JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Описаны сведения о генерации и оптимизации сигнала, измерении, сборе данных и обработке данных для фемтосекундного времени, разрешиваемого почти ИК-спектрометра. В качестве репрезентативного применения показано около инфракрасное исследование, стимулирующее Раман на динамике возбужденного состояния к-каротина в толуоле.

Аннотация

Фемтосекундная стимулируемая Рамана спектроскопия является перспективным методом наблюдения структурной динамики недолговечных переходных процессов с ближними инфракрасными (ближними ИР) переходами, поскольку она может преодолеть низкую чувствительность спонтанных раманометров в области ближнего ИР. Здесь мы описываем технические детали фемтосекундного тайм-решенного почти ИР мультиплекса стимулировали Роман спектрометр, который мы недавно разработали. Предоставляется также описание генерации и оптимизации сигналов, измерений, сбора данных, калибровки и коррекции записанных данных. Мы представляем применение нашего спектрометра для анализа динамики возбужденного состояния к-каротина в толуевом растворе. Растяжка C'C из каротина во втором самом низком возбужденном сингле (S2)состоянии и самый низкий возбужденный синглет (S1) состояние четко наблюдается в записанном времени решенстимулстимулированных Спектра Раман. Фемтосекундный временнорешенный почти ИР стимулируемый Раманеспектрен применим к структурной динамике конъюгированных систем от простых молекул до сложных материалов.

Введение

Раманская спектроскопия является мощным и универсальным инструментом для исследования структур молекул в самых разнообразных образцах от простых газов, жидкостей и твердых веществ до функциональных материалов и биологических систем. Раманское рассеяние значительно усиливается, когда фотон-энергия возбуждающего света совпадает с электронной переходной энергией молекулы. Резонансный эффект Раман позволяет селективно наблюдать рамановый спектр вида в образце, состоящем из многих видов молекул. Ближайшие ИР электронные переходы привлекают большое внимание в качестве зонда для исследования взволнованно-государственной динамики молекул с большими конъюгированными структурами. Энергия и срок службы самого низкого возбужденного состояния синглетов были определены для нескольких каротиноидов, которые имеют длинную одномерную полиеновой цепи1,2,3. Динамика нейтральных и заряженных возбуждений была тщательно исследована для различных фотопроводящих полимеров в фильмах4,5,6,7,наночастиц8,и растворов9,10,11. Подробная информация о структурах переходных структур будет получена, если к этим системам будет применена временнорешеная спектроскопия,как и около ИР. Только несколько исследований, однако, были зарегистрированы на время решена почти ИР Раман спектроскопии12,13,14,15,16, потому что чувствительность ближнего ИР Раман спектрометров является чрезвычайно низким. Низкая чувствительность в основном происходит от низкой вероятности почти ИР Расан рассеяния. Вероятность спонтанного рассеяния Рамановпропорциональна3,где частоты света возбуждения и рассеяния Раманского света, соответственно. Кроме того, коммерчески доступные около ИК-детекторы имеют гораздо более низкую чувствительность, чем детекторы CCD, функционирующие в УФ-и видимых регионах.

Фемтосекундная временем решена стимулируемая Раманская спектроскопия стала новым методом наблюдения зависящих от времени изменений активных колебательных полос Рамына за пределами очевидного предела Фурье-преобразователя лазерного импульса17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33. Стимулированное рассеяние Раман генерируется облучением двух лазерных импульсов: Рамана насоса и импульсов зонда. Здесь предполагается, что импульс насоса Расан имеет большую частоту, чем пульс зонда. Когда разница между частотами Рамана насоса и импульсов зонда совпадает с частотой активных молекулярных вибраций Раман, вибрация когерентно возбуждается для большого количества молекул в облучении объема. Нелинейная поляризация, вызванная когерентной молекулярной вибрацией, улучшает электрическое поле пульса зонда. Этот метод особенно силен для околоир-ИР-Раманской спектроскопии, так как стимулируемое рассеяние Раманможет может решить проблему чувствительности решенных во времени почти ИК спонтанных спектрометров Ранана. Стимулированное рассеяние Рамына обнаруживается как изменение интенсивности пульса зонда. Даже если около ИК-детектор имеет низкую чувствительность, стимулируемое рассеяние Рамына будет обнаружено, когда интенсивность зонда достаточно увеличена. Вероятность стимулируемого рассеяния Раман пропорциональнаRPиSRS,гдечастоты импульса насоса Раман и стимулировали рассеяние Раман, соответственно20. Частоты для стимулируемого рассеяния Раман,RP иSRS, эквивалентныi иs для спонтанного рассеяния Раман, соответственно. Недавно мы разработали фемтосекундный тайм-решен почти ИР Роман спектрометр с использованием стимулировали Раман рассеяния для исследования структур и динамики недолго переходных фотогенерированных в конъюгированных систем2,3,7,10. В этой статье мы представляем технические детали нашего фемтосекундного времени решенных почти ИР мультиплекс стимулировал Роман спектрометр. Описано оптическое выравнивание, приобретение решенных временем стимулируемых Рамане спектров, калибровка и коррекция записанных спектров. Возбужденное состояние динамики з-каротина в толуолкомене растворе изучается как репрезентативное применение спектрометра.

протокол

1. Запуск электрических устройств

  1. Включите фемтосекундную лазерную систему Ti:sapphire в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Подождите 2 ч для лазерной системы, чтобы согреться.
  2. Включите выключатели питания оптического вертолета, контроллеры трансляционной стадии, спектрограф, детектор массива InGaAs и компьютер во время разогрева системы. Заполните dewar детектора жидким азотом.

2. Оптическое выравнивание спектрометра

  1. Зеркальная регулировка(рисунок 1B)
    1. Проверьте положение опоры на зеркальном креплении.
    2. Поверните верхнюю ручку крепления по часовой стрелке и против часовой стрелки, чтобы отраженный лазерный луч помещался вниз и вверх в вертикальном направлении, соответственно, если опора расположена в нижней части крепления. Поверните ручку в противоположном направлении, если опора расположена в верхней части крепления.
    3. Поверните ручку на левой стороне крепления по часовой стрелке и против часовой стрелки, чтобы отраженный лазерный луч перемещался вправо и влево в горизонтальном направлении, соответственно, если опора расположена на правой стороне крепления. Поверните ручку в противоположном направлении, если опора расположена в левой стороне крепления.
  2. Выравнивание объектива
    1. Поместите визитную карточку с сеткой за объективом в качестве экрана.
    2. Снимите объектив. Введите луч инцидента и дайте ему попасть на экран. Отметьте положение места луча на экране ручкой.
    3. Заблокируйте луч и поместите объектив. Введите луч и подтвердите, что он попадает в отметку на экране точно. Если это не так, отрегулируйте вертикальное и горизонтальное положение объектива.
    4. Подготовьте визитную карточку с отверстием. Пусть луч инцидента проходит через отверстие перед объективом и подтверждает, что зеркальное отражение луча объективом перемещается в направлении, прямо противоположном луче инцидента. Если это не так, отрегулируйте угол объектива.
  3. Выравнивание лазерного луча(рисунок 1C)
    1. Поместите визитную карточку за радужной оболочкой 2 (i2) в качестве экрана.
    2. Пусть луч проходит через центр i1, регулируя зеркало 1 (м1) в соответствии с разделом 2.1. Пусть луч проходит через центр i2, регулируя m2 в соответствии с разделом 2.1.
    3. Подтвердите, что луч проходит через центры i1 и i2 одновременно. Если луч не проходит через центр i1, повторите шаг 2.3.2 до тех пор, пока луч не пройдет через центры обоих ирисов.
  4. Выравнивание линии оптическойзадержки (рисунок 1D)
    1. Удалите m3 и m4 на оптической линии задержки (ODL). Поместите i1 в положении m3 на высоте центра m3.
    2. Переместите сцену к m2, насколько это возможно, поместив кнопку направления контроллера сцены. Пусть луч проходит через центр i1, регулируя m1 в соответствии с разделом 2.1.
    3. Перемещение этапе отдельно от m2, насколько это возможно, поместив кнопку направления контроллера сцены. Пусть луч проходит через центр i1, регулируя m2 в соответствии с разделом 2.1.
    4. Переместите сцену к входу луча, насколько это возможно, и подтвердите, что луч проходит через центр i1. Если луч не проходит через центр i1 после шага 2.4.3, повторите шаги 2.4.2-2.4.3 до тех пор, пока луч не пройдет через центр i1 на обоих концах этапа.
    5. Удалите i1 из положения m3. Место m3 и m4 на ODL. Пусть луч проходит через центр i2, регулируя m3 и m4 в соответствии с шагами 2.4.2-2.4.4.
    6. После завершения ступеней 2.4.1-2.4.5, пусть луч проходит через центр i2, регулируя m1 и m2 в соответствии с шагами 2.4.2-2.4.5.
  5. Белое поколение континуума света(рисунок 1A)
    1. Поместите фильтр переменной нейтральной плотности (VND) VND1 в путь луча инцидента. Поместите визитную карточку на 200 мм, кроме VND1 в качестве экрана.
    2. Поверните VND1 до тех пор, пока луч инцидента не достигнет самого высокого положения оптической плотности VND1, где передаваемый луч имеет самую низкую мощность.
    3. Поместите объектив (L) L1 (фокальная длина - 100 мм) позади VND1. Поместите 3 мм толщиной сапфировой пластины (SP) 105 мм отдельно от L1, где SP находится немного позади фокуса пучка, позволяя лучу пройти через SP вблизи края.
    4. Установите диаметр I6, чтобы быть 5 мм.
    5. Поверните VND1, чтобы постепенно увеличивать мощность передаваемого луча до тех пор, пока на экране не будет наблюдаться желто-белое пятно. Поверните VND1 дальше в том же направлении очень осторожно, пока фиолетовое кольцо окружает желто-белое пятно на экране.
  6. Выравнивание пучка зонда(рисунок 1A)
    1. Отрегулируйте две пары зеркал (M) (M4, M5) и (M7, M8) в соответствии с разделом 2.3. Отрегулируйте ODL2 в соответствии с разделом 2.4. Отрегулируйте M12 и M13 в соответствии с разделом 2.3.
    2. Создание белого светового континуума в соответствии с разделом 2.5.
    3. Удалите цветные стеклянные фильтры (F) F1 и F2 и поляризатор (P) P1.
    4. Отражение белого светового континуума с вогнутым зеркалом (CM). Пусть отраженный луч проходит рядом с SP.
    5. Пусть луч попал в центр M15 и M16, регулируя M14 и M15, соответственно, в соответствии с разделом 2.1. Удалите L2, L3 и L4. Пусть луч попал в центр входа щели спектрографа путем регулировки M16.
    6. Измерьте диаметр луча континуума белого света на CM и входной щели с помощью сетки бумаги. Если диаметры существенно изменены между двумя положениями, отрегулируйте положение CM параллельно с лучом, используя микрометр на базовой пластине СМ до тех пор, пока диаметры не станут почти идентичными. Проведите шаги 2.6.4-2.6.5 после корректировки.
    7. Место L2, L3 и L4 в соответствии с разделом 2.2, а затем место F1, F2 и P1.
  7. Рабан насос наячка выравнивание(Рисунок 1A)
    1. Поместите реактивное реактивное фильтра диапазона (BPF) в траекторию выходного луча оптического параметрического усилителя (OPA) OPA1. Отрегулируйте BPF и M17 в соответствии с разделом 2.3. Используйте карту датчика ближнего ИК для наблюдения за местом луча.
    2. Установите угол полуволновой пластины (HWP) HWP2 на 45 градусов, чтобы установить полярину насоса Расана в вертикаль. Удалите L5, L6 и L7.
    3. Пусть луч попал в центр M19, M20 и M21, регулируя M18, M19 и M20, соответственно, в соответствии с разделом 2.1. Используйте карту датчика ближнего ИК для наблюдения за местом луча.
    4. Размещать L5, L6 и L7 в соответствии с разделом 2.2 с помощью карты датчиков ближнего ИК в качестве экрана.
  8. Актиническом выравнивании пучка насоса(рисунок 1A)
    1. Удалите L8 и L9. Пусть выходной луч от OPA2 проходит через центр радужной оболочки (I) I12 путем регулировки M22 в соответствии с разделом 2.1.
    2. Отрегулируйте M24 и M25 в соответствии с разделом 2.3. Место L8 и L9 в соответствии с разделом 2.2. Отрегулируйте ODL1 в соответствии с разделом 2.4.
    3. Измерьте диаметр актинийного пучка насоса на M24 и M32 с помощью сетчатой бумаги. Если диаметры существенно отличаются между двумя положениями, отрегулируйте положение L9 параллельно с лучом, используя микрометр на базовой пластине L9 до тех пор, пока диаметры не станут почти идентичными.
    4. Удалите L10 и M32. Отрегулируйте M30 и M31 в соответствии с разделом 2.3.
    5. Место P2 на позиции M32. Поместите визитную карточку за P2 в качестве экрана.
    6. Установите P2 под углом, который позволяет пульсу быть поляризованным на 35,3 "по отношению к вертикальной оси пройти через P2. Поверните HWP3 до тех пор, пока пятно луча на экране полностью не исчезнет. Проведите этот протокол для устранения влияния молекулярной переориентации на временные измерения.
    7. Удалите P2. Поместите M32 и отражайте луч к ячейке потока (FC). Место L10 в соответствии с разделом 2.2.
  9. Запуск ячейки потока(рисунок 1E)
    1. Прикрепите к креплению 2 мм кварцевой ячейки к креплению. Соедините каждый конец ячейки потока к трубке поифтороацетата (PFA) (длина - 500 мм; внешний диаметр - 1/8 дюйма) с эластомерной трубкой (длина - 10 мм).
    2. Вставьте трубку из нижней части ячейки потока в резервуар, наполненный образцом раствора. Прикрепите трубку от верхней части ячейки потока к впуску магнитного насоса передач.
    3. Прикрепите трубку PFA (длина 500 мм; внешний диаметр - 1/8 дюйма) к розетке магнитного насоса и вставьте другой конец резервуара.
    4. Поместите крепление ячейки потока в фокусе пучка зонда.
    5. Включите магнитный насос передач. Отрегулируйте скорость потока до 20 мл/мин, используя контроль напряжения насоса, чтобы заменить образец в освещенном объеме, прежде чем каждый актиниальный импульс насоса достигнет FC.

3. Операция программного обеспечения

  1. Установка детектора
    1. Откройте панель детектора. Нажмите кнопку Инициализация. Подождите, пока не будет освещен индикатор Detector Initialized.
    2. Введите 40 в поле Время экспозиции (мс).
    3. Выберите меню IGA Lo Gain и IGA 280 кГц из меню a/D gain и A/D, соответственно. IGA и A/D обходятся для InGaAs и аналогового цифрового преобразователя, соответственно.
    4. Нажмите кнопку Set ниже индикатора настройки детектора. Подтвердите, что индикатор горит.
    5. Установите переключатель триггера на внешний из меню выпадения триггера. Выберите каждый — для каждого Acq и TTL Rising Edge из меню выпадения триггера Edge. TTL означает транзисторно-транзисторную логику.
    6. Нажмите кнопку Установить ниже индикатора триггерного набора. Подтвердите, что индикатор горит.
    7. Нажмите кнопку Чтения в нижней части панели. Подтвердите, что коробка Стемпературы детектора (K) отображает значение ниже 170 K. Если нет, подождите, пока температура опустится ниже 170 К.
  2. Установка спектрографа
    1. Откройте панель спектрографа. Нажмите кнопку Инициализация. Подождите, пока не зажгется индикатор spectrograph.
    2. Выберите 1. Grooves 300 г/мм, Blaze Wavelength 2000 нм из меню Grating drop-down. Нажмите кнопку Set на правой стороне меню выпадения Grating.
    3. Введите центральную длину волны спектрографа в поле Move To box и нажмите кнопку Go. Центральная длина волны, как правило, расположена между 1380 и 1430 нм, когда спектрограф покрывает область отпечатков пальцев стимулируемого спектра Раман.
    4. Введите ширину входной щели в поле Set Entrance и нажмите кнопку Set на правой стороне коробки. Ширина входной щели обычно установлена на уровне 0,3 мм.
  3. Контроль положения сцены
    1. Откройте панель предварительного просмотра. Введите значение положения ODL1 в микрометрах в поле sk Stage Position (мкм). Коробка принимает значения от 0 до 200 000 (мкм). Нажмите кнопку Go на правой стороне коробки.
    2. Введите значение позиции ODL2 в 0,1 мкм в поле FA Stage Position (1/10 мкм). Коробка принимает значения от -250,000 до 250,000 (x 1/10 мкм). Нажмите кнопку Go на правой стороне коробки.
  4. Одноизмерение
    1. Введите количество накоплений для одного измерения спектра в поле Накопления. Коробка принимает значения от 1 до 999.
    2. Закройте вход в спектрограф, нажав на диафрагму бар вправо, насколько он может двигаться. Нажмите кнопку Store Dark. Откройте вход в спектрограф, потянув диафрагму бар влево, насколько он может двигаться.
    3. Проверьте average box, чтобы просмотреть только усреднение результата.
    4. Выберите Acquire Light Spectrum и проверьте переходное поглощение из списка выпадающих режимов операции для измерения интенсивности зонда и измерения стимулируемой Раманской или переходной спектры поглощения, соответственно.
    5. Нажмите кнопку «Приобретение».
    6. Чтобы автоматически повторить измерения, проверьте непрерывную коробку и нажмите кнопку «Приобретение». Отоверьте непрерывную коробку, чтобы остановить непрерывные измерения.
    7. Откройте диалог файлов, нажав значок папки. Дважды щелкните папку для сохранения данных. Введите имя файла с расширением ".txt" и нажмите OK. Нажмите кнопку «Сохранить».
  5. Измерение, разрешаемые по времени
    1. Откройте панель эксперимента. Введите имя в пределах 20 символов, кратко описывающие эксперимент (например, названия образцов, условия) в поле «Имя эксперимента».
    2. Откройте диалог файлов, нажав значок папки. Дважды щелкните папку для сохранения данных и нажмите OK.
    3. Введите количество сканирований стадии перевода в поле Number of Scans.
    4. Выберите переводную стадию, отсканированную в эксперименте, в меню Stage для сканирования.
    5. Введите сценическое положение, где сканирование начинается в поле Из диапазона A. Единица и диапазон допустимых значений зависят от стадии (см. раздел 3.3).
    6. Введите интервал между двумя последовательными позициями этапа в ступенчатой коробке Диапазона A. Интервал в 1 мкм в стадии позиции соответствует интервалу 6,7 fs в задержке времени между актинийным (или Раманским) импульсами насоса и зонда.
    7. Введите количество сценических позиций в сканировании в поле Очков диапазона A.
    8. Если требуется более одного интервала в одном сканировании, проверьте поле Диапазона B и повторите шаги 3.5.5-3.5.7 для Range B. Три интервала могут быть установлены с помощью диапазона A, Bи C.
    9. Начните сканирование, нажав кнопку Run. Индикатор «Эксперимент бега» включится. Подождите, пока индикатор не выключит свет.

4. Оптимизация спектра зондов

  1. Поместите балки на пути актинатных и раманских насосных балок. Установите P1 под углом, который позволяет вертикально поляризованному импульсу проходить через P1.
  2. Установите количество накоплений на 10 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии со шагами 3.4.2. Выберите Приобрести световой спектр в соответствии с шагом 3.4.4.
  3. Запуск непрерывных измерений в соответствии с шагом 3.4.6 для просмотра данных. Максимальное количество детектора на дисплее путем постепенной вращающейся HWP1.
  4. Постепенно увеличивательный импульс инцидента, вращая VND1 до тех пор, пока максимальный и минимальный отсчет детектора не достигнет около 30 000 и 4000, соответственно. Если начинает наблюдаться большой колебательный узор, поверните VND1 в противоположном направлении, пока шаблон не исчезнет.
  5. Остановите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6.

5. Измерение стационарных стимулируемых Раманских спектров

  1. Пространственное перекрытие импульсов насоса и зонда Raman
    1. Удалите пучка свалки в Рамане насос амбар путь. Поместите оптический вертолет (OC) в путь луча насоса Рамына.
    2. Поместите карту датчика ближнего ИК в положении образца. Отрегулируйте направление луча насоса Raman путем регулировки M21 согласно разделу 2.1 до тех пор пока пятна насоса Raman и пучков зонда полноне перекрывают друг с другом. Удалите сенсорную карту.
  2. Временное перекрытие импульсов насоса и зонда Raman
    1. Поместите фотодиод INGaAs PIN в положении образца, где рамановый насос и зондные лучи пространственно пересекаются друг с другом в результате раздела 5.1.
    2. Подключите сигнал выход фотодиода к 500 МГц, 5 GS /s цифровой осциллоскоп для того, чтобы контролировать, когда Раман насосит и зонд импульсов прибыть в образец позиции.
    3. Установите горизонтальную шкалу осциллоскопа, чтобы быть 1 нс / div.
    4. Прочитайте пиковое время интенсивности сигнала для насоса Raman и импульсов зонда, блокирующих другой импульс.
    5. Если разница в пиковом времени наблюдается для двух импульсов, отрегулируйте положение ODL2 в соответствии с разделом 3.3 до тех пор, пока разница не станет меньше 200 ps.
  3. Регулировка фазы вращения оптического вертолета
    1. Добавьте 40 мл циклонексана в водоем. Начало течет циклогексан в соответствии с шагом 2.9.5.
    2. Установите центральную длину волны спектрографа, чтобы быть 1190 нм в соответствии с шагом 3.2.3 наблюдать Рейли рассеяния импульса насоса Раман.
    3. Установите количество накоплений до 10 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии с шагом 3.4.2.
    4. Выберите Проверить переходного поглощения в соответствии с шагом 3.4.4.
    5. Запуск непрерывных измерений в соответствии с шагом 3.4.6.
    6. Увеличьте амплиту очевидного переходного сигнала поглощения с отрицательным знаком на длине волны насоса Раман, которая возникает от наличия и отсутствия рассеянного импульса насоса Раман из-за измельчения, путем регулировки фазы вращения OC от -180 на передней панели контроллера .
    7. Остановите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6.
  4. Максимизация сигнала
    1. Установите длину центральной волны спектрографа на 1410 нм в соответствии с шагом 3.2.3 для наблюдения стимулируемых Спектрами Раман.
    2. Запуск непрерывных измерений в соответствии с шагом 3.4.6 и проверить, если стимулировали Раман полосы циклонексана наблюдаются на дисплее. Самая сильная полоса циклонексана появляется на 55-58-м пикселях, когда длина центральной волны установлена на уровне 1410 нм.
    3. Если стимулируемые полосы Раман не наблюдаются, попробуйте изменить положение ODL2 на 15 000 мкм с интервалом 150 мкм в соответствии с разделом 3.3 и посмотреть, если стимулировали полосы Раман наблюдается.
    4. Если стимулируемые полосы Раман не наблюдаются после шага 5.4.3 проводится, повторите шаг 5.1.2 для получения пространственного перекрытия между насосом Раман и пучками зонда и провести шаг 5.4.2 снова.
    5. Как только стимулируемые полосы Raman обнаружены, максимизируйте интенсивность полосы на дисплее путем итеративной сверкания M21, фазы вращения OC и положения ODL2.
    6. Остановите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6.
  5. Измерения
    1. Установите количество накоплений в 500 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии с шагом 3.4.2.
    2. Выполнить одно измерение в соответствии с шагом 3.4.5. Сохранить спектр в соответствии с шагом 3.4.7. Повторите измерение по крайней мере 4x.
    3. Удалите впускную трубку FC из резервуара и подождите, пока поток не будет прерван воздухом. Свести к минимуму напряжение магнитного насоса передач.
    4. Замените содержимое резервуара на заполненное 100 мл свежего ацетона.
    5. Установите входе и выход труб в водохранилище и пустую колбу, соответственно. Запустите магнитный насос передач в соответствии с шагом 2.9.5 и пусть толуол поток через FC.
    6. Подождите, пока поток не будет прерван воздухом. Свести к минимуму напряжение магнитного насоса передач.
    7. Повторите шаги 5.5.4-5.5.6 по крайней мере 2x.
    8. Добавьте 40 мл ацетона в водоем. Начало течет ацетон в соответствии с шагом 2.9.5.
    9. Запись стимулируемого Рамана спектра ацетона в соответствии с шагом 5.5.2.
    10. Удалить ацетон из ФК в соответствии с шагом 5.5.3.
    11. Повторите шаги 5.5.4-5.5.10 с помощью толуола вместо ацетона.

6. Измерение спектра поглощения, решаемого во времени

  1. Очистите резервуар и добавьте 25 мл толуенового раствора к-каротина с концентрацией 1 х 10-4 моль дм-3. Начните течь образца решения в соответствии с шагом 2.9.5.
  2. Поместите OC в актиническом пути пучка насоса.
  3. Переместите пучок с пути актинийного луча насоса к пуму насоса Рамына.
  4. Пространственно перекрывать актиниальный насос и зондные лучи в положении образца в соответствии с шагом 5.1.2 с помощью визитной карточки вместо карты датчика ближнего ИК.
  5. Временно перекрывайте два луча в положении образца в соответствии с разделом 5.2 с помощью фотодиода Si PIN вместо фотодиода InGaAs PIN.
  6. Установите количество накоплений на 10 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии с шагом 3.4.2.
  7. Выберите Проверить переходного поглощения в соответствии с шагом 3.4.4.
  8. Запустите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6 и проверьте, наблюдается ли на дисплее переходное поглощение каротина. Полоса поглощения появляется с формой, уменьшающейся монотонно к более длинным длинам волны (второй самый низкий возбужденный синглетный состояние, S2) или с двумя максимами на уровне около 0 и 511-го пикселей (самый низкий возбужденный одноразовый состояние, S1).
  9. Если переходное поглощение не наблюдается, попробуйте изменить положение ODL1 на 15 000 мкм с интервалом 150 мкм в соответствии с разделом 3.3.
  10. Если после проведения шага 6.9 полосы поглощения не наблюдается, повторнопопробуйй шаг 6.4 для получения пространственного перекрытия между актиниальным насосом и зондными лучами.
  11. Увеличьте интенсивность поглощения, сверя m32 после обнаружения переходного диапазона поглощения.
  12. Остановите непрерывные измерения в соответствии с шагом 3.4.6.
  13. Снижение положения ODL1 в соответствии с разделом 3.3 до тех пор, пока переходное поглощение полностью не исчезнет.

7. Измерение временнорешенной стимулируемой Рамана спектры

  1. Поместите OC в путь Луча насоса Расана. Удалите пучка с пути луча насоса Расан.
  2. Установите количество накоплений до 200 в соответствии с шагом 3.4.1. Храните темный сигнал в соответствии с шагом 3.4.2.
  3. Выполнить эксперимент, решенный по времени в соответствии с разделом 3.5. В шаге 3.5.4 выберите этап SK. Установите начальное значение диапазона А, чтобы быть меньше примерно на 50 мкм, чем положение, где переходный сигнал поглощения исчез в шаге 6.13.

8. Калибровка смены Рамына

  1. Рассчитайте среднее среднее из четырех стимулируемых Рамановых спектров для циклонексана, ацетона и толуола, записанных в разделе 5 с помощью программного обеспечения для анализа данных по вашему выбору.
  2. Участок усреднен стимулировали Раман спектры растворителей против пиксельного числа детектора массива InGaAs.
  3. Оцените пиковые позиции стимулируемых рамановых полос растворителей по анализу наименьших квадратов с помощью lorentzian. Если функция Lorentzian недоступна, используйте полиномиальную функцию.
  4. Участок пиковых волн полос Раман полос растворителей в справочнике (например, Hamaguchi и Ивата34) против предполагаемых пиковых позиций в пиковом количестве.
  5. Получить функцию калибровки между сдвигом Раман и числом пикселей по наименее квадратной установки анализа с полиномиальной функцией второй или третьей степени.

Результаты

Фемтосекундная вблизи ИК стимулировала Реман спектроскопию была применена к к-каротину в растворе толуола. Концентрация образца составила 1 х 10-4 моль дм-3. Образец был фотовозбужденным актиничным импульсом насоса на уровне 480 нм с импульсной энергией в 1 кВ. Решенные во време...

Обсуждение

Решающие факторы в фемтосекундных временных мультиплексах, решенных почти ИР, стимулировали измерение Рамана
Для получения разрешения времени почти ИК стимулировали Раман спектры с высоким соотношением сигнала к шуму, спектр зонда в идеале должны иметь равномерное интенс?...

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана JSPS KAKENHI Грант Номера JP24750023, JP24350012, MEXT KAKENHI Грант Номера JP26104534, JP16H00850, JP26102541, JP16H00782, и MEXT-поддерживаемая программа стратегических исследований в частных университетах, 201.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
1-Axis Translational StageOptSigmaTSD-401SProducts equivalent to this are used as well; for M22, L9, and CM in Figure 1A
20-cm Optical Delay LineOptSigmaSGSP26-200ODL1 in Figure 1A
3-Axis Translational StageOptSigmaTSD-405SLFor L8 in Figure 1A
3-Axis Translational StageSuruga SeikiB72-40CFor FC in Figure 1A
5-cm Optical Delay LinePMTHRS-0050ODL2 in Figure 1A
Al Concave MirrorThorlabsCM254-050-G01Focal length: 50 mm; CM in Figure 1A
Base PlateSuruga SeikiA21-6Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
BBO CrystalEKSMA Optics-Type 1, θ = 23.2 deg; BBO in Figure 1A
BK7 Plano-Concave LensOptSigmaSLB-25.4-50NIR2Focal length: 50 mm; IR anti-reflection coating; L6 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex LensOptSigmaSLB-25.4-150PIR2Focal length: 150 mm; IR anti-reflection coating; L2, L3, L5 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex LensOptSigmaSLB-25.4-100PIR2Focal length: 100 mm; IR anti-reflection coating; L4 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex LensOptSigmaSLB-25.4-200PIR2Focal length: 200 mm; IR anti-reflection coating; L7 in Figure 1A
Broadband Dielectric MirrorOptSigmaTFMS-25.4C05-2/7M22-M25, M28, M29 in Figure 1A
Broadband Dielectric MirrorPrecision Photonics (Advanced Thin Films)-M26, M27, M30-M32 in Figure 1A
Broadband Half-Wave PlateCryLight-HWP3 in Figure 1A
Color Glass FilterHOYAIR85F1 in Figure 1A
Color Glass FilterHOYARM100F2 in Figure 1A
Color Glass FilterSchottBG39F3 in Figure 1A
ComputerDellVostro 200 Mini TowerOS: Windows XP
CyclohexaneKanto Kagaku07547-1BHPLC grade
Data Analysis SoftwareWavemetricsIgor Pro 8
Dielectric BeamsplitterLAYERTEC-Reflection : Transmission = 2 : 1; BS1 in Figure 1A
Dielectric BeamsplitterLAYERTEC-Reflection : Transmission = 1 : 1; BS2, BS3 in Figure 1A
Dielectric MirrorPrecision Photonics
(Advanced Thin Films)		-M1-M8 in Figure 1A
Digital OscilloscopeTektronixTDS3054B500 MHz, 5 GS/s
Elastomer Tube--Figure 1E
Femtosecond Ti:sapphire OscillatorCoherentVitesse 800-2Wavelength: 800 nm, pulse duration: 100 fs, average power: 280 mW, repetition rate: 80 MHz; included in Ti:S in Figure 1A
Femtosecond Ti:sapphire Regenerative AmplifierCoherentLegend-Elite-F-HEWavelength: 800 nm, pulse duration: 100 fs, pulse energy: 3.5 mJ, repetition rate: 1 kHz; included in Ti:S in Figure 1A
Film PolarizerOptSigmaSPFN-30C-26P1 in Figure 1A
Glan-Taylor PrismOptSigmaGYPB-10-10SN-3/7P2 in Figure 1A
Gold MirrorOptSigmaTFG-25C05-10M9-M21 in Figure 1A
Half-Wave PlateOptSigmaWPQ-7800-2MHWP1 in Figure 1A
Harmonic SeparatorCoherentTOPAS-C HRs 410-540 nmHS in Figure 1A
InGaAs Array DetectorHoribaSymphony-IGA-512X1-50-1700-1LS512 ch, Liquid nitrogen cooled
InGaAs PIN PhotodiodeHamamatsu PhotonicsG10899-01K
IR Half-Wave PlateOptiSource-HWP2 in Figure 1A
IrisSuruga SeikiF74-3NProducts equivalent to this are used as well; I1-I17 in Figure 1A
Lens HolderOptSigmaLHF-25.4SProducts equivalent to this are used as well; for L1-L10 in Figure 1A
Magnetic Gear PumpMicropump184-415
Mirror MountSiskiyouIM100.C2M6RProducts equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, BBO, CM in Figure 1A
near-IR phosphor cardThorlabsVRC2
Nut--Figure 1E, M4; purchased from a DIY store
Optical ChopperNew Focus3501OC in Figure 1A
Optical Parametric AmplifierCoherentOPerA-FOPA1 in Figure 1A
Optical Parametric AmplifierCoherentTOPAS-COPA2 in Figure 1A
Polarizer HolderOptSigmaPH-30-ARSProducts equivalent to this are used as well; for P1-P2 and HWP1-3 In Figure 1A
Polyfluoroacetate Tube--Figure 1E
Post HolderOptSigmaBRS-12-80Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
Quartz Flow CellTosoh QuartzT-70-UV-2FC in Figure 1A
Quartz Plano-Concave LensOptSigmaSLSQ-25-50NFocal length: 50 mm; L8 in Figure 1A
Quartz Plano-Convex LensOptSigmaSLSQ-25-100PFocal length: 100 mm; L1, L9 in Figure 1A
Quartz Plano-Convex LensOptSigmaSLSQ-25-220PFocal length: 220 mm; L10 in Figure 1A
Sapphire PlatePier Optics-3 mm thick; SP in Figure 1A
Si PIN PhotodiodeHamamatsu PhotonicsS3883
Single SpectrographHoriba Jobin YvoniHR320Focal length: 32 cm
Stainless Steel RodSuruga SeikiA41-100Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
Stainless Steel RodNewportJ-SP-2Figure 1E
TolueneKanto Kagaku40180-1BHPLC grade
U-Shaped Steel Plate--Figure 1E; purchased from a DIY store
Variable Neutral Density Filter (with a holder)OptSigmaNDHN-100VND1 in Figure 1A
Variable Neutral Density Filter (with a holder)OptSigmaNDHN-U100VND2 in Figure 1A
Visual Programming LanguageNational InstrumentsLabVIEW 2009The control software in this study is programmed in LabVIEW 2009
Volume-Grating Bandpass FilterOptiGrateBPF-1190BPF in Figure 1A
β-CaroteneWako Pure Chemical Industries035-05531

Ссылки

  1. Polívka, T., Herek, J. L., Zigmantas, D., Åkerlund, H. -. E., Sundström, V. Direct Observation of the (Forbidden) S1 State in Carotenoids. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (9), 4914-4917 (1999).
  2. Takaya, T., Iwata, K. Relaxation Mechanism of β-Carotene from S2 (1Bu+) State to S1 (2Ag-) State: Femtosecond Time-Resolved Near-IR Absorption and Stimulated Resonance Raman Studies in 900-1550 nm Region. Journal of Physical Chemistry A. 118 (23), 4071-4078 (2014).
  3. Takaya, T., Anan, M., Iwata, K. Vibrational Relaxation Dynamics of β-Carotene and Its Derivatives with Substituents on Terminal Rings in Electronically Excited States as Studied by Femtosecond Time-Resolved Stimulated Raman Spectroscopy in the Near-IR Region. Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (5), 3320-3327 (2017).
  4. Guo, J., Ohkita, H., Benten, H., Ito, S. Near-IR Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy of Ultrafast Polaron and Triplet Exciton Formation in Polythiophene Films with Different Regioregularities. Journal of the American Chemical Society. 131 (46), (2009).
  5. Hwang, I. -. W., et al. Carrier Generation and Transport in Bulk Heterojunction Films Processed with 1,8-Octanedithiol as a Processing Additive. Journal of Applied Physics. 104 (3), 033706 (2008).
  6. Yonezawa, K., Kamioka, H., Yasuda, T., Han, L., Moritomo, Y. Fast Carrier Formation from Acceptor Exciton in Low-Gap Organic Photovoltaic. Applied Physics Express. 5 (4), 042302 (2012).
  7. Takaya, T., Enokida, I., Furukawa, Y., Iwata, K. Direct Observation of Structure and Dynamics of Photogenerated Charge Carriers in Poly(3-hexylthiophene) Films by Femtosecond Time-Resolved Near-IR Inverse Raman Spectroscopy. Molecules. 24 (3), 431 (2019).
  8. Clafton, S. N., Huang, D. M., Massey, W. R., Kee, T. W. Femtosecond Dynamics of Excitons and Hole-Polarons in Composite P3HT/PCBM Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry B. 117 (16), 4626-4633 (2013).
  9. Cook, S., Furube, A., Katoh, R. Analysis of the Excited States of Regioregular Polythiophene P3HT. Energy & Environmental Science. 1 (2), 294-299 (2008).
  10. Okino, S., Takaya, T., Iwata, K. Femtosecond Time-Resolved Near-Infrared Spectroscopy of Oligothiophenes and Polythiophene: Energy Location and Effective Conjugation Length of Their Low-Lying Excited States. Chemistry Letters. 44 (8), 1059-1061 (2015).
  11. Takaya, T., Iwata, K. Development of a Femtosecond Time-Resolved Near-IR Multiplex Stimulated Raman Spectrometer in Resonance with Transitions in the 900-1550 nm Region. Analyst. 141 (14), 4283-4292 (2016).
  12. Jas, G. S., Wan, C., Johnson, C. K. Picosecond Time-Resolved Fourier Transform Raman Spectroscopy of 9,10-Diphenylanthracene in the Excited Singlet State. Applied Spectroscopy. 49 (5), 645-649 (1995).
  13. Jas, G. S., Wan, C., Kuczera, K., Johnson, C. K. Picosecond Time-Resolved Fourier-Transform Raman Spectroscopy and Normal-Mode Analysis of the Ground State and Singlet Excited State of Anthracene. Journal of Physical Chemistry. 100 (29), 11857-11862 (1996).
  14. Sakamoto, A., Okamoto, H., Tasumi, M. Observation of Picosecond Transient Raman Spectra by Asynchronous Fourier Transform Raman Spectroscopy. Applied Spectroscopy. 52 (1), 76-81 (1998).
  15. Sakamoto, A., Matsuno, S., Tasumi, M. Construction of Picosecond Time-Resolved Raman Spectrometers with Near-Infrared Excitation. Journal of Raman Spectroscopy. 37 (1-3), 429-435 (2006).
  16. Sakamoto, A., Matsuno, S., Tasumi, M. Picosecond Near-Infrared Excited Transient Raman Spectra of β-Carotene in the Excited S2 State: Solvent Effects on the in-Phase C=C Stretching Band and Vibronic Coupling. Journal of Molecular Structure. 976 (1-3), 310-313 (2010).
  17. Yoshizawa, M., Kurosawa, M. Femtosecond Time-Resolved Raman Spectroscopy Using Stimulated Raman Scattering. Physical Review A. 61 (1), 013808 (2000).
  18. Yoshizawa, M., Kubo, M., Kurosawa, M. Ultrafast Photoisomerization in DCM Dye Observed by New Femtosecond Raman Spectroscopy. Journal of Luminescence. 87-89, 739-741 (2000).
  19. Yoshizawa, M., Aoki, H., Hashimoto, H. Vibrational Relaxation of the 2Ag– Excited State in All-Trans-β-Carotene Obtained by Femtosecond Time-Resolved Raman Spectroscopy. Physical Review B. 63 (18), 180301 (2001).
  20. McCamant, D. W., Kukura, P., Mathies, R. A. Femtosecond Broadband Stimulated Raman: A New Approach for High-Performance Vibrational Spectroscopy. Applied Spectroscopy. 57 (11), 1317-1323 (2003).
  21. McCamant, D. W., Kukura, P., Yoon, S., Mathies, R. A. Femtosecond Broadband Stimulated Raman Spectroscopy: Apparatus and Methods. Review of Scientific Instruments. 75 (11), 4971-4980 (2004).
  22. Kukura, P., McCamant, D. W., Mathies, R. A. Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 58, 461-488 (2007).
  23. Laimgruber, S., Schachenmayr, H., Schmidt, B., Zinth, W., Gilch, P. A Femtosecond Stimulated Raman Spectrograph for the Near Ultraviolet. Applied Physics B. 85 (4), 557-564 (2006).
  24. Umapathy, S., Lakshmanna, A., Mallick, B. Ultrafast Raman Loss Spectroscopy. Journal of Raman Spectroscopy. 40 (3), 235-237 (2009).
  25. Mallick, B., Lakshmanna, A., Umapathy, S. Ultrafast Raman Loss Spectroscopy (URLS): Instrumentation and Principle. Journal of Raman Spectroscopy. 42 (10), 1883-1890 (2011).
  26. Kloz, M., van Grondelle, R., Kennis, J. T. M. Wavelength-Modulated Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy-Approach towards Automatic Data Processing. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (40), 18123-18133 (2011).
  27. Kloz, M., Weißenborn, J., Polívka, T., Frank, H. A., Kennis, J. T. M. Spectral Watermarking in Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy: Resolving the Nature of the Carotenoid S* State. Physical Chemistry Chemical Physics. 18 (21), 14619-14628 (2016).
  28. Kuramochi, H., Takeuchi, S., Tahara, T. Ultrafast Structural Evolution of Photoactive Yellow Protein Chromophore Revealed by Ultraviolet Resonance Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry Letters. 3 (15), 2025-2029 (2012).
  29. Wang, S., et al. Dynamic High Pressure Induced Strong and Weak Hydrogen Bonds Enhanced by Pre-Resonance Stimulated Raman Scattering in Liquid Water. Optics Express. 25 (25), 31670-31677 (2017).
  30. Ashner, M. N., Tisdale, W. A. High Repetition-Rate Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy with Fast Acquisition. Optics Express. 26 (14), 18331-18340 (2018).
  31. Quincy, T. J., Barclay, M. S., Caricato, M., Elles, C. G. Probing Dynamics in Higher-Lying Electronic States with Resonance-Enhanced Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry A. 122 (42), 8308-8319 (2018).
  32. Taylor, M. A., et al. Delayed Vibrational Modulation of the Solvated GFP Chromophore into a Conical Intersection. Physical Chemistry Chemical Physics. 21 (19), 9728-9739 (2019).
  33. Cassabaum, A. A., Silva, W. R., Rich, C. C., Frontiera, R. R. Orientation and Polarization Dependence of Ground- and Excited-State FSRS in Crystalline Betaine-30. Journal of Physical Chemistry C. 123 (20), 12563-12572 (2019).
  34. Hamaguchi, H., Iwata, K. . Raman Spectroscopy (The Spectroscopical Society of Japan, Spectroscopy Series 1). , (2015).
  35. Hashimoto, H., Koyama, Y. The C=C Stretching Raman Lines of β-Carotene Isomers in the S1 State as Detected by Pump-Probe Resonance Raman Spectroscopy. Chemical Physics Letters. 154 (4), 321-325 (1989).
  36. Noguchi, T., Hayashi, H., Tasumi, M., Atkinson, G. H. Solvent Effects on the ag C=C Stretching Mode in the 21Ag- Excited State of β-Carotene and Two Derivatives: Picosecond Time-Resolved Resonance Raman Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry. 95 (8), 3167-3172 (1991).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

156

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены