מבוא לעיבוד, התאמה ופירוש של נתוני קליטה ארעיים

Summary

פרוטוקול זה הוא הכניסה למתחילים לעיבוד, התאמה ופירוש ספקטרום בליעה חולף. המוקד של פרוטוקול זה הוא הכנת מערכי נתונים, והתאמה באמצעות קינטיקה של אורך גל יחיד וניתוח חיים גלובלי. נדונים אתגרים הקשורים לנתוני קליטה חולפים והתאמתם.

Abstract

ספקטרוסקופיית בליעה חולפת (TA) היא שיטה ספקטרוסקופית רבת עוצמה הניתנת לפתרון בזמן המשמשת למעקב אחר התפתחות תהליכי מצב מעורר באמצעות שינויים בספקטרום הבליעה של המערכת. יישומים מוקדמים של ת"א היו מוגבלים למעבדות מיוחדות, אך האבולוציה של מערכות מפתח מסחריות הפכה את הטכניקה לזמינה יותר ויותר לקבוצות מחקר ברחבי העולם. מערכות ת"א מודרניות מסוגלות לייצר מערכי נתונים גדולים ברזולוציה אנרגטית וזמנית גבוהה העשירים במידע פוטופיזי. עם זאת, עיבוד, התאמה ופירוש של ספקטרום TA יכולים להיות מאתגרים בשל המספר הגדול של תכונות מצב נרגש וממצאים אינסטרומנטליים. יש לשקול היטב גורמים רבים בעת איסוף, עיבוד והתאמה של נתוני ת"א על מנת להפחית את אי הוודאות לגבי איזה מודל או קבוצת פרמטרים מתאימים מתאר את הנתונים בצורה הטובה ביותר. מטרת הכנת הנתונים והתאמתם היא לצמצם כמה שיותר גורמים חיצוניים אלה תוך שמירה על הנתונים לניתוח. בשיטה זו, למתחילים מסופק פרוטוקול לעיבוד והכנת נתוני TA וכן מבוא קצר לתהליכי התאמה ומודלים נבחרים, במיוחד התאמת אורך גל יחיד וניתוח אורך חיים גלובלי. ניתנת פרשנות על מספר אתגרי הכנת נתונים נפוצים ושיטות להתמודד איתם, ולאחריה דיון באתגרים ובמגבלות של שיטות התאמה פשוטות אלה.

Introduction

ספקטרוסקופיית בליעה חולפת (TA) היא טכניקה ספקטרוסקופית פתורה בזמן המנטרת את האבולוציה של מינים מעוררי אור באמצעות שינויים תלויי זמן בספקטרום הבליעה שלהם בעקבות עירור עם פולס של אור. מכיוון ש-TA היא טכניקת ספיגה, ניתן לזהות אותות ספקטרוסקופיים הנובעים ממצבים שעוברים גם מעברים קרינתיים (כלומר, מצבים שבדרך כלל פולטים פוטון) וגם מעברים לא קרינתיים (מצבים שהם בדרך כלל לא פלואורסצנטיים ועוברים המרה פנימית, חצייה בין-מערכתית או השתתפות בתגובות פוטו-ריאקציה) והתפתחותם באה בעקבות ^1,2. בהתאם לפרטים של מקור העירור ושיטת האיתור, TA מאפשר גישה לקינטיקה מפמטו-שניות עד מעבר למיקרו-שניות ומה-UV לאינפרא-אדום הרחוק, מה שהופך אותו לכלי ספקטרוסקופי רב-תכליתי. המסחור של ספקטרומטרים של ת"א התקדם משמעותית בעשורים האחרונים, מה שהוביל לכך שלמעבדות ומתקנים נוספים יש גישה לטכניקה רבת עוצמה זו².

מערכות ת"א מודרניות מסוגלות לייצר מערכי נתונים גדולים ברזולוציה אנרגטית וזמנית גבוהה. מערכי הנתונים בדרך כלל לובשים צורה של מטריצה דו-ממדית של ערכי הפרשי העברה או בליעה כפונקציה של אורך גל ועיכוב זמן ביחס לפולס העירור. ניתן לראות במערך נתונים זה מפת חום דו-ממדית או מפה טופוגרפית תלת-ממדית. פרשנות נתונים אלה נעשתה מורכבת יותר ככל שהחוקרים שואפים לכלול את מערך הנתונים כולו בעת יצירת התאמות המתארות בצורה הטובה ביותר את מערכת האינטרסים שלהם³.

למרות שת"א יכול לכסות טווח רחב של אורכי גל וטווחי זמן, פרוטוקול זה מתמקד באחת מצורות⁴ הנגישות ביותר שלו: ספקטרוסקופיית פס רחב באזור הנראה UV המונעת על ידי לייזר פועם פמטו-שניות. סכמה ^5,6 של מכשיר כזה מוצגת באיור 1. הניסוי מתחיל בלקיחת פולס מהלייזר ופיצול לשני עותקים. עותק אחד של הדופק, שנקרא 'משאבה', משמש כדי לעורר את הדגימה. מכשיר כגון מגבר פרמטרי אופטי (OPA) משמש בדרך כלל כדי להפוך את פולס המשאבה לאורך גל העירור הרצוי ^5,7. העותק השני של הדופק, הנקרא 'גשוש', נכנס לשלב השהיה מכני, אשר יכול לשנות את זמן ההשהיה בין המשאבה לפעימות הבדיקה על ידי שינוי המרחק שהפולס עובר. לאחר מכן פולס הגשושית באורך גל יחיד הופך לרצף אור לבן באמצעות גביש ספיר או סידן פלואוריד (CaF₂)⁸. פולס האור הלבן מועבר דרך הדגימה, והספקטרום שלו נמדד באמצעות גלאי פס רחב כגון מצלמת CCD (Charge-coupled device). על ידי מדידת שינויים בספקטרום של פולס האור הלבן עם ובלי המשאבה, ניתן למדוד שינויים בספקטרום הבליעה של הדגימה המושרה על ידי המשאבה, ΔA(T). קוראים המעוניינים מופנים לסקירה שימושית זו⁹ לקבלת מידע נוסף על תהליך האיתור.

בכל הצורות של ספקטרוסקופיית TA, ספקטרום ΔA(t) מחושב על ידי לקיחת ההפרש בין בליעת מצב הקרקע,_גשושית A, לבין זו של המצב המעורר,_{משאבה+גשושית}, בעיכוב זמן נתון, t, בין שני הפולסים 2,5,9,10.

(1)

שימו לב_שבדיקה שקולה לספקטרום הבליעה של מצב יציב של הדגימה והיא בלתי תלויה בזמן; רזולוציית הזמן של הניסוי נובעת מההשהיה בין המשאבה לגשושית שנלכדה_{ב-A pump+probe}(t). סימולציה של הנתונים האלה מוצגת באיור 2A.

בניגוד לספקטרום בליעה במצב יציב, ספקטרום TA יכול להיות בעל תכונות חיוביות ושליליות כאחד בשל ההבדל שנלקח במשוואה 1. תכונות חיוביות הן תוצאה של מינים סופגים חדשים שנוצרו על ידי פולס המשאבה ויכולות לייצג מצבי כרומופור מעוררים, מצבי שלישייה, סידורים גיאומטריים, אפקטים של פתירה או תוצרי צילום של מצב מעורר³. הנחיות כלליות לזיהוי תכונות אלה ושיוכם למינים כימיים יוצגו בדיון. מאפיינים שליליים יכולים לנבוע מאקונומיקה של מצב קרקע (GSB) או מפליטה מגורה (SE) (איור 2B). ה- GSB נובע מאובדן אוכלוסיית מדינת הקרקע בעקבות ספיגת דופק המשאבה. מולקולות המקודמות למצב מעורר אינן נספגות עוד באותו אזור כמו מצב הקרקע שלהן; לכן, פחות מדופק הבדיקה נספג, וההבדל במשוואה 1 יכול להיות שלילי באזור זה. ה- GSB מאופיין באותה צורה ספקטרלית כמו זו של קליטת מצב הקרקע, אך עם סימן הפוך. אותות SE נובעים מפליטה של מין במצב מעורר המגורה על ידי פולס הגשושית³. פליטה ממינים אלה גורמת לכך שיותר אור מגיע לגלאי, וזה שווה ערך לבליעה נמוכה יותר באורכי גל אלה. לאות SE תהיה צורה ספקטרלית דומה לספקטרום הפליטה הספונטנית של המין, אך עם סימן שלילי ומשקל תדר שונה¹⁰.

בנוסף למידע על מינים בעלי מצב מעורר, ספקטרום TA יכול להכיל מספר ממצאים ותכונות חיצוניות שיכולים לעוות את הדינמיקה הבסיסית ולטשטש את הקצאת פסי הבליעה¹¹. טיפול לא נכון בממצאים אלה בהכנת הנתונים ובניתוחם עלול להוביל ליישום מודלים פוטופיזיים בלתי הולמים על הנתונים, וכתוצאה מכך למסקנות מטעות¹¹. לכן, החלק הראשון של פרוטוקול זה מתמקד כיצד לעבד כראוי מערכי נתונים של TA לאחר איסופם. מטרת חלק זה היא לספק לחוקרים חדשים בת"א סדרה של קווים מנחים שיסייעו לפתח אינטואיציה והערכה להכנה ועיבוד קפדניים של הנתונים שלהם.

לאחר עיבוד מערך הנתונים, שפע של כלים ומודלים זמינים להתאמה ופירוש של הספקטרום ברמות שונות של מורכבות וקפדנות¹⁰. מטרת החלק השני של פרוטוקול זה היא להכין את הקורא ליישם התאמה של אורך גל יחיד וניתוח גלובלי לנתונים ולספק הדרכה מתי מודלים אלה מתאימים לתיאור הנתונים שלהם. תוכנה מסחרית זמינה כעת להכנה וטיפול בנתוני TA, כגון Surface Xplorer^12,13 ממערכות Ultrafast (להורדה ולשימוש בחינם, ראה טבלת חומרים). חלופות חינמיות אחרות שוחררו על ידי חוקרים אקדמיים, כגון גלוטרן¹⁴. Glotaran היא תוכנה חופשית שפותחה לניתוח גלובלי וממוקד של ספקטרוסקופיה ונתוני מיקרוסקופיה שנפתרו בזמן. הוא משמש כממשק משתמש גרפי (GUI) עבור חבילת R TIMP¹⁴. בנוסף, משתמשים יכולים להשתמש בשפות תכנות כמו Python כדי לכתוב קודים משלהם המבצעים את הניתוח. לכל אחד מפתרונות התוכנה והתכנות המתאימים הללו יש תכונות חיוביות שהופכות אותם לתרומות חשובות. לצורך מחקר זה, אנו יכולים להציג רק תוכנה אחת עבור המרכיב החזותי של פעילות זו. דיון מעמיק בכל אחת מהתוכנות המתאימות חורג מתחום מאמר זה.

מאמר זה מספק הליך שלב אחר שלב עבור (1) עיבוד נתוני TA, (2) התאמת נתוני TA באמצעות קינטיקה באורך גל יחיד וניתוח גלובלי, ו-(3) חילוץ נתונים והתאמתם למודלים אחרים. נכללת קבוצה של נתוני ת"א מייצגים לשימוש הקורא כפרקטיקה (קובץ משלים 1 וקובץ משלים 2). הנתונים הם מדידה של דגימה של 165 מיקרומטר של 1, 4-bis(5-phenyloxazole-2-yl)benzene (POPOP) באתנול הנרגש ב 330 ננומטר ונאסף בטווח של -5 ps עד 5.5 ns. בנוסף, דגימה "ריקה" המכילה אתנול בלבד ולא נאספה דגימה באותם תנאי ניסוי בטווח של -5 ps עד 5 ps, המשמשת להכנת הנתונים להתאמה (שלב 1). הספקטרום נאסף באמצעות ספקטרומטר בליעה חולפת מהיר במיוחד. הדגימה נכללה בקובט באורך מסלול של 2 מ"מ והייתה נתונה לערבוב מתמיד. הליך העיבוד וההתאמה המתואר מבוסס על תוכנת Surface Xplorer המתאימה לנתונים בתבנית *.ufs, ואשר תיקרא להלן "תוכנית ההתאמה". תוכניות להמרת ערכות נתונים בפורמטים אחרים לקבצי *.ufs זמינות¹⁵. למרות שהפרטים של פרוטוקול זה ספציפיים ל- Surface Xplorer, השלבים הבאים ניתנים להכללה לכל חבילת תוכנה, מסחרית או ביתית. בנוסף, ניתן לחלץ את תוצאות עיבוד הנתונים ולהתאים אותן באמצעות חבילות תוכנה אחרות אלה. קובץ מידע תומך (קובץ משלים 3) מספק עצות נוספות לגבי התאמה.

Protocol

1. הכנת נתונים להתאמה

1. טען את ערכת הנתונים SAMPLE לתוכנת Fitting. הנתונים יופיעו כפי שמוצג בתרשים משלים 1.
2. כאשר אור עירור מפוזר נמצא בחלון הזיהוי האופטי של הניסוי, השתמש באפשרות הפחתת אור מפוזר (איור משלים 2). אם אין נורית עירור מפוזרת בנתונים, המשך לשלב 1.5.
   הערה: אור מפוזר נצפה לרוב כאשר אורך גל העירור נופל בתוך החלון האופטי. אור מפוזר מופיע כתכונה שלילית חדה (אקונומיקה) באורך גל העירור (או סדר עקיפה כלשהו, או אורך גל המיוצר ב- OPA) שאינו משתנה עם הזמן.
3. לחצו על התפריט 'משטח ' ולאחר מכן לחצו על האפשרות 'הפחת אור מפוזר' (איור משלים 2). יופיע חלון חדש.
4. בחלון החדש, לחץ על לחצני החצים כדי להגדיר את מספר ספקטרום הרקע לממוצע (איור משלים 3) כדי לבצע תיקון רקע. שימוש בעשר ספקטרום מספק נקודת התחלה טובה וניתן לכוונן את המספר לפי הצורך. לחץ על קבל כדי לבצע את החיסור (המשך לשלב 1.7).
   הערה: ספקטרום רקע נמשך מהספקטרום הראשון הקיים במערך הנתונים ולאחר מכן נע קדימה באופן זמני תוך שימוש בספקטרום רקע רב ככל הנדרש כדי לספק ממוצע של אות הרקע; עם זאת, שימוש ביותר מדי יתחיל להשתמש בספקטרום המכיל את אות העניין ולכן אל תשתמש ביותר מדי. עם נתונים של חלון זמן ארוך, ייתכן שתכונת הפיזור לא תופיע בסוף חלון הזמן של הנתונים. מצב זה עשוי להתרחש אם חלון הזמן חורג מזמן שילוב המצלמה, או מסיבות אחרות, בהתאם לאופן שבו בנוי ניסוי ת"א. כדי לתקן זאת, ניתן להשתמש באפשרות טווח הזמן המוגדר כמתואר בקובץ משלים 3.
5. עבור נתונים שבהם אין אור מפוזר בחלון האופטי, לחץ על תפריט פני השטח ולאחר מכן לחץ על האפשרות הפחת רקע .
6. בחלון שמופיע, לחץ על לחצני החצים בפינה השמאלית התחתונה עבור "מספר ספקטרה" לממוצע (בחר 10), ולחץ על קבל.
   הערה: ספקטרום הרקע באפשרות זו פועל בדיוק כפי שהוא פועל באפשרות "הפחת אור מפוזר". התחלה עם עשר ספקטרום מספקת ממוצע טוב. ניתן להשתמש ביותר ספקטרה, אך יש להיזהר שלא להשתמש בספקטרום רב מדי כדי להימנע מהכללת ספקטרום המכיל אותות מעניינים. המדריך למשתמש עבור Surface Xplorer מתאר את ההבדלים בתיקון שהוחל עבור "הפחת אור מפוזר" לעומת התיקון הבסיסי יותר של "חיסור רקע". חשוב ליישם את התיקון המתאים לחפץ¹⁶.
7. לנתונים הסמוכים לקצוות החלון האופטי עשוי להיות יחס אות לרעש נמוך מאוד כתוצאה מצורת ספקטרום הגשושית ו/או הדגימה הבולעת יותר מדי מהאור הלבן. נתונים רועשים באזורים אלה מקשים על הניתוח. הסר חלקים לא מועילים אלה של הספקטרום. לחץ על אורכי הגל הסופיים בספקטרום (אריח שמאלי תחתון), הקלד ערכים חדשים (איור משלים 4) ולחץ על Enter. בחר טווח אורכי גל המסיר את הנתונים הרועשים בקצות החלון. עבור הנתונים שסופקו, טווח הוא 340-680 ננומטר.
8. לסיים את התאמת החלון הספקטרלי לטווח הרצוי של אורכי הגל. לחץ על תפריט Surface ולאחר מכן לחץ על חיתוך (איור משלים 5). יופיע חלון מוקפץ.
   1. לחץ על אישור. לחץ על תפריט קובץ ולאחר מכן לחץ על שמור קובץ בשם. לאחר מכן, לחץ על אישור. סגור ערכת נתונים זו.
      הערה: היזהר בעת החיתוך, מכיוון שהפונקציה תחתוך נתונים לאורך צירי אורך הגל והשהיית הזמן, ותמחק את כל הנתונים האחרים. ודא שחלון השהיית הזמן מכיל את החלק של הנתונים שיש לשמור. כמו כן, מומלץ מאוד לשמור את כל הנתונים שנחתכו כקובץ חדש עם תווית מתאימה כדי להשאיר את משטח הנתונים הגולמיים שלם כגיבוי.
9. עבור נתונים שנאספו בסקאלות הזמן fs או ps, יש להחיל תיקון ציוץ. פתח את משטח הנתונים כאשר רק הממס או המצע (ללא דגימה) נלקחו באותו מערך ניסויי כמו הנתונים. דגימה זו נקראת ריצת ניסוי "ריקה". בצע את אותה קבוצת שלבים בנתונים "ריקים" (משלב 1.2 עד שלב 1.8) שבוצעו בנתונים לדוגמה.
   הערה: מומלץ מאוד שניסוי "ריק" כזה יופעל באותם תנאים כמו הדגימה אך עם חלון זמן קצר יותר (לדוגמה, ~ −5 ps עד 5 ps) כדי להבטיח מספר גבוה של נקודות סביב זמן אפס. ריצה "ריקה" זו צריכה להיות מורכבת רק מממס או מצע, בהתאם לסוג המדגם, ומשמשת לקביעת עקמומיות הציוץ. הכנת "ריק" עד לנקודה זו צריכה לעקוב אחר אותו תיקון רקע וחיתוך כמו נתוני המדגם. אם "ריק" לא הופעל, תיקון הציוץ יכול להיעשות ישירות על ערכת הנתונים.
10. התחל את תהליך תיקון הציוץ. באריח מפת החום (למעלה משמאל), לחץ על הכוונת וגרור את רכיב הקו האנכי לקצה הכחול של הספקטרום. התחל בתחום אורכי הגל הכחולים בסמוך לתחילת החלון הספקטרלי. לחץ על תפריט Kinetics ולאחר מכן לחץ על Fit Solvent Response.
    הערה: יש לבצע תגובת התאמה לממס רק על דגימה "ריקה" שאינה מפיקה אות מעבר לאפס זמן. ניסיון להחיל פונקציית התאמה זו על מערך נתונים המכיל נתונים על מולקולה או חומר מעניין יגרום לתוכנית לנסות להתאים את הנתונים במקום IRF (פונקציית תגובת מכשיר). עבור דגימות "ריקות", האות היחיד הקיים צריך להיות חפץ קוהרנטי הנובע מאפנון חוצה פאזות. אפנון חוצה פאזות מתרחש רק כאשר קורות המשאבה והגשושית חופפות, ולכן מספק עקבות של עקמומיות הציוץ שניתן להתאים באמצעות האפשרות "התאמת תגובת ממס". הצבה ידנית של נקודות תידרש עבור נתונים ללא "ריק" נלווה לשימוש לתיקון והם מתוארים ביתר פירוט בקובץ משלים 3.
11. נפתח חלון חדש של "התאמת תגובת ממס". לחצו על כפתור ההתאמה (איור משלים 6). ההתאמה תיצור התאמה לפונקציית תגובת המכשיר באמצעות הנגזרות הראשונה והשנייה של גאוס. לחץ על כפתור שמור ולאחר מכן לחץ על x כדי לסגור את המסך.
    הערה: הקו האדום צריך להתאים היטב לנקודות הנתונים (ריבועים חלולים כחולים) לאורך כל טווח הזמן, והכי חשוב התכונה הגדולה שנראית ליד זמן אפס (0.1-2.0 ps). ההתאמה תהיה ההצלחה הגדולה ביותר אם יש מספר גבוה של נקודות סביב זמן אפס, אשר ניתן להשיג על ידי שימוש בחלון עיכוב זמן קצר עבור הניסוי "ריק" ושמירה על מספר רב של נקודות. אם נראה שההתאמה אינה תואמת היטב לנקודות הנתונים, סמן את התיבה "הוסף את גאוסיאן (R0)" ונסה שוב את ההתאמה. אפשרות זו תוסיף סכום של גאוס לנגזרת הראשונה והשנייה ועשויה להתאים טוב יותר לצורת תכונת IRF באורך גל זה. אם התאמת תגובת הממס עדיין אינה מצליחה ללכוד את אות ה-IRF, בחר אורך גל אחר.
12. בצע תהליך זה (שלבים 1.10-1.11) לפחות חמש פעמים, מכיוון שיידרשו חמש נקודות כדי לתקן כראוי עבור ציוץ. יש לרווח את הנקודות על פני כל החלון הספקטרלי במידת האפשר. חלק מהממסים/מצעים עשויים שלא ליצור אות נצפה בחלקים של החלון הספקטרלי, בהתאם לתנאי הניסוי. ניתן להוסיף / להשתמש בנקודות נוספות לפי הצורך כדי לייצר התאמה מקובלת. לאחר שתסיים, סגור את ערכת הנתונים "ריקה".
    הערה: כל נקודה שנשמרה נכתבת בקובץ Excel בתיקיית העבודה כשורה חדשה ברגע שהמשתמש לוחץ על שמור. אם נשמרת נקודה לא רצויה, ניתן להסיר את הנקודה מקובץ Excel על-ידי מחיקת שורת הנקודה הלא רצויה.
13. פתח מחדש את ערכת הנתונים שנחתכה והרקע שהוחסר. לחץ על תפריט Surface ולאחר מכן לחץ על האפשרות תיקון ציוץ . זה יעלה מסך חדש עם שלושה חלונות ותפריט בפינה השמאלית התחתונה (איור משלים 7).
14. הוסף את תיקון הציוץ שנוצר זה עתה. לחץ על הוסף מקובץ אופציה, בחר את קובץ Excel המסתיים ב"מקדמי התאמה" ולחץ על אישור. התאמת תיקון הציוץ מוצגת כעת בחלון השמאלי העליון כקו שחור עם סמני X (איור משלים 8).
    הערה: תיקון הציוץ מוצג כקו מלא; סמני X לאורך הקו הם הנקודות הנוצרות מתהליך תגובת הממס המתאים. ניתן להוסיף נקודות באופן ידני על ידי התאמת הכוונת ולחיצה על הוסף. ניתן גם להסיר נקודות על ידי הדגשתן ולחיצה על הסר. ניתן לערוך נקודות נוספות ביד על ידי הקלדת ערכים ברשימה בפינה השמאלית התחתונה. לבסוף, אם תרצה, ניתן לשמור את התיקון הנוכחי גם כקובץ לשימוש חוזר מאוחר יותר באמצעות הלחצן שמור לקובץ .
15. לחץ על תצוגה מקדימה של תיקון ציוץ לחצן. פעולה זו מחילה באופן זמני את תיקון הציוץ. שימו לב לתיקון בחלון השמאלי העליון כדי לוודא שהנתונים שוטחו באופן זמני ולא ניתן להבחין בעקמומיות נוספת.
    1. אם אתה מרוצה מתיקון הציוץ, לחץ על הלחצן החל ויציאה . אם אינך מרוצה, חזור על שלבים 1.10-1.14, ובחר אורכי גל נוספים (או שונים) להתאמת תיקון הציוץ עד לקבלת תיקון משביע רצון.
       הערה: החלת תיקון הציוץ תתאים את זמן האפס לקו המיושר כפי שהוא מופיע בתצוגה המקדימה. ייתכן שיש אי התאמה זמנית בין ה"ריק" לבין משטח הנתונים.
16. לחץ על תפריט קובץ ולאחר מכן לחץ על שמור קובץ בשם. הקלד שם מתאים לקובץ כדי לציין שהוחל תיקון ציוץ. לאחר מכן, לחץ על אישור.
17. ייתכן שתכונות פיזור מסוימות בנתונים לא יוסרו לחלוטין בעת ביצוע החיסור ברקע. תכונות אלה משפיעות על ההתאמה ומייצרות תוצאות התאמה שגויות. אתר תכונות כאלה בנתונים שיש להסיר. ניתן לזהות את תכונת הפיזור בקלות הרבה ביותר באזור הזמן השלילי.
    1. באריח מפת החום הימנית העליונה, לחצו וגררו את הצלב הדק לאזור הזמן השלילי. הישארות באזור הזמן השלילי, השתמש בכוונת כדי לקבוע את אורכי הגל שבהם תכונת הפיזור מתחילה ומסתיימת. שים לב לטווח אורכי הגל של תכונת הפיזור (עבור ערכת הנתונים שסופקה, טווח התכונות הוא 654 ננומטר עד 672 ננומטר).
       הערה: בעת קביעה אם יש להסיר תכונה, גרור את הכוונת האופקית למעלה ולמטה דרך צירי הזמן כדי להציג באופן חזותי את הטווח הספקטרלי של התכונה. לתכונות פיזור יש בדרך כלל עקבות קינטיות רועשות מאוד באורך גל יחיד, כך שניתן לאמת את הטווח הספקטרלי של התכונה גם באמצעות העקבות הקינטיים.
18. החל מאורך הגל התחתון (הכחול) (כלומר, 654 ננומטר), לחץ על אורך הגל הימני בספקטרום (אריח שמאלי תחתון) והקלד את הערך של מידת התכונה התחתונה (כחולה).
19. חתוך את הנתונים על ידי לחיצה על תפריט פני השטח ולאחר מכן לחץ על חיתוך. לחץ על אישור בתפריט הקופץ. שמור את הנתונים שנחתכו בשם קובץ ייחודי כדי לציין באיזה צד של הנתונים מדובר (מומלץ כחול או שמאל). סגור את הקובץ.
20. פתח את הקובץ עם תיקון הציוץ שהוחל שנשמר בשלב 1.16. המשך להיקף אורך הגל הגבוה יותר (אדום) של התכונה. לחץ על אורך הגל השמאלי בספקטרום (אריח שמאלי תחתון) והקלד את הערך של המידה הגבוהה יותר של התכונה.
21. חתוך את הנתונים על ידי לחיצה על תפריט פני השטח ולאחר מכן לחץ על חיתוך. לחץ על אישור בתפריט הקופץ. שמור את הנתונים שנחתכו בשם קובץ ייחודי כדי לציין באיזה צד של הנתונים מדובר (מומלץ אדום או ימין).
22. שלב את שני הקבצים על ידי לחיצה על קובץ בתפריט ולאחר מכן לחץ על שלב משטחים מרובים. בחלון החדש, בחר את שני הצדדים של הנתונים (כלומר, ימין ושמאל או כחול ואדום). השתמש ב- ctrl + click כדי לבחור כל קובץ. ודא ששני הקבצים נבחרו בתיבה "שם קובץ:" ולאחר מכן לחץ על אישור בפינה השמאלית התחתונה. כאשר מד ההתקדמות מסתיים, הנתונים שולבו.
    הערה: ניתן לשלב כל מספר של קבצים באופן זה. ניתן לתפור נתונים יחד על פני חיתוכים מרובים הן בצירי הזמן והן בצירי אורך הגל.
23. לחץ על תפריט קובץ , ולאחר מכן לחץ על שמור קובץ בשם ובחר שם קובץ ייחודי כדי לציין שהוא משולב (מומלץ משולב או מורכב). לאחר מכן, לחץ על אישור כדי לשמור את הקובץ.
    הערה: עיין בסעיף 3 לקבלת מידע אודות שמירת נתונים מחלון הנתונים הגולמיים לצורך הצגה והתווייה במועד מאוחר יותר. הנתונים במפת החום (האריח השמאלי העליון) אמורים להופיע כמו באיור 3 וכעת הם מוכנים להתאמה. הצגה חזותית של הספקטרום המייצג, כפי שמוצג באיור 3, מתוארת בשלב 3.1.2.

2. ביצוע התאמה

1. טען את משטח הנתונים שהוכן כראוי.
2. החליטו איזו התאמה תבוצע ועברו לחלק המתאים.
   הערה: פרוטוקול זה מציג שתי אפשרויות התאמת נתונים: שלב 2.3 מציג התאמת עקבות קינטית באורך גל יחיד, ושלב 2.4 מציג התאמת ניתוח גלובלית.
3. התאמת אורך גל יחיד
   1. כדי להגדיר התאמה קינטית יחידה, הזז את הסמן (באריחים השמאליים העליונים או התחתונים) לאורך הגל הרצוי. לחץ על תפריט Kinetics ולאחר מכן לחץ על Fit Kinetic. עבור ערכת הנתונים שסופקה, התחל עם 632 ננומטר.
   2. בחלון החדש שנפתח (איור משלים 9), שימו לב שפרמטרי ההתאמה העיקריים וערכי הזרעים מוגדרים בפינה השמאלית העליונה של החלון מתחת ללוגו התוכנית בתיבה שליד אזור זה תחת הטקסט "current fit @ wavelength".
   3. לחץ על לחצני החצים כדי להתאים את מספר תקופות החיים (כלומר, מספר הדעיכות המעריכיות המשמשות להתאמת הנתונים) בתיבה "תקופות חיים סופיות". עבור ערכת הנתונים שסופקה, בחר 2 תקופות חיים. תקופת חיים אחת עד 3 תקופות חיים אופיינית כנקודת התחלה.
   4. אם אות הנתונים משתרע מעבר לחלון הזמן שנאסף, יש לכלול רכיב "אינסופי" לכל החיים. לשם כך, לחץ על תיבת הסימון השתמש באורך חיים אינסופי . אם הנתונים דועכים במלואם לתוכנית הבסיסית, אל תסמן תיבה זו. עבור ערכת הנתונים שסופקה, אל תסמן את התיבה.
      הערה: "משך החיים האינסופי" מאפשר להיסט אות להישאר (כלומר, התוכנית לא תכריח את ההתאמה לדעוך בחזרה לקו הבסיס). השימוש ברכיב אינסופי נדרש כאשר האות באורך גל זה אינו דועך לקו הבסיס בטווח הזמן של הניסוי.
   5. הזן ערכי ניחוש עבור תקופות החיים והמשרעת המשויכת, זמן התגובה של המכשיר וזמן אפס כדי לסייע בתהליך ההתאמה (איור משלים 10). לחץ על הפרמטר הרצוי. לחץ בחלון הערך, הקלד ערך ניחוש ולאחר מכן לחץ על לחצן הניחוש הראשוני כדי להגדיר את הערך. עבור ערכת הנתונים שסופקה, ערכי הניחוש המתאימים הם: 0 = 0 ps, IRF = 0.25 ps, A1 = 0.6, t1 = 100 ps, A2 = 0.08, t2 = 1100 ps.
      הערה: "0" הוא האומדן של זמן אפס, "IRF" הוא זמן התגובה של המכשיר, "A" מתייחס למשרעת של מעריכי נתון (ראה משוואה 3), ו- "t" הוא קבוע החיים/זמן. מתן ערכי ניחוש טובים מסייע לתוכנית להשיג התאמה סבירה. בחר ערכי "A" הנמצאים בתוך הערכים של טווח A בערכת הנתונים. בחר ערכי "t" בטווחי זמן שבהם נצפה שינוי משמעותי בעקבות הקינטי. הדרך הטובה ביותר לקבל אינטואיציה לגבי האופן שבו ערכי ניחוש משפיעים על ההתאמה היא לנסות מספר קבוצות של ערכי ניחוש ולבחון את ההתאמות שהם מייצרים. אם אחד או יותר מהפרמטרים הללו ידועים, ניתן להגדיר ו"לתקן" פרמטר זה כך שלא ישתנה בהתאם להתאמה (איור משלים 11).
   6. כאשר כל פרמטרי הניחוש מוזנים, לחץ על כפתור התאמה . התאמה מייצגת מוצגת באיור 4.
      הערה: החלת ההתאמה תאכלס את תרשים הנתונים בקו ההתאמה ובתרשים שיורי שניתן להשתמש בו כדי להעריך את איכות ההתאמה. פרמטרי התאמה, כגון אורך החיים והמשרעת המשויכת, זמן אפס וזמן התגובה של המכשיר, מאוכלסים גם בתיבה השמאלית העליונה. השתמש במספר פרמטרי התאמה שונים כדי לקבוע את מספר תקופות החיים ואת ההכללה/אי-הכללה של רכיב זמן "אינסופי" המפיק את ההתאמה הטובה ביותר לנתונים.
   7. שמור את ההתאמה על ידי לחיצה על כפתור שמור (איור משלים 9).
      הערה: עיין בסעיף 3 לקבלת מידע אודות שמירת נתונים מחלון הנתונים הגולמיים לצורך הצגה והתווייה במועד מאוחר יותר.
4. התאמת ניתוח גלובלי
   1. לחץ על תפריט Surface ולאחר מכן לחץ על האפשרות רכיבים עיקריים באמצעות SVD . מופיע חלון חדש (איור משלים 12).
      הערה: החלון הימני העליון מציג את העקבות הקינטיים הראשיים, והשמאלי התחתון מציג את הספקטרום הראשי. האריח השמאלי העליון מציג תרשים של המשטח השיורי שנוצר בהפרש בין המשטח המקורי למשטח שנוצר על-ידי הרכיבים העיקריים שנבחרו.
   2. לחץ על כפתורי החצים כדי להגדיר את "מספר המרכיבים העיקריים" (תרשים משלים 12). עבור ערכת הנתונים שסופקה, בחר 15.
      הערה: כאשר מחליטים על מספר המרכיבים העיקריים שיש לבחור, דרך אחת היא להמשיך להגדיל את המספר עד שגם הספקטרום הראשי וגם העקבות הקינטיים העיקריים דומים לתבנית רעש. דרך נוספת לקבוע כמה רכיבים עיקריים לבחור היא על ידי התבוננות בערכי מקדם המשקל המופיעים משמאל למקרא באריח הימני העליון. המשך להוסיף רכיבים עיקריים עד שערך זה יגיע ל- 0.01. באופן כללי, רצוי להוסיף עוד כמה מעבר לכך ליתר ביטחון. הדבר עשוי לגרום לבחירת עד 15 רכיבים עיקריים או יותר.
   3. לחץ על להציל לחצן. רכיבים עיקריים שמורים נדרשים כדי להתקדם לשלב הבא.
      הערה: כל רכיב עיקרי הוא ייצוג סיבוכיות מופחתת של משטח הנתונים המקורי. שימוש ברכיבים עיקריים יביא למשטח פשוט יותר בהשוואה לנתונים הגולמיים המנותחים. חשבונאות עבור רוב התכונות העיקריות של משטח הנתונים חשובה מאוד לקבלת התאמה מדויקת, ולכן חשוב להשתמש במספיק רכיבים עיקריים כדי ללכוד תכונות אלה. שימוש ברכיבים עיקריים יותר לא יפגע בהתאמה. לכן, אם יש ספק לגבי כמה רכיבים עיקריים לבחור, השתמש ביותר רכיבים עיקריים ולא פחות. זכור ששימוש בתוכנות רבות מדי עלול להאט את תוכנת ההתאמה.
   4. לאחר שמירת הרכיבים העיקריים, התוכנית תחזור למסך הראשי וכעת ניתן לנסות התאמה גלובלית. לחץ על תפריט Surface ולאחר מכן לחץ על האפשרות התאמה גלובלית . ייפתח חלון חדש (תרשים משלים 13).
      הערה: עקבות קינטיות עיקריות מוצגות באריח הימני העליון. האריח השמאלי העליון יציג משטח של משטח ההתאמה בהשוואה למשטח הגולמי. האריח השמאלי התחתון יציג את ספקטרום ההפרשים הקשורים לדעיכה (DADS) שנוצר על-ידי ההתאמה. לבסוף, האריח הימני התחתון הוא המקום שבו ניתן להגדיר את פרמטרי ההתאמה, כולל מספר הפונקציות המעריכיות לשימוש ואם להשתמש בפונקציה אינסופית.
   5. השתמש בלחצני החצים לצד "מספר exp." כדי להגדיר את מספר הפונקציות המעריכיות שייכללו בהתאמה. אם אות הנתונים משתרע מעבר לחלון הזמן שנאסף, יש לכלול רכיב "אינסופי" לכל החיים. לשם כך, לחץ על תיבת הסימון השתמש בקיזוז (Ainf). עבור ערכת הנתונים שסופקה, בחר 2 ואל תלחץ על התיבה. אם הנתונים דועכים במלואם לתוכנית הבסיסית, אל תסמן תיבה זו.
      הערה: ניתן לתקן פרמטרים של התאמה לפני ביצוע התאמה על-ידי לחיצה על עמודת התווית בתיבה השמאלית התחתונה תחת מקדמי התאמה גלובליים. התווית תהפוך לאדומה ותשתנה כך שיהיה מחוון (קבוע) על התווית. כל ערך שיוקלד בתיבה מימין ישמש עבור פרמטר זה ולא ישתנה באופן חופשי עבור ההתאמה. יש להיזהר בעת קיבוע ערכים להתאמה, שכן הדבר עלול להטות את תוצאות ההתאמה.
   6. לחץ על כפתור התאם . התקדמות ההתאמה תוצג באמצעות פס טעינה קטן במרכז המסך. עם השלמת התקדמות ההתאמה, החלונות יאוכלסו בנתונים מההתאמה (איור 5 ותרשים משלים 14). בחן חזותית את התוצאות המתאימות.
      הערה: מידע הן מההתאמה הקינטית הראשית והן מ- DADS משמש כדי לקבוע אם כדאי לשמור את ההתאמה או שהיא גרועה מדי. בדרך כלל, אם ההתאמה של עקבות הקרן תואמת היטב את הנתונים, ואין או מעט מאוד תכונות בעלילה , ניתן לקבל את ההתאמה. קל לבדוק התאמות מרובות על ידי שינוי מספר תקופות החיים ו / או בדיקה / ביטול הסימון של כפתור "השתמש בקיזוז (Ainf)". יש לקבל את ההתאמה הטובה ביותר שהופקה לאחר בדיקת וריאציות מרובות של פרמטרי ההתאמה.
   7. לחץ על להציל לחצן. פעולה זו תשמור את ההתאמה המוצגת כעת יחד עם הנתונים בקובץ Excel.
      הערה: קובץ Excel נשמר באותו מיקום קובץ שבו נשמר ערכת הנתונים. אם מבוצעות התאמות נוספות ויש לשמור אותן, הן יחליפו כל גירסה קודמת. לכן, לפני יצירת ושמירה של התאמה חדשה, תן לכל התאמה ישנה שם ייחודי. פרמטרים שנשמרו מההתאמה כוללים רק את זמן אפס, IRF, תקופות חיים ו- DAO הנלווה אליהם. קובץ זה אינו מכיל כל מידע על העלילה או על התאמתו לעקבות הקינטיים העיקריים. שמירת עקבות הקינטיקה העיקריות מתוארת בשלב 3.3. ראה שלב 3.0 לקבלת מידע אודות שמירת נתונים מחלון הנתונים הגולמיים לצורך הצגה והתווייה במועד מאוחר יותר.

3. חילוץ נתונים גולמיים ומתאימים מתוכנת ההתאמה לתכנון

הערה: ניתן לייצא נתונים גולמיים או התאמות שהופקו מהתאמה באורך גל יחיד או מניתוח כללי לקובצי csv שניתן לפתוח במגוון תוכניות אחרות.

1. חילוץ נתונים גולמיים לצורך התוויית
   1. כדי לייצא את מפת החום של ערכת הנתונים, לחץ על תפריט קובץ ולאחר מכן לחץ על ייצוא ל- CSV (איור משלים 15). פעולה זו תפתח חלון, לחץ על אישור כדי לשמור את קובץ ה- csv באותה ספרייה כמו קובץ הנתונים הפתוח עם אותו שם כמו קובץ הנתונים.
      הערה: לחלופין, ניתן לייצא נתונים גולמיים על ידי לחיצה ימנית על חלון מפת החום ולחיצה על ייצוא נתונים ללוח. פעולה זו תשמור באופן זמני את הנתונים כך שניתן יהיה להדביק אותם במסמך תוכנה לפי בחירת המשתמש. הדבק/י את הנתונים בקובץ Excel ולאחר מכן שמר/י את הנתונים.
   2. ספקטרום מרובה עשוי להיות מוצג בחלון לצורך השוואה או לצורך יצירת דמות. גרור את הסמן האופקי (במפת החום, בפינה השמאלית העליונה) לנקודת זמן רצויה. הקש Ctrl + S כדי לבחור את הספקטרום ולשמור אותו בחלון הספקטרלי (בפינה השמאלית התחתונה). הוסף נקודות זמן רבות ככל הנדרש כדי להראות את התקדמות הנתונים (ספקטרום 5-10), כפי שניתן לראות באיור 3.
      הערה: מספר הספקטרום שנבחר לייצג את הנתונים והסידור הזמני של ספקטרום זה עשוי להיות תלוי במידה רבה במדגם הספציפי ובתנאי הניסוי. ההמלצה לעיל היא הנחיה כללית, אך פרטי הניסוי צריכים להכתיב אילו חלקים ממערך הנתונים מודגשים.
   3. יצא כנתונים על ידי לחיצה ימנית על החלון המכיל את הספקטרה. לחץ על ייצוא נתונים ללוח אופציה. הנתונים נשמרים באופן זמני. הדבק נתונים אלה במסמך התוכנה הרצוי (כלומר, Excel) ושמור.
   4. ניתן להציג עקבות קינטיות מרובות בחלון הקינטיקה באותו אופן כמו חלון הספקטרה. גרור את הסמן האנכי (במפת החום, משמאל למעלה) לאורך גל רצוי. הקש Ctrl + X כדי לבחור את מעקב הזמן ולשמור אותו בחלון הקינטיקה (בפינה השמאלית העליונה). הוסף כמה נקודות זמן שתרצה. פעולה זו תשמור באופן זמני את המעקב הקינטי הנוכחי בחלון.
   5. ייצא כנתונים על ידי לחיצה ימנית על החלון המכיל את העקבות הקינטיים. לחץ על ייצוא נתונים ללוח אופציה. הנתונים נשמרים באופן זמני. הדבק נתונים אלה במסמך התוכנה הרצוי (כלומר, Excel) ושמור.
2. חילוץ נתונים מאורך גל יחיד המתאים לתצוגה
   1. לחץ על תפריט Kinetics ולאחר מכן לחץ על Fit Kinetic כדי לפתוח את החלון המכיל את הנתונים המותאמים.
   2. לחץ לחיצה ימנית על חלון ההתאמה (כלומר, האריח המרכזי בחלון ההתאמה היחיד). לחץ על ייצוא נתונים ללוח. פעולה זו תשמור אותו באופן זמני כדי שניתן יהיה להדביק אותו בתוכנה אחרת.
      הערה: לא ניתן לייצא את התוויית השארית מתחת לנתוני ההתאמה, ובמקום זאת יהיה צורך ליצור אותה מחדש מנתוני ההתאמה. ההתאמה מייצאת הן את הנתונים הגולמיים והן את קו ההתאמה, שניתן להשתמש בהם לאחר מכן כדי ליצור מחדש את השארית. השארית נוצרת על ידי חיסור ערך ההתאמה מהנתונים בכל נקודת זמן, ויצירת תרשים דומה למה שמוצג בחלון "התאמה לקינטיקה ".
   3. הדבק נתונים אלה במסמך התוכנה הרצוי (כלומר, Excel) ושמור.
      הערה: ייצוא ללוח יכלול רק את הנתונים הגולמיים ואת נתוני קו ההתאמה עבור כל מעריכי שנעשה בו שימוש בהתאמה. הפרמטרים של ההתאמה, כגון אורך החיים, המשרעת וכדומה, לא ייכללו ויהיה צורך לייצא אותם על ידי העתקת הערכים מתוכנת ההתאמה.
3. חילוץ נתונים מניתוח חיים גלובלי לצורך הצגה וניתוח
   1. לחץ על תפריט Surface ולאחר מכן לחץ על האפשרות Global Fit כדי לפתוח את החלון המכיל את הנתונים המותאמים.
   2. יהיה צורך להתאים את הדיוק לערכים הן של הצפיפות האופטית והן של צירי השהיית זמן/אורך גל עבור הרכיבים העיקריים (אריח ימני עליון) ו- DADS (אריח שמאלי תחתון), בהתאמה. מקם את העכבר מעל חלון הרכיב הראשי עד שתיבת ההגדרה תופיע בפינה השמאלית התחתונה.
   3. לחץ במהירות על כפתור x.xx , העבר את העכבר מעל "דיוק", ולחץ על 6 מהתפריט כדי להגדיר את מספר המקומות העשרוניים שיש לכלול.
   4. מקם את העכבר מעל חלון הרכיב הראשי עד שתיבת ההגדרה תופיע בפינה השמאלית התחתונה. לחץ במהירות על כפתור y.yy, עכבר מעל "דיוק" ולחץ על 6 מהתפריט כדי להגדיר את מספר המקומות העשרוניים לכלול.
   5. לחץ לחיצה ימנית על החלון עקבות קינטיים עיקריים . לחץ על ייצוא נתונים ללוח. פעולה זו תשמור אותו באופן זמני כדי שניתן יהיה להדביק אותו בתוכנה אחרת.
   6. הדבק נתונים אלה במסמך התוכנה הרצוי (כלומר, Excel) ושמור.
      הערה: הנתונים יישמרו כסידרה של עמודות המכילות תחילה את עיכובי הזמן, ולאחר מכן את העקבות הקינטיים הראשיים ואחריה את קו ההתאמה. יהיה סט אחד לכל רכיב עיקרי שנבחר בעת הכנה לניתוח גלובלי. ספקטרום ה- DADS כבר נשמר כחלק מהליך ההתאמה בשלב 2.4.7.

תוצאות

הכנה וניתוח של מדגם של 1,4-Bis[2-(5-phenyloxazolyl)]בנזן, POPOP באתנול בוצע בעקבות ההליך המתואר לעיל. המדידות בוצעו באמצעות ספקטרומטר ספיגה ארעי מהיר במיוחד, כמתואר באיור 1, עם תמיסות נוזלים בקובטות 2 מ"מ באמצעות מחזיק קובטה מתכוונן ובוחש מגנטי כדי להבטיח ערבוב. הדגימות נמדדו בתנאי סביבה ללא בקרות נוספות לטמפרטורה או לאטמוספירה. החלון האופטי של 340 ננומטר עד 680 ננומטר נוצר באמצעות גביש סידן פלואוריד. מאתיים חמישים (250) נקודות זמן נאספו בין -5 ps ל~ 5500 ps, ושלוש סריקות היו בממוצע כדי ליצור את מערך הנתונים הסופי, איור 3. נתוני POPOP הוכנו כמתואר בפרוטוקול. דוגמה לתיקון ציוץ תת-אופטימלי מוצגת באיור משלים 16. התאמה קינטית באורך גל יחיד בוצעה ב- POPOP, ובחרה 632 ננומטר כאורך הגל המעניין. בנוסף, בוצע ניתוח גלובלי על POPOP כמתואר בפרוטוקול.

התאמה קינטית באורך גל יחיד של POPOP ב 632 ננומטר יצרה שני מחזורי חיים. תקופות חיים אלה הורשו להשתנות ולא בוצעו התאמות נוספות. הפרמטרים הסופיים שהתקבלו היו כדלקמן: t0 = −0.1176 ps, IRF = 0.436 ps, A1 = 0.0956, t1 = 1.614 ps, A2 = 0.0646, t2 = 522.2 ps (איור 4). תוצאות אלה תואמות היטב את הניתוח העולמי שבוצע לאחר מכן ודיווחו על ערכי חיי פליטה עבור POPOP (τ = 1.35 ns)¹⁷. דוגמה להתאמה של אורך גל יחיד עם מעט מדי רכיבי חיים מוצגת ונדונה באיור משלים 16.

התאמת ניתוח גלובלי ב- POPOP בוצעה לאחר בחירת 15 רכיבים עיקריים (PC) בעת ביצוע SVD. נבחרו שני מחזורי חיים לאחר ההתאמה, לא תוקנו פרמטרים. הפרמטרים הסופיים שהתקבלו מההתאמה היו כדלקמן: t0 = −0.1586 ps, tp (IRF) = 0.4408 ps, t1 = 1459 ps, t2 = 267.5 ps. ספקטרום ההפרשים הקשורים לדעיכה מוצג באיור 5. התוצאות היו תואמות היטב את אלה של התאמה קינטית יחידה ב 632 ננומטר וערכי אורך חיים עבור POPOP¹⁷. שתי דוגמאות לניתוח גלובלי תת-אופטימלי מוצגות ונדונות באיור משלים 16.

איור 1: ייצוג סכמטי של מכשיר הספיגה הארעית בפס רחב של הפמטו-שניות המתואר בפרוטוקול זה. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: סימולציה של נתוני TAS ותרומות לאות TAS. (A) עקומות גאוס המדמות ספקטרום בליעה של מצב קרקע (קו מקווקו כחול) וספקטרום מצב מעורר (קו מקווקו אדום, מוסט לאדום מספקטרום מצב הקרקע). ספקטרום ההבדל של שני ספקטרום אלה (קו סגול ומוצק) הוא ספקטרום ההפרשים כפי שהוא נראה בת"א. ההבדלים בין ספקטרום המצב הקרקעי לספקטרום המצב הנרגש נופחו לצורך המחשה. (B) ספקטרום הפרשי TA מייצג של POPOP ב-1.04 ps לאחר עירור ב-330 ננומטר. הקווים המקווקווים מראים ספיגה של מצב קרקע ופליטה יציבה של POPOP. אזורים מסומנים מציגים תכונות TA נפוצות, אקונומיקה של מצב קרקע (GSB), פליטה מגורה (SE) וספיגת מצב מעורר (ESA) שנצפו בנתונים אלה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: נתונים מוכנים עבור POPOP הנובעים מיישום שלב 1 - הכנת נתונים. הנתונים מוצגים כמפת החום המתוקנת והספקטרום המייצג. תוצאות אלה מדגימות כיצד הנתונים צריכים להיראות לאחר החלת התיקונים ומוכנים להחיל התאמה למערך הנתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: תוצאות התאמת אורך גל יחיד של POPOP ב- 632 ננומטר לאחר יישום שלב 2.3 - התאמת אורך גל יחיד. האיור מציג (חלק עליון) את תקופות החיים המתקבלות בתבנית טבלה, (חתך אמצעי) את הנתונים (נקודות כחולות) ואת ההתאמה לנתונים (קו התאמה אדום), ו(חלק תחתון) את התרשים השיורי. שים לב שתחת הסעיף "התאמה נוכחית", המשרעת (A) מוצגת כערכי ΔA מהנתונים המייצגים את התרומה של רכיב חיים ספציפי זה ב- t0. עם זאת, כאשר ההתאמה הנוכחית נשמרת ומופיעה בטבלת "מקדמי התאמה", הגדרת ברירת המחדל היא להציג את המשרעת המנורמלת. ניתן לשנות הגדרה זו על ידי ביטול סימון התיבה לצד התווית "מקדמי התאם" "מנורמל". אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: תוצאות ניתוח גלובלי של התאמת POPOP שהתקבלו לאחר התאמת שלב 2.4. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: דוגמה לפיזור ראמאן מגורה שנצפה בנתוני ת"א ניסיוניים. במערך נתונים זה (לא נתוני POPOP המוצגים בערכת הלימוד), הדגימה התרגשה במהירות של 550 ננומטר (מסומנת על ידי הקו המקווקו). פיזור ראמאן נראה סביב זמן האפס ובדרך כלל מופיע הן לכחול (פיזור נגד סטוקס ראמאן) והן לאדום (פיזור סטוקס ראמאן) של אורך גל עירור משאבה. פיזור ראמאן מגורה הוא קצר מועד, בדרך כלל רק סביב ~ 200 fs, מכיוון שהוא מתרחש כתוצאה מאינטראקציה של קרן הבדיקה עם הדגימה במקביל לקרן המשאבה, ובכך מגרה את תהליך הרמאן. עם זאת, לא ניתן להימנע מהתכונה ויש להסיר אותה באמצעות חיתוך. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור משלים 1: התפריט הראשי כאשר הנתונים נטענים לראשונה. בדרך כלל, בתוכנת התאמה זו יהיו תיבות אפשרויות המופיעות בפינה הימנית התחתונה של החלון כאשר החלון הוא moed מעל. תיבות אלה מאפשרות שינוי באינטראקציה של הסמן עם החלון, הזזת בחירות, שינוי גודל תצוגה או גלילה רציפה של החלונות שנבחרו. ישנן גם אפשרויות להתאמת הדיוק של קנה המידה של ציר x וציר y עבור החלון, כמו גם החלפת התצוגה מלינארית ללוגריתמית. ניתן גם לנעול או לפתוח את הצירים הנעולים. במצב נעול, ציר יישאר ברמת הזום או בטווח הערכים שצוינו; לאחר ביטול נעילה, הטווח יעבור להכיל את ערכת הנתונים המלאה. אפשרויות אחרות מאפשרות להתאים את תצוגת המספרים ואת צביעת הרשתות, אם קיימות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 2: תפריט פני השטח לביצוע חיסור אור מפוזר. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 3: חיסור מסך אור מפוזר - הגדרת הספקטרום לממוצע. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 4: הגדרת טווח חיתוך. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 5: חיתוך מערך נתונים. נתונים חתוכים יוסרו לצמיתות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 6: התאמת חלון תגובת ממס ודוגמה להתאמת תגובת ממס (בקו אדום) לנתונים (נקודות כחולות). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 7: חלון תיקון ציוץ עם נתוני מדגם "ריקים". אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 8: תיקון ציוץ מוצג יחד עם מערך הנתונים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 9: חלון התאמה קינטית יחידה. בנוסף, מחוון בחלק העליון מאפשר למשתמש לבחור את אורך הגל שבו יבצע את ההתאמה. בחירת אורך גל מתאים דורשת ידע בספקטרוסקופיה של המערכת כדי לזהות היכן מתרחשים תהליכים מעניינים. דוגמאות לכך כוללות תוצרי העברת מטען, היווצרות שלישייה או היווצרות תוצרי צילום, שתכונותיהם הספקטרליות ידועות בקורלציה עם אורכי גל ספציפיים. אורכי גל ספציפיים אלה יכולים להתאים על מנת לקבל את אורך החיים של אותם אירועים ספציפיים. בנוסף, ניתן להשתמש במבחר אורכי גל על מנת לספק אימות למודל התאמה גלובלי נבחר. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 10: הגדרת פרמטרים של התאמה קינטית יחידה. ניתן לתקן או לשנות פרמטרים בודדים של התאמה ידנית אם רוצים לכוונן את ההתאמה ולמזער את סטיית התקן של השארית. הערה: ניתן לכוונן פרמטרים בקלות על ידי לחיצה על הערך בתיבה ולאחר מכן התאמה באמצעות מחוון או הקלדה ידנית של ערך. ההתאמה המוצגת תותאם בזמן אמת עם שינוי הערכים. כאשר מושגת התאמה מקובלת, ניתן לייצא את ההתאמה על ידי לחיצה ימנית על מסך ההתאמה, המאפשר לייצא את הנתונים ללוח להדבקה לתוכנית רצויה או כתמונה לצפייה מהירה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 11: אילוץ וקיבוע ערכים של פרמטרים של התאמה קינטית יחידה יכול להיעשות אם פרמטר אחד או יותר ידועים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 12: חלון פירוק ערך יחיד עם רכיבים עיקריים המראה כיצד ייראו המעקב והרכיבים כאשר יתווספו מספיק רכיבים עיקריים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 13: חלון Global Fit לפני יצירת התאמת ניתוח גלובלית. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 14: חלון Global Fit המציג את תוצאות התאמת הניתוח הגלובלי. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 15: תפריט קבצים לשמירה וייצוא של קבצים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 16: דוגמאות לתיקון והתאמת ציוץ תת-אופטימליים. (A) מדגים התאמה קינטית יחידה גרועה. סוג השארית המובנית המוצגת בלוח A מציין בדרך כלל שנדרשת תקופת חיים נוספת כדי להתאים לנתונים. שימו לב שהשארית יורדת מתחת לאפס בזמנים קצרים יותר ומורמת מעל קו האפס בתקופות חיים ארוכות יותר. (B) מדגים תיקון ציוץ נכון באמצעות לחצן התצוגה המקדימה, שבו התכונות מיושרות ואין עקמומיות בנתונים. (C) מדגים תיקון ציוץ שגוי שבו קיימת עקמומיות ניכרת בחלק הכחול של הספקטרום, דבר המצביע על כך שפונקציית הציוץ מתקנת יתר על המידה באזור זה. (D) מציג התאמה גרועה של ניתוח חיים גלובלי שבו התאמת יתר (כולל פרמטרים רבים מדי) הביאה ל-DADS "סימטריים" (שנראים כמו תמונות מראה זה של זה על ציר ה-x) של טווחי חיים דומים שלמעשה מבטלים זה את זה. כאשר תכונות אלה נצפים, אין להשתמש בהתאמה. (E) מציג התאמה גלובלית גרועה שבה יותר מדי פרמטרים הביאו לזמן חיים קצר מאוד עם משרעת גדולה מאוד. הבעיה הקיימת ב-(E) עשויה להופיע גם אם ממצאים סביב זמן האפס אינם מתוקנים כראוי וההתאמה מתמקדת במזעור השאריות על ידי הדגשת יתר של אורך החיים הקצר מאוד (כזה שאינו בעל משמעות פיזית). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

תרשים משלים 17: דוגמה לנתוני TAS עם פיזור ראמאן. הפיזור קיים סביב זמן האפס, וחופף לאורך גל העירור של המשאבה. הפיזור מורכב מסדרה של פסגות חדות עם כחול שיא חיובי עז מאוד של עירור המשאבה ואדום שיא שלילי של עירור המשאבה. לא ניתן למנוע תכונה זו באופן סביר ויש לחתוך אותה מהנתונים כדי למנוע הפרעה לתוצאות המתאימות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 1: קובץ המכיל את ערכת הנתונים עבור ערכת לימוד זו (POPOP data_POPOP-inEtOH.ufs). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2: קובץ המכיל ערכת נתונים ריקה עבור ערכת לימוד זו (POPOP data_BLANK.ufs). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 3: קבצי מידע תומכים המכילים הערות נוספות על התאמת תגובת ממס, תיקון לפיזור וחיסור משטחים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

שיקולים כלליים להכנת נתונים
התאמת נתוני ת"א עשויה להיראות במבט ראשון כפשוטה יחסית, וניתן לצפות כי "תשובה" נכונה אחת ברורה תתקבל עבור מערך נתונים נתון. עם זאת, כפי שמודגש בפרוטוקול, ישנם גורמים רבים ברכישת הנתונים, הכנת הנתונים וניתוח הנתונים שיש לשקול בקפידה שיכולים להוביל לאי ודאות לגבי איזה מודל או קבוצה של פרמטרים מתאימים מתאר את הנתונים בצורה הטובה ביותר. מטרת הכנת הנתונים והתאמתם היא לצמצם כמה שיותר גורמים חיצוניים אלה, תוך שמירה על הנתונים לניתוח. המשימה העומדת על הפרק עשויה להיראות מרתיעה למתחילים, מכיוון שיש הרבה מה לשקול. כדי לבנות אינטואיציה לגבי תהליך ההתאמה, מומלץ למתחילים לנסות להכין את אותם נתונים מספר פעמים מאפס בדרכים מעט שונות כדי לבדוק עד כמה דרמטיים שלבי הכנת הנתונים משפיעים על ההתאמה הטובה ביותר. בנוסף, שני חוקרים שונים יכולים להכין ולהתאים את אותם נתונים ולהשוות תוצאות. תהליך זה עשוי לקחת זמן רב בפעמים הראשונות, עם זאת, פעולה זו תאפשר למתחילים לפתח אינטואיציה כיצד להכין נתונים באופן עקבי עבור דגימות עתידיות. כמו כל מיומנות, הכנת נתונים זו והתאמתם ייקח זמן לפתח, ומומלץ למתחילים להיות סבלניים וממושמעים בעת ההתנסות והלמידה של התהליך. מערך הנתונים המשמש במחקר זה מסופק כדי לתת למתחילים את ההזדמנות להשתלב ישירות לצד המדריך, ולהשוות ישירות את התוצאות עם אלה שהופקו במדריך.

הנתונים עשויים להכיל תכונות רקע הקיימות בכל עת עיכובים (איור משלים 2 ואיור משלים 3) כגון פיזור קרן המשאבה ופליטה ספונטנית של הדגימה. תכונות לא רצויות אלה חייבות להיות מוסרות על מנת לבודד את אות הבליעה הארעי מהמינים המעניינים¹¹. הסרת תכונות כאלה נעשית על ידי בחירה, ממוצע והסרת התרומה של מספר ספקטרום הפרשי זמן שליליים. בעת בחירת ספקטרום רקע, חשוב לוודא שלא נכללות תכונות שעשויות להיות חלק מתהליך העניין להסרה. תכונות רקע הנובעות מהממס, כגון ספיגה מזיהומים או מהממס עצמו, ניתן לראות גם בנתוני TA. כאשר הממס מייצר אות, יהיה צורך להחסיר מערך נתונים "ריק" המכיל רק את הממס הפועל באותם תנאי ניסוי בדיוק כמו הדגימה ממערך הנתונים של הדגימה. פרטים על הליך זה כלולים בקובץ משלים 3.

תיקון הציוץ הוא גורם נוסף שיש לשקול בזהירות. ציוץ מתרחש כאשר פולס הגשושית עובר לדגימה ומתרחב עקב פגמים במראות ההיגוי או על ידי מעבר דרך אופטיקה מפוזרת כגון עדשות או פילטרים. התוצאה הסופית היא שפוטונים בעלי אנרגיה נמוכה יותר בפולס הגשושית (כלומר, הצד האדום של ספקטרום הגשושית) מגיעים לדגימה לפני פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר (כלומר, הצד הכחול של ספקטרום הגשושית). התוצאה היא ש"זמן אפס" של ספקטרום TA נמרח על פני מספר פמטו-שניות או פיקושניות¹⁸, המתבטאות בעקומה ברורה במערך הנתונים הגולמי המתחיל באורכי הגל הכחולים ואז משתטח כשהוא מתקרב לאדום (איור משלים 7). הציוץ בולט בעיקר בסקאלות זמן קצרות יותר, כמו אלה שאליהן ניגשים ת"א אולטרה-מהירה. ניתן לתקן אפס זמן תלוי אורך גל זה כמתואר בפרוטוקול, אך היישום של תהליך זה יכול להיות מסובך וסובייקטיבי. דגימה "ריקה" או מדידה של תגובת קר הממס יכולה למזער את האופי הסובייקטיבי של נקודות בחירה ידניות לתיקון הציוץ הדרוש ליצירת ההתאמה הפולינומית המשמשת להתאמה ולתיקון הציוץ. מטרת תיקון הציוץ היא להסיר את ה"עקומה" המובהקת של זמן האפס. ייתכן שיידרשו ניסיונות מרובים להתאים את הציוץ כדי לקבל את הנתונים המתוקנים הטובים ביותר. ניתן להתאים את הנתונים מספר פעמים עם תיקוני ציוץ שונים המיושמים על מנת לקבל הבנה של ההשפעה שיש לתיקון הציוץ על ערכי אורך החיים הקצרים של TA.

חפצים המופיעים ב"זמן אפס"
ניתן לראות מספר ממצאים קרוב ל"זמן אפס" בנתוני TA, כולל פיזור ריילי, פיזור ראמאן מגורה ואפנון חוצה פאזות. פיזור ריילי של קרן המשאבה הוא פיזור אלסטי הנובע ללא שינוי באנרגיה. תכונה זו תופיע באותו אורך גל כמו פולס המשאבה. פיזור ראמאן מגורה עשוי ללוות את אות פיזור המשאבה¹⁹. פיזור ראמאן, הנובע מפיזור לא אלסטי של פוטון משאבה, מייצר פסגות הן באנרגיה גבוהה יותר (אנטי-סטוקי) והן באנרגיה נמוכה יותר (סטוקס) מאשר אנרגיית משאבת האירוע. בנתוני ת"א נצפתה פיזור ראמאן מגורה עקב הקרנה בו זמנית של הדגימה עם המשאבה וקורות הבדיקה. כאשר קרן הבדיקה מתקשרת עם הדגימה במקביל לקרן המשאבה, היא מעוררת את תהליך הרמאן. לכן, פיזור הרמאן המגורה מתרחש סביב זמן האפס וגורם לשיאים נוספים בספקטרום בתוך כמה מאות הפמטושניות הראשונות (איור 6, שנצפה בספקטרום הכחול הכהה יותר באזור המסומן ובאיור משלים 17). אפנון חוצה פאזות מקורו באפנון של מקדם השבירה של הממס מאינטראקציה עם השדה החשמלי האינטנסיבי של פולס.

ניתן להבדיל בין פיזור ראמאן מגורה לבין אפנון חוצה פאזות מכיוון ששיאי הרמאן מופיעים בתדרים ספציפיים המתאימים למצבי הרטט של הממס. מכיוון שמדובר בתהליך ראמאן, ניתן להבחין גם בקווי סטוקס וגם בקווי אנטי-סטוקס משני צדי העירור. ממיסים כלוריים כמו מתילן כלוריד מראים להקות ראמאן בולטות מאוד בגלל הקיטוב הגדול של כלור. החתימות הספקטרליות של אפנון חוצה פאזות הן ייחודיות לממס, אך אינן ניתנות לחיזוי בקלות כמו תכונות פיזור ראמאן.

בהתאם לקינטיקה של המדגם הנמדד, פיזור ריילי, פיזור ראמאן ואפנון חוצה פאזות עשויים לחפוף עם תכונות מוקדמות של נתוני TA ויכולים להיות מאתגרים להסרה מהנתונים. באופן עקרוני, תכונות אלה ניתן לראות מדידה ממס מסודר מופחת מן הנתונים, תוכניות ניתוח נתונים עשוי להיות פונקציות מתאימות כדי להסביר תכונות אלה, אבל בפועל, זה יכול להיות קשה. כאשר קשה מדי להחסיר את הממצאים הללו מבלי לפגוע בנתוני המדגם, ייתכן שעדיף לחתוך החוצה את הספקטרום שנפרץ סביב זמן האפס כדי לחסל את הממצאים. פעולה זו תהיה תופעת לוואי מצערת של הסרת כ 300 fs הראשונים של נתונים, אבל יהפוך את ההתאמה אמינה יותר מאוחר יותר. במהלך ניתוח מערכי נתונים מרובים של דגימות זהות ושונות, המתחיל יקבל אינטואיציה בהשגת איזון זה של חיסור משטח הרקע לעומת חיתוך הנתונים הראשוניים של 100-200 fs.

חיתוך כללי עשוי להיות נחוץ עבור חלקים של הספקטרום המכילים אות לרעש נמוך. חוסר יציבות באלומת הבדיקה באזורים מסוימים, עוצמה נמוכה של אור הגשושית, ריכוזי דגימה גבוהים מדי (ובכך חוסמים חלק ניכר מבדיקת האירוע), עוצמת משאבה נמוכה וחתך הספיגה של הדגימה הם גורמים אופייניים לאות לרעש נמוך שיכול להפוך את התאמת הנתונים למאתגרת. במקרים אלה, חיתוך מערך הנתונים משני צדי החלון האופטי על מנת להשיג רמה רצויה של אות לרעש יכול לסייע בתהליך ההתאמה.

ערכת נתונים מוכנה לניתוח לאחר שנחתכה מספיק כדי להסיר חלקים גרועים של ערכת הנתונים, תיקנה את הציוץ וספקטרום הרקע עבר ממוצע והחסרה. הליך זה אמור לגרום לנתונים המכילים רק את החלקים הרלוונטיים ביותר לפוטופיזיקה ולפוטוכימיה המעניינים. אכן, ברור שיש מידה מסוימת של סובייקטיביות לתהליך זה. המטרה בהכנת נתונים היא לאזן את הסרת הממצאים כך שלא יפריעו להתאמה, אך לא להסיר עד כדי כך שהיא פוגעת בשלמות מערך הנתונים, ובכך מעכבת את פרשנותו. מציאת איזון זה דורשת זמן וניסיון כדי לבנות את האינטואיציה לגבי מהו חפץ ומהו נתונים. התאמה (והתאמה מחדש) של אותה קבוצת נתונים במספר ימים שונים, או התאמת שני חוקרים לאותם נתונים, יכולה להיות דרך למזער טעויות אנוש ואת הסובייקטיביות של הכנת הנתונים וניתוחם.

שיקולים כלליים להתאמה ולפרשנות
לאחר עיבוד ספקטרום ת"א הגולמי, יש לפרש ולמדל אותם כדי לחלץ מידע על המינים ועל הדינמיקה הקיימת במערכת העניין. ניתן לתאר תהליך זה כהליך בן שלושה שלבים הכולל פרשנות ספקטרלית ראשונית, מידול/התאמה כמותית והקצאת הפרשנות הספקטרלית לדגם/התאמה.

פרשנות ספקטרלית ראשונית: בשלב הפרשנות הספקטרלית, המטרה היא להקצות תכונות הקיימות בספקטרום TA למצבים אלקטרוניים אליהם ניתן לגשת באבולוציה הפוטופיזית או הפוטוכימית של המערכת. כדי להתחיל, יש לזהות מדינות שונות. בעבודה זו, מצבים מתייחסים למצבים אלקטרוניים ייחודיים שהם חלק מהאבולוציה הפוטופיזית או הפוטוכימית של המערכת. למצב, המיוצג, למשל, על ידי עקומת אנרגיה פוטנציאלית ספציפית אחת (PEC), יש קבוצה של פסגות אופייניות המייצגות את ספקטרום הבליעה שלו. שינוי המתרחש בתוך מצב יחיד נקרא תהליך. תהליך פוטופיזי עשוי להופיע בספקטרום TA כהסטת שיא או שינוי ברוחב הספקטרום. ההיבט המרכזי של תהליך הוא שאוכלוסיית המדינה נשארת זהה (כלומר, התהליך מתרחש בתוך PEC נתון); חלוקת האנרגיה בתוך המדינה היא שמשתנה. שינוי באוכלוסיית המדינה ייקרא מעבר. במהלך מעבר, המערכת מתפתחת ל-PEC אחר (כלומר, מצב אלקטרוני). מעברים עשויים לכלול המרה פנימית (IC), מעבר בין-מערכתי (ISC), העברת מטען, העברת אנרגיה, היווצרות מוצרים חדשים או חזרה למצב הקרקע. הנחיות להקצאת מצבים, תהליכים ומעברים יידונו בפסקאות הבאות.

הקצאת מדינות
הצעד הראשון בתהליך זה כרוך בהקצאת תכונות ספקטרליות למינים או מצבים כימיים ספציפיים. מצב S₁ בת"א אמור להראות אורך חיים התואם את אורך החיים הפלואורסצנטי שנלקח באמצעות ספקטרוסקופיית פליטה שנפתרה בזמן. מצב שלישייה יכול להיות מאומת אם החיים שלה הוא מרווה, על ידי חמצן. אם יש חשד לאניון רדיקלי או קטיון באבולוציה הפוטופיזיקלית, ניתן לבצע ספקטרואלקטרוכימיה או חמצון/חיזור כימי כדי ליצור את המין הרדיקלי, וניתן לקבל ספקטרום בליעה של אותו מין ולהשוות אותו לצורת הפס TA. ניתן לבצע ספקטרוסקופיית תהודה של ספין אלקטרונים (ESR) כדי לאמת את נוכחותם של רדיקלים חופשיים. הרצאת הדרכה מצוינת בהנחיית חטיבת ACS לכימיה אי-אורגנית נותנת סקירה כללית של ת"א ושיקולים כאלה בהקצאת תכונות²⁰. לאחר שהוקצו להקות למינים, השלב הבא בפענוח ספקטרום TA הוא לתאר באופן איכותי את התהליכים הדינמיים המתרחשים במערכת. שלב זה חיוני מכיוון שהוא נותן לחוקר מושג אילו מודלים יתאימו לתיאור המערכת שלהם וייתן להם בסיס להשוות אליו את פרמטרי ההתאמה.

שינויים בתוך מדינה
קירור רטט, סידור מחדש גיאומטרי או פתירה הם תהליכים מהירים ביותר (sub-ps עד 10's ps) שניתן לצפות בהם עם TA. קירור רטט נצפה כהסטה כחולה מהירה של ספקטרום TA בסקאלת זמן של מספר פיקו-שניות 21,22,23. סידור מחדש גיאומטרי יכול להתרחש על ציר הזמן של 10 ps. דינמיקת המסה נצפית כהסחה לאדום והיצרות של הספקטרום על פני מספר פיקושניות בנוזלים דיפולריים קונבנציונליים, אך ממסים בעלי צמיגות גבוהה כגון גליצרול, פוליאתילן גליקול (PEG), נוזלים יוניים וממיסים אאוטקטיים עמוקים יכולים להציג דינמיקת המסה המתרחשת במהלך ננו-שניות מרובות 24,25,26.

שינויים באוכלוסיית המדינה
תגובות מאופיינות בשינוי בעוצמת הלהקה, כאשר ירידה בעוצמה קשורה לירידה בריכוז המינים הכימיים שלה ולהיפך לעלייה. במקרים מסוימים, הן המגיב והן מין המוצר נראים בספקטרה, בעוד שבאחרים, מצבי המכפלה קצרים מדי או רחוקים מדי מכדי שניתן יהיה להבחין בהם. לעתים קרובות ניתן לראות מעברים ממצב למצב על ידי נוכחות של נקודה איזוסבסטית בספקטרה.

מידול/התאמה כמותית: לאחר מכן יש להתאים מודל לנתונים על מנת לחלץ מידע כמותי על הדינמיקה של המערכת. כפי שתואר קודם לכן במבוא, יש מגוון רחב של מודלים לשימוש. פרוטוקול זה מתמקד בשתיים מהשיטות הנפוצות ביותר: התאמת אורך גל יחיד וניתוח גלובלי. שיטת אורך הגל היחיד כוללת התאמת עקבות אורך גל בודדים מהספקטרום לצורה פונקציונלית כלשהי, בדרך כלל סכום של מעריכים:

(2)

כאשר ΔA(t) הוא אות TA באורך גל נבחר, n הוא מספר הרכיבים המעריכיים, ו -_iהוא המשרעת של רכיב מעריכי, i, עם קבוע הזמן τ_i. ניתן להוסיף מספר רכיבים עד שההתאמה תשחזר את נתוני הניסוי. המטרה של כל תהליך התאמה היא למדל את הנתונים באמצעות מספיק מחזורי חיים כדי לשחזר את הנתונים היטב, אך לא להתאים יתר על המידה לנתונים על ידי הכללת רכיבים רבים מדי. לפיכך, פרמטרים משוקללים של התאמה טובה כגון , משמשים כדי לקבוע מתי הנתונים מתאימים בתוך אי ודאות ניסויית⁵.

לאחר הדעיכה מותאמת באופן משביע רצון, ניתן להשתמש בפרמטרים של המודל כדי לאפיין את הדינמיקה של המערכת. לאחר מכן ניתן לחלץ ולפרש את קבועי הזמן המתקבלים. לרוע המזל, המספר הגדול של תכונות חופפות בספקטרום TA פירושו שאורך גל יחיד בספקטרום עשוי להכיל דינמיקה המתאימה למינים שונים שהחתימות הספקטרליות שלהם חופפות, כלומר קבועי הזמן המופקים מהתאמה של אורך גל יחיד עשויים לייצג שילוב של תהליכים חופפים מרובים. בנוסף, כל שינוי בצורת הפס ובמיקום ישפיע גם על המשרעת וקבועי הזמן המופקים מהתאמת אורך גל יחיד. במקרים מסוימים ניתן לעקוף בעיות אלה על ידי שיטת התאמה הנקראת 'ניתוח צורת פסים', שבה קובעים או מניחים צורה פונקציונלית עבור רצועות TA של כל מין סופג במערכת. צורות אלה משוקללות על ידי אמפליטודות תלויות זמן ומסוכמות יחד על מנת לשחזר את הספקטרום הנצפה. הליך זה משמש בדרך כלל בניתוח ספקטרום פלואורסצנטי שנפתר בזמן, אך הצורות המסובכות יותר והרכיבים החופפים של רצועות TA הופכים שיטה זו לאפשרית במקרים פשוטים בלבד, כמפורט במקום אחר¹⁰.

חסרון נוסף של התאמת אורך גל יחיד הוא שהיא אינה מנצלת באופן מהותי את הטווח הספקטרלי הרחב שמעניקים ניסויי TA מודרניים. אפשר, באופן עקרוני, להתאים באופן שיטתי לכל אורך גל בודד של הספקטרה, אך ניתוח כזה הוא מסורבל, גוזל זמן ויקר מבחינה חישובית. כדי להתמודד עם אתגר זה, ניתן להשתמש בשיטה הנקראת "אנליזה גלובלית" כדי להתאים בו זמנית קבוצה שלמה של ספקטרום TA לקבוצה של פרמטרים דינמיים משותפים⁴. ניתוח גלובלי, ושיטה קרובה הנקראת ניתוח יעד, הן שיטות מוצלחות ובשימוש נרחב, אך הן מגיעות גם עם מערך ייחודי משלהן של חסרונות ומגבלות. כמו בכל מודל, חובה להבין את ההנחות המשמשות ליצירתו, כמו גם את המגבלות שהן מציגות.

באנליזה גלובלית, ספקטרום TA מיוצג על ידי מטריצה m על ידי n, כאשר m מייצג את מספר אורכי הגל הנמדדים בכל ספקטרום ו-n מייצג את מספר נקודות הזמן שנאספו. לאחר מכן מניחים שמטריצה זו ניתנת לפירוק למכפלה של שתי מטריצות אחרות:

(3)

כאשר C(t) היא מטריצה n על k ו-S(λ) היא מטריצה m על k. הערך k מייצג את מספר הרכיבים הספקטרליים השונים המשמשים לשחזור הספקטרה. כל אחד ממרכיבים אלה מייצג מין סופג בעל חתימה ספקטרלית ייחודית ודינמיקה. מטריצת S(λ) מייצגת את ספקטרום TA של k רכיבים ו-C(t) את ריכוזיהם תלויי הזמן. ביישום הפשוט והנפוץ ביותר של אנליזה גלובלית, מניחים שלכל רכיב יש קינטיקה מעריכית יחידה (i = 1 במשוואה 2, כאשר לכל רכיב מוקצה קבוע זמן משלו). לסיכום, ספקטרום TA המלא יכול להיות מיוצג על ידי סכום של k רכיבי ספקטרה, כל אחד עם ספקטרום בליעה אופייני משלו ודעיכה מעריכית יחידה.

כאשר ספקטרום TA מתאים, המשתמש מנחש כמה רכיבים (כלומר, ערך עבור k) דרושים ומבצע ניחוש קבוע באותו זמן הקשור לדעיכה מעריכית יחידה של אותם מינים. לאחר מכן, המתקן יוצר_{C guess}(t) ופותר את משוואה 3 עבור S_fit(t). לאחר מכן, S_fit(λ) ו- C_guess(t) מוכפלים כמו במשוואה 3 כדי ליצור את הספקטרום המותאם, ΔA(λ,t)_fit. לבסוף, השאריות, ΔA(λ,t)_exp − A(λ,t)_fit, ממוזערות וחוזרות_{התאמות S} אופטימליות (λ) וקבועי זמן. הפשטות היחסית של אנליזה גלובלית, המייצגת מערך שלם של ספקטרום תוך שימוש בקומץ קבועי זמן ורכיבים ספקטרליים קבועים, הופכת אותו לשיטה אטרקטיבית (ומוצלחת) להתרת צורות הפסים והדינמיקות המסובכות בהן נתקלים בספקטרוסקופיית TA. עם זאת, יש להקפיד על כך שניתוח גלובלי הוא מודל מתאים למערכת העומדת על הפרק.

הנחת מפתח באנליזה גלובלית, המודגמת במשוואה 3, היא ההפרדה המלאה של חלקי אורך הגל והזמן של הדינמיקה, תכונה הנקראת "דו-ליניאריות". הנחה זו דורשת שצורות הפסים המרכיבות אותן יהיו תלויות בזמן (כלומר, יש להן צורה ספקטרלית קבועה שאינה משתנה או משתנה עם הזמן). הדבר היחיד שמשתנה במהלך הניסוי הוא האוכלוסיות היחסיות של כל רכיב, המיוצגות על ידי C(t). בסקאלות זמן ארוכות, ~ 1 ns בערך, הנחה זו בדרך כלל מחזיקה וניתן להשתמש בניתוח גלובלי ללא חשש רב. מצד שני, תהליכים של מצב מעורר כגון קירור רטט ודינמיקת המסה, הבולטים בסקאלות הזמן האולטרה-מהירות הנגישים על ידי פמטו-שנייה TA, גורמים לשינויים תלויי זמן בחתימה הספקטרלית של מין ולפירוק של דו-ליניאריות. זה לא אומר כי ניתוח גלובלי לא יכול לשחזר מערך נתונים, למעשה, זה תמיד יכול לייצר התאמה משביעת רצון בתנאי מספר מספיק של רכיבים משמשים. הבעיה נעוצה אם כן בפענוח ספקטרום הרכיבים ובהקצאת קבועי הזמן לתהליכים מסוימים של מצב מעורר, מכיוון שהרכיבים עשויים שלא להתאים עוד למינים סופגים נפרדים. לכן, תמיד יש לנקוט בזהירות בעת יישום ניתוח גלובלי למצבים שבהם לא ניתן להניח דו-ליניאריות.

הקצאת הפרשנות הספקטרלית לדגם/התאמה: לאחר קבלת התאמה, יש למפות את הפרשנות הספקטרלית לתקופות החיים המתקבלות בהתאמה. משך החיים מההתאמה מוקצה הן לתהליכים והן לתגובות שזוהו בפרשנות הראשונית של הספקטרה. עם זאת, ההערכה הראשונית מהספקטרום ומספר זמני החיים המותאמים המתקבלים על ידי המודל עשויים שלא למפות זה את זה באופן מיידי. במצב זה (הנפוץ!), המתאימת צריכה לחזור ולהעריך את הפרשנות הראשונית. אולי היה קירור רטט או תהליך אחר שהוחמץ בהערכה הראשונית, אך זוהה בתהליך המידול וההתאמה. לחלופין, אולי שתי קבוצות שונות של פרמטרי התאמה יכולות לשחזר את הנתונים היטב והפרשנות הראשונית יכולה להנחות איזו קבוצה של פרמטרים מתאימים נבחרים. בשלב אחרון זה, על המתקן לעבור הלוך ושוב בין הפרשנות לבין ההתאמה כדי למצוא תיאור שיוביל להקצאה פוטופיזית מתקבלת על הדעת של המינים והדינמיקה של המערכת. תוכניות התאמה אחרות הכוללות מודלים של התאמה רציפה, כגון ניתוח מטרות, יכולות גם הן להיבחן כדי להשלים את ההתאמות המתקבלות על ידי ניתוח גלובלי ותוכנת ההתאמה המוצגת במאמר^{זה 4}.

לסיכום, פרוטוקול זה דן בהכנה והתאמה של נתוני קליטה ארעיים. מטרתו היא להדגיש אתגרים הקשורים לתהליך ולהגיב על דרכים להימנע או למתן אתגרים אלה באופן מעשי. התאמת נתוני ת"א, כמו התאמת רוב הנתונים בתחומים טכניים, יכולה להיות מסובכת ולעיתים סובייקטיבית. לכן, מודעות לתהליך ולמגבלות של הנתונים, הכנת הנתונים והכלים המתמטיים המשמשים למידול והקצאת משמעות לנתונים הם קריטיים. מדענים חייבים לגשת לנתונים ולמודלים בעין ביקורתית.

אפשר לנסות למתן את הסובייקטיביות של ההתאמות שלהם. לדוגמה, ניתן להכין ולהתאים את הנתונים מנקודות התחלה שונות ובימים שונים כדי להבטיח שאותה התאמה מופקת. ניתן להשוות נתונים שנלקחו בימים שונים עם הכנת מדגם שונה. חוקרים מרובים יכולים להתאים את אותם נתונים ולהשוות את התוצאות שלהם. עם הזמן, חוקרים יכולים לבנות אינטואיציה לגבי הנתונים שהם מקבלים (בהתבסס על הפרטים של מערך הניסוי שלהם ופרמטרים ניסיוניים) שתאפשר להם להיות בטוחים יותר בהתאמה שלהם.

יש הרבה מה ללמוד על התאמת הנתונים של ת"א ועל פרטי המודלים שנדונו במאמר זה. כמה מאמרי ביקורת מצוינים מומלצים בהתלהבות להתעמק בנושא^{זה 4,10,27}. פרוטוקול זה אמור להיות כניסה למתחילים בתהליך הניתוח וההתאמה שמעורר עניין בהבנה מעמיקה יותר של התהליך.

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