기능성 π-컨쥬게이트 시스템의 초고속 시간 해결 근거리 자극 라만 측정

Summary

펨토초 시간 해결에 대한 신호 생성 및 최적화, 측정, 데이터 수집 및 데이터 처리에 대한 세부 정보가 설명되어 있습니다. 톨루엔에서 β-카로틴의 흥분 상태 역학에 대한 근적외선 자극 라만 연구가 대표적인 응용 분야로 나타났다.

Abstract

펨토초 시간 해결 자극 라만 분광법은 근적외선(near-IR) 전이가 있는 단기 과도의 구조적 역학을 관찰하는 유망한 방법입니다. 여기서는 최근 개발한 임만산 분광계를 자극하는 거의 IR 멀티플렉스가 해결된 펨토초 의 기술적 세부 사항을 설명합니다. 신호 생성 및 최적화, 측정, 데이터 수집, 기록된 데이터의 교정 및 보정에 대한 설명도 제공됩니다. 우리는 톨루엔 용액에서 β-카로틴의 흥분 상태 역학을 분석하기 위해 분광계를 적용합니다. Β-카로틴의 C=C 스트레치 밴드는 제2 최저신이 나는 싱글트(S2) 상태및 가장 낮은 흥분 된 싱글트(S1) 상태는 기록된 시간 해결 자극 라만 스펙트럼에서 명확하게 관찰된다. 펨토초 시간 해결 근거리 IR 자극 라만 분광기는 단순한 분자에서 복잡한 물질에 이르는 π-컨쥬게이트 시스템의 구조적 역학에 적용할 수 있습니다.

Introduction

라만 분광법은 간단한 가스, 액체 및 고체에서 기능성 물질 및 생물학적 시스템에 이르기까지 다양한 시료에서 분자구조를 조사하기 위한 강력하고 다재다능한 도구입니다. 라만 산란은 여기 빛의 광자 에너지가 분자의 전자 전이 에너지와 일치할 때 현저하게 향상된다. 공진 라만 효과는 우리가 선택적으로 분자의 많은 종류로 구성된 샘플에서 종의 라만 스펙트럼을 관찰 할 수 있습니다. Near-IR 전자 전이작은 큰 π-접합 구조를 가진 분자의 이흥분 상태 역학을 조사하기 위한 프로브로서 많은 관심을 끌고 있습니다. 가장 낮은 흥분 된 단일 상태의 에너지 및 수명은 긴 1 차원 폴리엔 사슬^1,2,3을가지는 여러 카로티노이드에 대해 결정되었습니다. 중성 및 전하여기의 역학은 필름^4,5,6,7,나노 입자⁸및 용액^9,10,11의다양한 광전도성 폴리머에 대해 광범위하게 조사되었습니다. 이러한 시스템에 근접 한 라만 분광법을 적용하는 경우 과도 구조에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있습니다. 그러나, 거의 IR 라만 분광기의 민감도가 매우 낮기 때문에 단지 몇 가지 연구는, 그러나, 거의 IR 라만 분광법^{12,13,14,15,16에}시간 해결에보고되었다. 낮은 감도는 주로 거의 IR 라만 산란의 낮은 확률에서 유래. 자발적라만 산란 확률은 ω_iω_s^3에비례하며, 여기서 ω_i와 ω_s는 각각 여기 라이트와 라만 산란광의 주파수입니다. 또한 시판되는 NEAR-IR 검출기는 UV 및 가시 영역에서 작동하는 CCD 검출기보다 감도가 훨씬 낮습니다.

펨토초 시간 해결 자극 라만 분광법은 레이저 펄스^{17,18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28의 명백한 푸리에 변환 한계를 넘어 라만 활성 진동 밴드의 시간 의존적 변화를 관찰하는 새로운 방법으로 등장했다. ,29,30,31,32,33}. 자극 된 라만 산란은 두 개의 레이저 펄스의 조사에 의해 생성됩니다 : 라만 펌프 및 프로브 펄스. 여기서 라만 펌프 펄스는 프로브 펄스보다 더 큰 주파수를 가지는 것으로 가정된다. 라만 펌프와 프로브 펄스의 주파수 차이가 라만 활성 분자 진동의 주파수와 일치하면, 진동은 조사된 부피에서 많은 수의 분자에 대해 일관되게 흥분된다. 일관된 분자 진동에 의해 유도된 비선형 편광은 프로브 펄스의 전기장을 향상시킵니다. 이 기술은 자극 된 라만 산란이 시간 해결 거의 IR 자발적 라만 분광기의 감도의 문제를 해결할 수 있기 때문에, 근적외선 라만 분광법에 특히 강력하다. 자극된 라만 산란은 프로브 펄스의 강도 변화로 검출된다. 근적외선 검출기가 낮은 감도를 가더라도, 프로브 강도가 충분히 증가하면 자극된 라만 산란이 검출된다. 자극된 라만 산란의 확률은 ω_RP및 ω SRS가 각각^20라만펌프 펄스및 자극된 라만 산란의 주파수인 ω_RP ω_SRS에 비례한다. 자극된 라만 산란, ω_RP 및 ω_SRS의주파수는 자발적인 라만 산란을 위한 ω_i 및 ω_s와 동일합니다. 우리는 최근에 π-컨쥬게이트시스템^{2,3,7,10에서}광생성된 단기 과도의 구조 및 역학을 조사하기 위한 자극된 라만 산란을 사용하여 펨토초 시간 해결 근거리 라만 분광기를 개발하였다. 이 문서에서는, 우리는 우리의 펨토초 시간 해결 거의 IR 멀티 플렉스 자극 라만 분광기의 기술적 인 세부 사항을 제시한다. 광학 정렬, 시간 해결 자극 라만 스펙트럼의 획득, 및 기록 된 스펙트럼의 교정 및 보정이 설명되어 있습니다. 톨루엔 용액에서 β-카로틴의 이선 상태 역학은 분광계의 대표적인 응용으로서 연구된다.

Protocol

1. 전기 기기 의 시작 펨토초 Ti:사파이어 레이저 시스템은 작동 설명서에 따라 켜십시오. 레이저 시스템이 워밍업될 때까지 2시간 동안 기다립니다. 시스템이 워밍업되는 동안 광학 헬기, 번역 단계 컨트롤러, 분광기, InGaAs 어레이 검출기 및 컴퓨터의 전원 스위치를 켭니다. 액체 질소로 검출기의 Dewar를 채웁니다. 2. 분광계의 광학 정렬 미러<str…

Representative Results

펨토초 시간-근접 IR 자극 라만 분광법을 톨루엔 용액에서 β-카로틴에 적용하였습니다. 샘플의 농도는 1 x10-4 몰dm-3이었다. 샘플은 1 μJ의 펄스 에너지로 480 nm에서 액티닉 펌프 펄스에 의해 광흥분되었다. 톨루엔에서 β-카로틴의 시간 해결 자극 된 라만 스펙트럼은 도 2A에도시되어 있다. 원시 스펙트럼은 용매 톨루엔의 강한 라만 밴드와 지상 상?…

Discussion

펨토초 시간 해결에 중요한 요인 거의 IR 멀티플렉스 자극 라만 측정
높은 신호 대 잡음 비로 시간 해결 된 거의 IR 자극 라만 스펙트럼을 얻으려면 프로브 스펙트럼은 전체 파장 범위에서 균일 한 강도를 가져야합니다. 따라서 백색광 연속체 생성(섹션 2.5)은, 시간이 해결된 거의 IR 자극라만 실험의 가장 중요한 부분 중 하나이다. 일반적으로 입사 빔의 강도가 증가함에 따라 프로브 …

Materials

1-Axis Translational Stage	OptSigma	TSD-401S	Products equivalent to this are used as well; for M22, L9, and CM in Figure 1A
20-cm Optical Delay Line	OptSigma	SGSP26-200	ODL1 in Figure 1A
3-Axis Translational Stage	OptSigma	TSD-405SL	For L8 in Figure 1A
3-Axis Translational Stage	Suruga Seiki	B72-40C	For FC in Figure 1A
5-cm Optical Delay Line	PMT	HRS-0050	ODL2 in Figure 1A
Al Concave Mirror	Thorlabs	CM254-050-G01	Focal length: 50 mm; CM in Figure 1A
Base Plate	Suruga Seiki	A21-6	Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
BBO Crystal	EKSMA Optics	–	Type 1, θ = 23.2 deg; BBO in Figure 1A
BK7 Plano-Concave Lens	OptSigma	SLB-25.4-50NIR2	Focal length: 50 mm; IR anti-reflection coating; L6 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex Lens	OptSigma	SLB-25.4-150PIR2	Focal length: 150 mm; IR anti-reflection coating; L2, L3, L5 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex Lens	OptSigma	SLB-25.4-100PIR2	Focal length: 100 mm; IR anti-reflection coating; L4 in Figure 1A
BK7 Plano-Convex Lens	OptSigma	SLB-25.4-200PIR2	Focal length: 200 mm; IR anti-reflection coating; L7 in Figure 1A
Broadband Dielectric Mirror	OptSigma	TFMS-25.4C05-2/7	M22-M25, M28, M29 in Figure 1A
Broadband Dielectric Mirror	Precision Photonics (Advanced Thin Films)	–	M26, M27, M30-M32 in Figure 1A
Broadband Half-Wave Plate	CryLight	–	HWP3 in Figure 1A
Color Glass Filter	HOYA	IR85	F1 in Figure 1A
Color Glass Filter	HOYA	RM100	F2 in Figure 1A
Color Glass Filter	Schott	BG39	F3 in Figure 1A
Computer	Dell	Vostro 200 Mini Tower	OS: Windows XP
Cyclohexane	Kanto Kagaku	07547-1B	HPLC grade
Data Analysis Software	Wavemetrics	Igor Pro 8
Dielectric Beamsplitter	LAYERTEC	–	Reflection : Transmission = 2 : 1; BS1 in Figure 1A
Dielectric Beamsplitter	LAYERTEC	–	Reflection : Transmission = 1 : 1; BS2, BS3 in Figure 1A
Dielectric Mirror	Precision Photonics (Advanced Thin Films)	–	M1-M8 in Figure 1A
Digital Oscilloscope	Tektronix	TDS3054B	500 MHz, 5 GS/s
Elastomer Tube	–	–	Figure 1E
Femtosecond Ti:sapphire Oscillator	Coherent	Vitesse 800-2	Wavelength: 800 nm, pulse duration: 100 fs, average power: 280 mW, repetition rate: 80 MHz; included in Ti:S in Figure 1A
Femtosecond Ti:sapphire Regenerative Amplifier	Coherent	Legend-Elite-F-HE	Wavelength: 800 nm, pulse duration: 100 fs, pulse energy: 3.5 mJ, repetition rate: 1 kHz; included in Ti:S in Figure 1A
Film Polarizer	OptSigma	SPFN-30C-26	P1 in Figure 1A
Glan-Taylor Prism	OptSigma	GYPB-10-10SN-3/7	P2 in Figure 1A
Gold Mirror	OptSigma	TFG-25C05-10	M9-M21 in Figure 1A
Half-Wave Plate	OptSigma	WPQ-7800-2M	HWP1 in Figure 1A
Harmonic Separator	Coherent	TOPAS-C HRs 410-540 nm	HS in Figure 1A
InGaAs Array Detector	Horiba	Symphony-IGA-512X1-50-1700-1LS	512 ch, Liquid nitrogen cooled
InGaAs PIN Photodiode	Hamamatsu Photonics	G10899-01K
IR Half-Wave Plate	OptiSource	–	HWP2 in Figure 1A
Iris	Suruga Seiki	F74-3N	Products equivalent to this are used as well; I1-I17 in Figure 1A
Lens Holder	OptSigma	LHF-25.4S	Products equivalent to this are used as well; for L1-L10 in Figure 1A
Magnetic Gear Pump	Micropump	184-415
Mirror Mount	Siskiyou	IM100.C2M6R	Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, BBO, CM in Figure 1A
near-IR phosphor card	Thorlabs	VRC2
Nut	–	–	Figure 1E, M4; purchased from a DIY store
Optical Chopper	New Focus	3501	OC in Figure 1A
Optical Parametric Amplifier	Coherent	OPerA-F	OPA1 in Figure 1A
Optical Parametric Amplifier	Coherent	TOPAS-C	OPA2 in Figure 1A
Polarizer Holder	OptSigma	PH-30-ARS	Products equivalent to this are used as well; for P1-P2 and HWP1-3 In Figure 1A
Polyfluoroacetate Tube	–	–	Figure 1E
Post Holder	OptSigma	BRS-12-80	Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
Quartz Flow Cell	Tosoh Quartz	T-70-UV-2	FC in Figure 1A
Quartz Plano-Concave Lens	OptSigma	SLSQ-25-50N	Focal length: 50 mm; L8 in Figure 1A
Quartz Plano-Convex Lens	OptSigma	SLSQ-25-100P	Focal length: 100 mm; L1, L9 in Figure 1A
Quartz Plano-Convex Lens	OptSigma	SLSQ-25-220P	Focal length: 220 mm; L10 in Figure 1A
Sapphire Plate	Pier Optics	–	3 mm thick; SP in Figure 1A
Si PIN Photodiode	Hamamatsu Photonics	S3883
Single Spectrograph	Horiba Jobin Yvon	iHR320	Focal length: 32 cm
Stainless Steel Rod	Suruga Seiki	A41-100	Products equivalent to this are used as well; for M1-M32, BS1-BS3, L1-L10, I1-I17, P1-P2, HWP1-3, F1-F3, VND1-VND2, OC, BPF, HS, BBO, SP, CM, and FC in Figure 1A
Stainless Steel Rod	Newport	J-SP-2	Figure 1E
Toluene	Kanto Kagaku	40180-1B	HPLC grade
U-Shaped Steel Plate	–	–	Figure 1E; purchased from a DIY store
Variable Neutral Density Filter (with a holder)	OptSigma	NDHN-100	VND1 in Figure 1A
Variable Neutral Density Filter (with a holder)	OptSigma	NDHN-U100	VND2 in Figure 1A
Visual Programming Language	National Instruments	LabVIEW 2009	The control software in this study is programmed in LabVIEW 2009
Volume-Grating Bandpass Filter	OptiGrate	BPF-1190	BPF in Figure 1A
β-Carotene	Wako Pure Chemical Industries	035-05531