردة مع المكونات الرئيسية توضح كيف سيبدو التتبع والمكونات عند إضافة مكونات رئيسية كافية. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 13: نافذة Global Fit قبل إنشاء ملاءمة التحليل العالمي. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 14: نافذة Global Fit تظهر نتائج تركيب التحليل العالمي. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 15: قائمة ملف لحفظ الملفات وتصديرها. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 16: أمثلة على تصحيح وتركيب الزقزقة دون المستوى الأمثل. (أ) يوضح ملاءمة حركة واحدة ضعيفة. يشير نوع المتبقي المنظم الموضح في اللوحة A عادة إلى أن هناك حاجة إلى عمر إضافي لتناسب البيانات. لاحظ أن المتبقي ينخفض إلى ما دون الصفر في أوقات أقصر ويرتفع فوق خط الصفر في فترات حياة أطول. (B) يوضح تصحيح الزقزقة الصحيح باستخدام زر المعاينة، حيث يتم تقويم المعالم ولا يوجد انحناء في البيانات. (ج) يوضح تصحيح زقزقة غير صحيح، حيث يوجد انحناء ملحوظ في الجزء الأزرق من الطيف، مما يشير إلى أن دالة الزقزقة تفرط في التصحيح في هذه المنطقة. (د) يعرض ملاءمة تحليل العمر العالمي الضعيف الذي أدى فيه الإفراط في التجهيز (بما في ذلك الكثير من المعلمات) إلى DADS "متماثل" (يشبه صور معكوسة لبعضها البعض عبر المحور السيني) لنطاقات عمر متشابهة تلغي بعضها البعض بشكل أساسي. عند ملاحظة هذه الميزات ، لا ينبغي استخدام الملاءمة. (ه) يعرض ملاءمة عالمية ضعيفة أدت فيها العديد من المعلمات إلى عمر قصير جدا بسعة كبيرة جدا. قد تظهر المشكلة الموجودة في (E) أيضا إذا لم يتم تصحيح القطع الأثرية حول الوقت صفر بشكل صحيح وأصبح التركيب يركز على تقليل المتبقي من خلال المبالغة في التأكيد على العمر القصير جدا (العمر غير ذي المعنى المادي). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 17: مثال على بيانات TAS مع تشتت رامان. التشتت موجود في وقت قريب من الصفر ، ويتزامن مع الطول الموجي لإثارة المضخة. يتكون التشتت من سلسلة من القمم الحادة مع ذروة زرقاء موجبة شديدة للغاية لإثارة المضخة وذروة حمراء سلبية لإثارة المضخة. لا يمكن منع هذه الميزة بشكل معقول ويجب اقتصاصها من البيانات لتجنب التدخل في نتائج التركيب. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 1: الملف الذي يحتوي على مجموعة البيانات لهذا البرنامج التعليمي (POPOP data_POPOP-inEtOH.ufs). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: ملف يحتوي على مجموعة بيانات فارغة لهذا البرنامج التعليمي (POPOP data_BLANK.ufs). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 3: ملفات المعلومات الداعمة التي تحتوي على تعليقات إضافية حول استجابة المذيبات المناسبة ، وتصحيح التقطيع ، وطرح الأسطح. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

اعتبارات عامة لإعداد البيانات
قد يبدو تركيب بيانات TA للوهلة الأولى واضحا نسبيا ، وقد يكون من المتوقع أن ينتج عن "إجابة" واحدة صحيحة واضحة لمجموعة بيانات معينة. ومع ذلك ، كما هو موضح في البروتوكول ، هناك العديد من العوامل في الحصول على البيانات وإعداد البيانات وتحليل البيانات التي يجب مراعاتها بعناية والتي يمكن أن تؤدي إلى عدم اليقين بشأن النموذج أو مجموعة المعلمات المناسبة التي تصف البيانات بشكل أفضل. الهدف من إعداد البيانات وتركيبها هو تقليل أكبر عدد ممكن من هذه العوامل الخارجية ، مع الحفاظ على البيانات للتحليل. قد تبدو المهمة المطروحة شاقة للمبتدئين ، حيث يوجد الكثير مما يجب مراعاته. لبناء الحدس حول عملية التركيب ، يتم تشجيع المبتدئين على محاولة إعداد نفس البيانات عدة مرات من البداية بطرق مختلفة قليلا للتحقق من مدى تأثير خطوات إعداد البيانات بشكل كبير على الأنسب. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لباحثين مختلفين إعداد نفس البيانات وملاءمتها ومقارنة النتائج. قد تستغرق هذه العملية وقتا طويلا في المرات الأولى ، ومع ذلك ، فإن القيام بذلك سيسمح للمبتدئين بتطوير الحدس حول كيفية إعداد البيانات باستمرار للعينات المستقبلية. مثل أي مهارة ، سيستغرق إعداد البيانات وتركيبها وقتا لتطويرها ، ويتم تشجيع المبتدئين على التحلي بالصبر والانضباط عند تجربة العملية وتعلمها. يتم توفير مجموعة البيانات المستخدمة في هذه الدراسة لإعطاء المبتدئين الفرصة لتتناسب مباشرة مع البرنامج التعليمي ، ومقارنة النتائج مباشرة مع تلك المنتجة في البرنامج التعليمي.

قد تحتوي البيانات على ميزات خلفية موجودة في جميع أوقات التأخير (الشكل التكميلي 2 والشكل التكميلي 3) مثل تشتت حزمة المضخة والانبعاث التلقائي للعينة. يجب إزالة هذه الميزات غير المرغوب فيها من أجل عزل إشارة الامتصاص العابرة عن الأنواع ذات الأهمية¹¹. تتم إزالة هذه الميزات عن طريق اختيار ومتوسط وإزالة مساهمة عدد من أطياف فرق التوقيت السلبي. عند تحديد أطياف الخلفية ، من المهم التأكد من عدم تضمين أي ميزات قد تكون جزءا من عملية الاهتمام للإزالة. يمكن أيضا ملاحظة ميزات الخلفية الناشئة عن المذيب ، مثل الامتصاص من الشوائب أو المذيب نفسه ، في بيانات TA. عندما ينتج المذيب إشارة، يجب طرح مجموعة بيانات "فارغة" تحتوي على المذيب فقط في ظل نفس الظروف التجريبية بالضبط مثل العينة من مجموعة بيانات العينة. وترد تفاصيل هذا الإجراء في الملف التكميلي 3.

تصحيح الزقزقة هو عامل آخر يجب مراعاته بعناية. يحدث الزقزقة عندما تنتقل نبضة المسبار إلى العينة وتتسع بسبب عيوب في مرايا التوجيه أو عن طريق المرور عبر البصريات المشتتة مثل العدسات أو المرشحات. والنتيجة النهائية هي أن الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة في نبضة المسبار (أي الجانب الأحمر من طيف المسبار) تصل إلى العينة قبل الفوتونات ذات الطاقة الأعلى (أي الجانب الأزرق من طيف المسبار). ينتج عن هذا تلطيخ "الوقت صفر" لأطياف TA على مدى عدة فيمتو ثانية أو بيكو ثانية¹⁸ ، والذي يظهر كمنحنى مميز في مجموعة البيانات الأولية يبدأ في الأطوال الموجية الزرقاء ثم يتسطح مع اقترابه من اللون الأحمر (الشكل التكميلي 7). يكون الزقزقة أكثر وضوحا في المقاييس الزمنية الأقصر مثل تلك التي يتم الوصول إليها بواسطة TA فائق السرعة. يمكن تصحيح هذا الوقت المعتمد على الطول الموجي صفر كما هو موضح في البروتوكول ، ولكن تطبيق هذه العملية يمكن أن يكون صعبا وذاتيا. يمكن أن يؤدي وجود عينة "فارغة" أو قياس استجابة كير للمذيب إلى تقليل الطبيعة الذاتية لنقاط الانتقاء اليدوي لتصحيح الزقزقة اللازم لتوليد ملاءمة كثيرة الحدود المستخدمة لضبط وتصحيح الزقزقة. الهدف من تصحيح الزقزقة هو إزالة "المنحنى" المميز للوقت صفر. قد يستغرق الأمر عدة محاولات لتركيب الزقزقة للحصول على أفضل البيانات المصححة للزقزقة. يمكن أن تكون البيانات مناسبة عدة مرات مع تطبيق تصحيحات زقزقة مختلفة من أجل فهم تأثير تصحيح الزقزقة على قيم عمر TA القصير.

القطع الأثرية التي تظهر في "الوقت صفر"
يمكن ملاحظة العديد من القطع الأثرية بالقرب من "الوقت صفر" في بيانات TA ، بما في ذلك تشتت رايلي ، وتشتت رامان المحفز والتعديل عبر الطور. تشتت رايلي لشعاع المضخة هو تشتت مرن ينتج دون تغيير في الطاقة. ستظهر هذه الميزة بنفس الطول الموجي لنبضة المضخة. قد يصاحب تشتت رامان المحفز إشارة تشتت المضخة¹⁹. ينتج تشتت رامان ، الناتج عن التشتت غير المرن لفوتون المضخة ، قمم عند طاقة أعلى (مضادة للستوكس) وأقل (ستوكس) من طاقة المضخة الساقطة. في بيانات TA ، لوحظ تشتت رامان المحفز بسبب التشعيع المتزامن للعينة باستخدام المضخة وحزم المسبار. عندما يتفاعل شعاع المسبار مع العينة في نفس الوقت الذي يتفاعل فيه شعاع المضخة ، فإنه يحفز عملية رامان. لذلك ، يحدث تشتت رامان المحفز حول الوقت صفر وينتج عنه قمم إضافية في الأطياف خلال بضع مئات من الفيمتو ثانية الأولى (الشكل 6 ، لوحظ في الطيف الأزرق الداكن في المنطقة المميزة والشكل التكميلي 17). ينشأ التعديل عبر الطور من تعديل معامل انكسار المذيب من التفاعل مع المجال الكهربائي المكثف للنبضة.

يمكن تمييز تشتت رامان المحفز عن التشكيل عبر الطور لأن قمم رامان تظهر عند ترددات محددة تتوافق مع الأنماط الاهتزازية للمذيب. نظرا لأنها عملية رامان ، يمكن ملاحظة كل من خطوط ستوكس وخطوط مكافحة ستوكس على جانبي الإثارة. تظهر المذيبات المكلورة مثل كلوريد الميثيلين نطاقات رامان بارزة جدا بسبب الاستقطاب الكبير للكلور. تعتبر التوقيعات الطيفية للتشكيل عبر الطور فريدة من نوعها بالنسبة للمذيب ولكن لا يمكن التنبؤ بها بسهولة مثل ميزات تشتت رامان.

اعتمادا على حركية العينة التي يتم قياسها ، قد يتداخل تشتت رايلي وتشتت رامان والتعديل عبر الطور مع الميزات المبكرة لبيانات TA ويمكن أن يكون من الصعب إزالتها من البيانات. من حيث المبدأ ، يمكن رؤية هذه الميزات في قياس مذيب أنيق وطرحها من البيانات ، وقد يكون لبرامج تحليل البيانات وظائف مناسبة لحساب هذه الميزات ، ولكن من الناحية العملية ، قد يكون هذا صعبا. عندما يكون من الصعب جدا طرح هذه القطع الأثرية دون المساس ببيانات العينة ، فقد يكون من الأفضل اقتصاص الأطياف المخترقة حول الوقت صفر لإزالة القطع الأثرية. سيؤدي القيام بذلك إلى التأثير الجانبي المؤسف المتمثل في إزالة أول 300 fs تقريبا من البيانات ولكنه سيجعل التركيب أكثر موثوقية لاحقا. على مدار تحليل مجموعات بيانات متعددة من نفس العينات وعينات مختلفة ، سيكتسب المبتدئ حدسا في تحقيق هذا التوازن بين طرح سطح الخلفية مقابل اقتصاص بيانات 100-200 fs الأولية.

قد يكون الاقتصاص العام ضروريا لأجزاء من الأطياف التي تحتوي على إشارة منخفضة إلى الضوضاء. عدم الاستقرار في شعاع المسبار في مناطق معينة ، وانخفاض كثافة ضوء المسبار ، وتركيزات العينة المرتفعة جدا (وبالتالي منع الكثير من مسبار الحادث) ، وكثافة المضخة المنخفضة ، والمقطع العرضي للامتصاص للعينة هي الجناة النموذجيون لانخفاض الإشارة إلى الضوضاء التي يمكن أن تجعل البيانات المناسبة صعبة. في هذه الحالات ، يمكن أن يساعد اقتصاص مجموعة البيانات على جانبي النافذة الضوئية من أجل تحقيق المستوى المطلوب من الإشارة إلى الضوضاء في عملية التركيب.

تكون مجموعة البيانات جاهزة للتحليل بمجرد اقتصاصها بشكل كاف لإزالة الأقسام الضعيفة من مجموعة البيانات ، وتصحيح الزقزقة ، وحساب متوسط أطياف الخلفية وطرحها. يجب أن ينتج عن هذا الإجراء بيانات تحتوي فقط على تلك الأجزاء الأكثر صلة بالفيزياء الضوئية والكيمياء الضوئية ذات الأهمية. في الواقع ، من الواضح أن هناك درجة من الذاتية لهذه العملية. الهدف من إعداد البيانات هو تحقيق توازن بين إزالة القطع الأثرية بحيث لا تزعج التركيب ، ولكن ليس لإزالة الكثير بحيث يضر بسلامة مجموعة البيانات ، وبالتالي يعيق تفسيرها. يستغرق إيجاد هذا التوازن وقتا وخبرة لبناء الحدس لما هو قطعة أثرية وما هي البيانات. يمكن أن يكون تركيب (وإعادة ملاءمة) نفس مجموعة البيانات في عدة أيام مختلفة ، أو وجود باحثين يتناسبان مع نفس البيانات ، وسيلة لتقليل الخطأ البشري وذاتية إعداد البيانات وتحليلها.

اعتبارات عامة للتركيب والتفسير
بعد معالجة أطياف TA الخام ، يجب تفسيرها ونمذجتها لاستخراج معلومات حول الأنواع والديناميكيات الموجودة في نظام الاهتمام. يمكن وصف هذه العملية بأنها إجراء من ثلاث خطوات يتضمن التفسير الطيفي الأولي ، والنمذجة / التركيب الكمي ، وتعيين التفسير الطيفي للنموذج / التركيب.

التفسير الطيفي الأولي: في خطوة التفسير الطيفي ، الهدف هو تعيين الميزات الموجودة في أطياف TA للحالات الإلكترونية التي يتم الوصول إليها في التطور الضوئي الفيزيائي أو الكيميائي الضوئي للنظام. للبدء ، ينبغي تحديد حالات مختلفة. في هذا العمل ، تشير الحالات إلى الحالات الإلكترونية الفريدة التي تشكل جزءا من التطور الضوئي أو الكيميائي الضوئي للنظام. تمتلك الحالة ، التي يمثلها ، على سبيل المثال ، منحنى طاقة محتمل محدد (PEC) ، مجموعة من القمم المميزة التي تمثل طيف امتصاصها. يسمى التغيير الذي يحدث داخل حالة واحدة عملية. قد تظهر العملية الفيزيائية الضوئية في أطياف TA كتحول ذروة أو تغيير في عرض الطيف. الجانب الرئيسي للعملية هو أن عدد سكان الولاية يبقى كما هو (أي أن العملية تحدث داخل PEC) معين) ؛ إن توزيع الطاقة داخل الدولة هو الذي يتغير. سيشار إلى التغيير في عدد سكان الدولة على أنه انتقال. أثناء الانتقال ، يتطور النظام إلى PEC آخر (أي الحالة الإلكترونية). قد تشمل التحولات التحويل الداخلي (IC) ، أو عبور الأنظمة البينية (ISC) ، أو نقل الشحن ، أو نقل الطاقة ، أو تكوين منتجات جديدة ، أو العودة إلى الحالة الأرضية. تتم مناقشة الإرشادات الخاصة بتعيين الحالات والعمليات والانتقالات في الفقرات التالية.

تعيين الدول
تتضمن الخطوة الأولى في هذه العملية تعيين ميزات طيفية لأنواع أو حالات كيميائية محددة. يجب أن تظهر حالة S₁ في TA عمرا يطابق عمر التألق المأخوذ باستخدام التحليل الطيفي للانبعاث الذي تم حله بمرور الوقت. يمكن التحقق من الحالة الثلاثية إذا تم إخماد عمرها بالأكسجين. في حالة الاشتباه في وجود أنيون جذري أو كاتيون في التطور الفيزيائي الضوئي ، يمكن إجراء الكيمياء الطيفية أو الأكسدة / الاختزال الكيميائي لتوليد الأنواع الجذرية ، ويمكن الحصول على طيف امتصاص لهذا النوع ومقارنته بشكل النطاق TA. يمكن إجراء التحليل الطيفي لرنين الدوران الإلكتروني (ESR) للتحقق من وجود الجذور الحرة. يقدم حديث تعليمي ممتاز يستضيفه قسم الكيمياء غير العضوية في ACS نظرة عامة على TA ومثل هذه الاعتبارات في تعيين الميزات²⁰. بعد تخصيص النطاقات للأنواع ، فإن الخطوة التالية في تفسير أطياف TA هي الوصف النوعي للعمليات الديناميكية التي تحدث في النظام. هذه الخطوة حيوية لأنها تعطي الباحث فكرة عن النماذج المناسبة لوصف نظامهم وستعطيهم خط أساس لمقارنة المعلمات المناسبة.

التغييرات داخل الدولة
التبريد الاهتزازي أو إعادة الترتيب الهندسي أو الذوبان هي عمليات سريعة للغاية (sub-ps إلى 10's ps) يمكن ملاحظتها باستخدام TA. لوحظ التبريد الاهتزازي على أنه تحول أزرق سريع لطيف TA على مقياس زمني عدة بيكو ثانية^21،22،23. يمكن أن تحدث إعادة الترتيب الهندسي على مقياس زمني 10 ps. لوحظت ديناميكيات الذوبان على أنها انزياح أحمر وتضييق الطيف على مدى عدة بيكو ثانية في السوائل ثنائية القطب التقليدية ، ولكن المذيبات عالية اللزوجة مثل الجلسرين والبولي إيثيلين جلايكول (PEG) والسوائل الأيونية والمذيبات سهلة الانصهار العميقة يمكن أن تظهر ديناميكيات الذوبان التي تحدث على مدار عدة نانوثانية^24،25،26.

التغييرات في سكان الولاية
تتميز التفاعلات بتغيير في شدة النطاق ، حيث يرتبط انخفاض الشدة بانخفاض تركيز أنواعها الكيميائية والعكس صحيح للزيادة. في بعض الحالات، يكون كل من المتفاعلات وأنواع النواتج مرئيا في الأطياف، بينما في حالات أخرى، تكون حالات النواتج قصيرة العمر جدا أو بعيدة جدا عن الانزياح الأحمر بحيث لا يمكن ملاحظتها. في كثير من الأحيان يمكن ملاحظة التحولات من دولة إلى أخرى من خلال وجود نقطة متساوية في الأطياف.

النمذجة الكمية / التركيب: يجب أن يكون النموذج مناسبا للبيانات من أجل استخراج معلومات كمية حول ديناميكيات النظام. كما هو موضح سابقا في المقدمة ، هناك مجموعة واسعة من النماذج للاستخدام. يركز هذا البروتوكول على طريقتين من أكثر الطرق شيوعا: تركيب الطول الموجي الفردي والتحليل العالمي. تتضمن طريقة الطول الموجي الفردي تركيب آثار الطول الموجي الفردية من الأطياف إلى شكل وظيفي ما ، وعادة ما يكون مجموع الأسي:

(2)

حيث ΔA (t) هي إشارة TA عند طول موجي مختار ، n هو عدد المكونات الأسية ، و _iهي سعة المكون الأسي ، i ، مع ثابت زمني τ_i. يمكن إضافة العديد من المكونات حتى يعيد الملاءمة إنتاج البيانات التجريبية. الهدف من أي عملية تركيب هو نمذجة البيانات باستخدام فترات حياة كافية لإعادة إنتاج البيانات بشكل جيد ، ولكن ليس الإفراط في ملاءمة البيانات من خلال تضمين الكثير من المكونات. ومن ثم ، يتم استخدام معلمات جودة الملاءمة المرجحة مثل ، للمساعدة في تحديد متى تكون البيانات مناسبة ضمن أوجه عدم اليقين التجريبية⁵.

بعد تركيب الاضمحلال بشكل مرض ، يمكن استخدام معلمات النموذج لتوصيف ديناميكيات النظام. يمكن بعد ذلك استخراج الثوابت الزمنية الناتجة وتفسيرها. لسوء الحظ ، فإن العدد الكبير من الميزات المتداخلة في أطياف TA يعني أن الطول الموجي الواحد في الطيف قد يحتوي على ديناميكيات مقابلة لأنواع مختلفة تتداخل توقيعاتها الطيفية ، مما يعني أن ثوابت الوقت المستخرجة من تناسب الطول الموجي الواحد قد تمثل مركبا من عمليات تزامن متعددة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أي تغييرات في شكل النطاق والموضع ستؤثر أيضا على السعات وثوابت الوقت المستخرجة من تركيب الطول الموجي الأحادي. يمكن التحايل على هذه المشكلات في بعض الحالات من خلال طريقة مناسبة تسمى "تحليل شكل النطاق" ، حيث يحدد المرء أو يفترض شكلا وظيفيا لنطاقات TA لكل نوع ممتص في النظام. ثم يتم ترجيح هذه الأشكال بسعات تعتمد على الوقت ويتم جمعها معا من أجل إعادة إنتاج الطيف المرصود. يستخدم هذا الإجراء بشكل شائع في تحليل أطياف التألق التي تم حلها بمرور الوقت ، ولكن الأشكال الأكثر تعقيدا والمكونات المتداخلة لنطاقات TA تجعل هذه الطريقة قابلة للاستمرار في حالات بسيطة قليلة فقط ، كما هو مفصل في مكان آخر¹⁰.

عيب آخر لتركيب الطول الموجي الفردي هو أنه لا يستفيد جوهريا من النطاق الطيفي الواسع الذي توفره تجارب TA الحديثة. يمكن للمرء ، من حيث المبدأ ، أن يتناسب بشكل منهجي مع كل طول موجي فردي من الأطياف ، لكن مثل هذا التحليل مرهق ويستغرق وقتا طويلا ومكلفا من الناحية الحسابية. لمكافحة هذا التحدي ، يمكن استخدام طريقة تسمى "التحليل العالمي" لملاءمة مجموعة كاملة من أطياف TA في وقت واحد مع مجموعة من المعلمات الديناميكية المشتركة⁴. يعد التحليل العالمي ، وطريقة وثيقة الصلة تسمى التحليل المستهدف ، طرقا ناجحة ومستخدمة على نطاق واسع ، ولكنها تأتي أيضا مع مجموعة فريدة من العيوب والقيود. كما هو الحال مع أي نموذج ، من الضروري فهم الافتراضات المستخدمة لإنشائه بالإضافة إلى القيود التي تقدمها.

في التحليل العالمي ، يتم تمثيل أطياف TA بواسطة مصفوفة m by n ، حيث يمثل m عدد الأطوال الموجية المقاسة في كل طيف ويمثل n عدد النقاط الزمنية التي تم جمعها. ثم يفترض أن تكون هذه المصفوفة قابلة للتحلل إلى حاصل ضرب مصفوفتين أخريين:

(3)

حيث C (t) هي مصفوفة n بواسطة k و S (λ) هي مصفوفة m بواسطة k. تمثل القيمة k عدد المكونات الطيفية المميزة المستخدمة لإعادة إنتاج الأطياف. يمثل كل مكون من هذه المكونات نوعا ممتصا له توقيع طيفي وديناميكيات فريدة. تمثل مصفوفة S (λ) أطياف TA لمكونات k و C (t) تركيزاتها المعتمدة على الوقت. في أبسط التطبيقات وأكثرها شيوعا للتحليل العالمي ، يفترض أن يكون لكل مكون حركية أسية واحدة (i = 1 في المعادلة 2 ، مع تعيين ثابت الوقت الخاص بكل مكون). باختصار ، يمكن تمثيل طيف TA الكامل بمجموع مكونات الأطياف k ، ولكل منها طيف امتصاص مميز واضمحلال أسي واحد.

عندما تكون أطياف TA مناسبة ، يخمن المستخدم عدد المكونات (أي قيمة k) المطلوبة ويخمن في ثابت الوقت المرتبط بالاضمحلال الأسي الفردي لتلك الأنواع. ثم يقوم المجرب بإنشاء C_guess (t) ويحل المعادلة 3 ل S_fit (t). بعد ذلك ، يتم ضرب S_fit (λ) و C_guess (t) كما في المعادلة 3 لإنشاء الأطياف المجهزة ، ΔA (λ ، t) _fit. أخيرا ، يتم تقليل البقايا ، ΔA (λ ، t) _exp - A (λ ، _{t) fit} ، ويتم إرجاع ثوابت S_{المناسبة} (λ) والثوابت الزمنية. إن البساطة النسبية للتحليل العالمي ، التي تمثل مجموعة كاملة من الأطياف باستخدام حفنة من الثوابت الزمنية والمكونات الطيفية الثابتة ، تجعلها طريقة جذابة (وناجحة) لفك تشابك أشكال النطاق المعقدة والديناميكيات التي تمت مواجهتها في التحليل الطيفي TA. ومع ذلك، يجب الحرص على ضمان أن يكون التحليل العالمي نموذجا مناسبا للنظام المطروح.

أحد الافتراضات الرئيسية في التحليل العالمي ، الموضح في المعادلة 3 ، هو الفصل الكامل بين أجزاء الطول الموجي والوقت من الديناميكيات ، وهي خاصية تسمى "bilinearity". يتطلب هذا الافتراض أن تكون أشكال النطاق الترددي للمكونات مستقلة زمنيا (أي أن لها شكلا طيفيا ثابتا لا يتغير أو يتغير مع مرور الوقت). الشيء الوحيد الذي يتغير أثناء التجربة هو السكان النسبيين لكل مكون ، ويمثله C (t). على نطاقات زمنية طويلة ، ~ 1 نانوثانية أو نحو ذلك ، عادة ما يكون هذا الافتراض صحيحا ويمكن استخدام التحليل العالمي دون قلق كبير. من ناحية أخرى ، تؤدي عمليات الحالة المثارة مثل ديناميكيات التبريد والذوبان الاهتزازية ، البارزة في المقاييس الزمنية فائقة السرعة التي يمكن الوصول إليها بواسطة الفيمتو ثانية TA ، إلى تغييرات تعتمد على الوقت في التوقيع الطيفي للنوع وانهيار الضعف. هذا لا يعني أن التحليل العالمي لا يمكنه إعادة إنتاج مجموعة بيانات ، في الواقع ، يمكنه دائما إنتاج ملاءمة مرضية بشرط استخدام عدد كاف من المكونات. تكمن المشكلة إذن في تفسير أطياف المكونات وتعيين ثوابت زمنية لعمليات معينة في الحالة المثارة ، حيث قد لا تتوافق المكونات مع الأنواع الممتصة المتميزة. لذلك ، يجب توخي الحذر دائما عند تطبيق التحليل العالمي على الحالات التي لا يمكن فيها افتراض الضعف.

تعيين التفسير الطيفي للنموذج / التركيب: بمجرد الحصول على ملاءمة ، يجب تعيين التفسير الطيفي على الأعمار التي تم الحصول عليها في الملاءمة. يتم تعيين الأعمار من الملاءمة لكل من العمليات والتفاعلات التي تم تحديدها في التفسير الأولي للأطياف. ومع ذلك ، فإن التقييم الأولي من الأطياف وعدد الأعمار المجهزة التي حصل عليها النموذج قد لا يتم تعيينها على الفور على بعضها البعض. في هذه الحالة (الشائعة!) ، يحتاج المجرب إلى العودة وتقييم التفسير الأولي. ربما كان هناك تبريد اهتزازي أو عملية أخرى تم تفويتها في التقييم الأولي ، ولكن تم تحديدها في عملية النمذجة والتركيب. أو ربما يمكن لمجموعتين مختلفتين من معلمات الملاءمة إعادة إنتاج البيانات بشكل جيد ويمكن للتفسير الأولي أن يوجه مجموعة معلمات الملاءمة التي يتم اختيارها. في هذه الخطوة الأخيرة ، يجب على المجرب أن يتنقل ذهابا وإيابا بين التفسير والتركيب للعثور على وصف يؤدي إلى تعيين فوتوفيزيائي معقول للأنواع وديناميكيات النظام. يمكن أيضا استكشاف برامج التركيب الأخرى التي تتضمن نماذج التركيب المتسلسلة ، مثل تحليل الهدف ، لاستكمال الملاءمة الناتجة عن التحليل العالمي وبرامج التركيب المقدمة في هذه المقالة⁴.

باختصار ، يناقش هذا البروتوكول إعداد وتركيب بيانات الامتصاص العابرة. والهدف منه هو تسليط الضوء على التحديات المرتبطة بالعملية والتعليق على طرق تجنب هذه التحديات أو التخفيف من حدتها بطريقة عملية. يمكن أن يكون ملاءمة بيانات TA ، مثل ملاءمة معظم البيانات التي تتم مواجهتها في المجالات التقنية ، أمرا صعبا ، وفي بعض الأحيان ، ذاتيا. لذلك ، فإن إدراك عملية البيانات وقيودها ، وإعداد البيانات ، والأدوات الرياضية المستخدمة لنمذجة البيانات وتعيين معنى لها أمر بالغ الأهمية. يجب على العلماء التعامل مع البيانات والنمذجة بعين ناقدة.

يمكن للمرء أن يحاول التخفيف من ذاتية نوباتهم. على سبيل المثال ، يمكن إعداد البيانات وملاءمتها من نقاط بداية مختلفة وفي أيام مختلفة لضمان إنتاج نفس الملاءمة. يمكن مقارنة البيانات المأخوذة في أيام مختلفة مع إعداد عينة مختلفة. يمكن للعديد من الباحثين احتواء نفس البيانات ومقارنة نتائجهم. بمرور الوقت ، يمكن للباحثين بناء حدس حول البيانات التي يحصلون عليها (بناء على تفاصيل الإعداد التجريبي والمعلمات التجريبية) التي ستسمح لهم بأن يكونوا أكثر ثقة في ملاءماتهم.

هناك الكثير لنتعلمه عن تركيب بيانات TA وتفاصيل النماذج التي تمت مناقشتها في هذه المقالة. يوصى بحماس بالعديد من مقالات المراجعة الممتازة التي تتعمق في هذا الموضوع^4،10،27. يهدف هذا البروتوكول إلى أن يكون مدخلا للمبتدئين في عملية التحليل والتركيب التي تحفز الاهتمام بفهم العملية بشكل أعمق.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
EtOH 200% Proof	Decon Laboratories Inc	CAS 64-17-5	Solvent used to prepare Sample
Helios transient absorption spectrometer	Ultrafast systems	https://ultrafast.systems/products/spectrometers-accessories/helios/	Transient absorption spectrometer
POPOP  1,4-Bis[2-(5-phenyloxazolyl)]benzene	Tokyo Chemical Industry	CAS 1806-34-4	Sample used for Examples
Surface Xplorer	Ultrafast systems	https://ultrafast.systems/products/spectrometers-accessories/surface-xplorer/	Fitting program