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Chemistry

Introduction au traitement, à l’ajustement et à l’interprétation des données d’absorption transitoire

Published: February 16, 2024 doi: 10.3791/65519
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Chemistry, Lehigh University, 2Department of Chemistry, Pennsylvania State University - Altoona College

Summary

Ce protocole est la porte d’entrée d’un débutant dans le traitement, l’ajustement et l’interprétation des spectres d’absorption transitoire. L’objectif de ce protocole est la préparation d’ensembles de données et l’ajustement en utilisant à la fois la cinétique à longueur d’onde unique et l’analyse globale de la durée de vie. Les défis associés aux données d’absorption transitoire et à leur ajustement sont discutés.

Abstract

La spectroscopie d’absorption transitoire (TA) est une puissante méthode spectroscopique résolue en temps utilisée pour suivre l’évolution des processus à l’état excité à travers les changements dans le spectre d’absorption du système. Les premières mises en œuvre de l’AT étaient confinées à des laboratoires spécialisés, mais l’évolution des systèmes commerciaux clés en main a rendu la technique de plus en plus accessible aux groupes de recherche du monde entier. Les systèmes modernes d’AT sont capables de produire de grands ensembles de données avec une résolution énergétique et temporelle élevée et riches en informations photophysiques. Cependant, le traitement, l’ajustement et l’interprétation des spectres TA peuvent être difficiles en raison du grand nombre de caractéristiques à l’état excité et d’artefacts instrumentaux. De nombreux facteurs doivent être soigneusement pris en compte lors de la collecte, du traitement et de l’ajustement des données d’AT afin de réduire l’incertitude quant au modèle ou à l’ensemble de paramètres d’ajustement qui décrit le mieux les données. L’objectif de la préparation et de l’ajustement des données est de réduire le plus grand nombre possible de ces facteurs étrangers tout en préservant les données pour l’analyse. Dans cette méthode, les débutants reçoivent un protocole de traitement et de préparation des données TA ainsi qu’une brève introduction aux procédures et modèles d’ajustement sélectionnés, en particulier l’ajustement à longueur d’onde unique et l’analyse globale de la durée de vie. Des commentaires sur un certain nombre de défis courants en matière de préparation des données et sur les méthodes pour les résoudre sont fournis, suivis d’une discussion sur les défis et les limites de ces méthodes d’ajustement simples.

Introduction

La spectroscopie d’absorption transitoire (TA) est une technique spectroscopique résolue en temps qui surveille l’évolution des espèces photoexcitées par des changements temporels de leur spectre d’absorption après une excitation avec une impulsion lumineuse. Comme l’AT est une technique absorbante, les signaux spectroscopiques provenant d’états qui subissent à la fois des transitions radiatives (c’est-à-dire des états qui émettent généralement un photon) et des transitions non radiatives (états qui sont généralement non fluorescents et subissent une conversion interne, un croisement intersystème ou participent à des photoréactions) peuvent être identifiés et leur évolution suivie 1,2. Selon les spécificités de la source d’excitation et de la méthode de détection, l’AT permet d’accéder à la cinétique de la femtoseconde à la microseconde au-delà et de l’UV à l’IR lointain, ce qui en fait un outil spectroscopique polyvalent. La commercialisation des spectromètres TA a considérablement progressé au cours des dernières décennies, ce qui a permis à un plus grand nombre de laboratoires et d’installations d’avoir accès à cette technique puissante2.

Les systèmes d’AT modernes sont capables de produire de grands ensembles de données avec une résolution énergétique et temporelle élevée. Les jeux de données prennent généralement la forme d’une matrice 2D de valeurs de différence de transmittance ou d’absorbance en fonction de la longueur d’onde et du retard temporel par rapport à l’impulsion d’excitation. Cet ensemble de données peut être considéré comme une carte thermique bidimensionnelle ou une carte topographique tridimensionnelle. L’interprétation de ces données est devenue plus complexe car les chercheurs s’efforcent d’inclure l’ensemble des données lors de la génération d’ajustements qui décrivent le mieux leur système d’intérêt3.

Bien que l’AT puisse couvrir une large gamme de longueurs d’onde et d’échelles de temps, ce protocole se concentre sur l’une de ses formes les plus largement accessibles4 : la spectroscopie à large bande dans la région UV-visible pilotée par un laser pulsé femtoseconde. Un schéma 5,6 d’un tel instrument est fourni à la figure 1. L’expérience commence par prendre une impulsion du laser et la diviser en deux copies. Une copie de l’impulsion, appelée « pompe », est utilisée pour exciter l’échantillon. Un dispositif tel qu’un amplificateur paramétrique optique (OPA) est généralement utilisé pour transformer l’impulsion de la pompe à la longueur d’onde d’excitation souhaitée 5,7. La deuxième copie de l’impulsion, appelée « sonde », entre dans une étape de retard mécanique, qui peut faire varier le délai entre les impulsions de la pompe et de la sonde en faisant varier la distance parcourue par l’impulsion. L’impulsion de la sonde à longueur d’onde unique est ensuite transformée en un continuum de lumière blanche à l’aide d’un cristal de saphir ou de fluorure de calcium (CaF2)8. L’impulsion de lumière blanche traverse l’échantillon et son spectre est mesuré à l’aide d’un détecteur à large bande tel qu’une caméra CCD (dispositif à couplage de charge). En mesurant les changements dans le spectre de l’impulsion de lumière blanche avec et sans la pompe, les changements dans le spectre d’absorption de l’échantillon induits par la pompe, ΔA(T), peuvent être mesurés. Les lecteurs intéressés sont invités à consulter cette revue utile9 pour plus d’informations sur le processus de détection.

Dans toutes les formes de spectroscopie TA, les spectres ΔA(t) sont calculés en prenant la différence entre l’absorption à l’état fondamental, unesonde, et celle de l’état excité, unepompe + sonde, à un délai donné, t, entre les deux impulsions 2,5,9,10.

Equation 1(1)

Notez que lasonde A est équivalente au spectre d’absorption à l’état d’équilibre de l’échantillon et est indépendante du temps ; la résolution temporelle de l’expérience provient du délai entre la pompe et la sonde capturé dans Apompe+sonde(t). Une simulation de ces données est présentée à la figure 2A.

Contrairement aux spectres d’absorption à l’état stationnaire, les spectres TA peuvent avoir des caractéristiques positives et négatives en raison de la différence prise dans l’équation 1. Les caractéristiques positives sont le résultat de nouvelles espèces absorbantes créées par l’impulsion de la pompe et peuvent représenter des états chromophores excités, des états triplets, des réarrangements géométriques, des effets de solvatation ou des photoproduits à état excité3. Des lignes directrices générales pour identifier ces caractéristiques et les attribuer aux espèces chimiques seront présentées dans la discussion. Des caractéristiques négatives peuvent provenir de l’eau de Javel à l’état fondamental (GSB) ou de l’émission stimulée (SE) (Figure 2B). La GSB est due à la perte de population à l’état fondamental suite à l’absorption de l’impulsion de la pompe. Les molécules promues à l’état excité n’absorbent plus dans la même région que leur état fondamental ; par conséquent, moins d’impulsion de la sonde est absorbée et la différence dans l’équation 1 peut être négative dans cette région. Le GSB se caractérise par la même forme spectrale que celle de l’absorption à l’état fondamental mais avec un signe opposé. Les signaux SE résultent de l’émission d’une espèce à l’état excité stimulée par l’impulsion de la sonde3. L’émission de ces espèces entraîne une plus grande quantité de lumière atteignant le détecteur, ce qui équivaut à une absorption moindre à ces longueurs d’onde. Le signal SE aura une forme spectrale similaire à celle du spectre d’émission spontanée de l’espèce, mais avec un signe négatif et une pondération fréquentielle différente10.

En plus des informations sur les espèces à l’état excité, les spectres TA peuvent contenir un certain nombre d’artefacts et de caractéristiques étrangères qui peuvent déformer la dynamique sous-jacente et obscurcir l’attribution des bandes d’absorption11. Un traitement inapproprié de ces artefacts dans la préparation et l’analyse des données peut conduire à l’application de modèles photophysiques inappropriés aux données et, par conséquent, à des conclusions trompeuses11. Par conséquent, la première partie de ce protocole se concentre sur la façon de traiter correctement les ensembles de données d’assistance technique après leur collecte. L’objectif de cette section est de fournir aux chercheurs novices en TA un ensemble de lignes directrices qui les aideront à développer une intuition et une appréciation de la préparation et du traitement rigoureux de leurs données.

Une fois qu’un ensemble de données est traité, une pléthore d’outils et de modèles sont disponibles pour ajuster et interpréter les spectres avec différents niveaux de complexité et de rigueur10. L’objectif de la deuxième section de ce protocole est de préparer le lecteur à appliquer l’ajustement d’une seule longueur d’onde et l’analyse globale aux données et de fournir des conseils sur le moment où ces modèles sont appropriés pour décrire leurs données. Des logiciels commerciaux sont maintenant facilement disponibles pour la préparation et le traitement des données TA, tels que Surface Xplorer12,13 à partir de systèmes ultrarapides (téléchargement et utilisation gratuits, voir Tableau des matériaux). D’autres alternatives gratuites ont été publiées par des chercheurs universitaires, comme Glotaran14. Glotaran est un logiciel libre développé pour l’analyse globale et cible de données de spectroscopie et de microscopie résolues en temps. Il sert d’interface utilisateur graphique (GUI) pour le package R TIMP14. De plus, les utilisateurs peuvent utiliser des langages de programmation comme Python pour écrire leurs propres codes qui effectuent l’analyse. Chacun de ces logiciels et solutions de programmation a des caractéristiques positives qui en font des contributions importantes. Pour les besoins de cette étude, nous ne pouvons présenter qu’un seul logiciel pour le volet visuel de cette activité. Une discussion approfondie de chaque logiciel d’ajustement dépasse le cadre de cet article.

Cet article fournit une procédure étape par étape pour (1) traiter les données TA, (2) ajuster les données TA à l’aide de la cinétique à longueur d’onde unique et de l’analyse globale, et (3) extraire les données et les ajuster à d’autres modèles. Un ensemble de données représentatives sur l’assistance technique est inclus pour que le lecteur puisse l’utiliser en pratique (fichier supplémentaire 1 et fichier supplémentaire 2). Les données sont une mesure d’un échantillon de 165 μM de 1,4-bis(5-phényloxazole-2-yl)benzène (POPOP) dans de l’éthanol excité à 330 nm et prélevé sur une plage de −5 ps à 5,5 ns. De plus, un échantillon « blanc » contenant uniquement de l’éthanol et aucun échantillon n’a été prélevé dans les mêmes conditions expérimentales sur une plage de −5 ps à 5 ps, qui est utilisée pour préparer les données pour l’ajustement (étape 1). Les spectres ont été collectés à l’aide d’un spectromètre d’absorption transitoire ultrarapide. L’échantillon a été contenu dans une cuvette de 2 mm de longueur et soumis à une agitation constante. La procédure de traitement et d’ajustement décrite est basée sur le logiciel Surface Xplorer qui ajuste les données au format *.ufs, et qui sera ci-après appelé le « programme d’ajustement ». Des programmes permettant de convertir des ensembles de données dans d’autres formats en fichiers *.ufs sont disponibles15. Bien que les détails de ce protocole soient spécifiques à Surface Xplorer, les étapes qui suivent sont généralisables à tout logiciel, commercial ou maison. En outre, les résultats du traitement des données peuvent être extraits et ajustés à l’aide de ces autres logiciels. Un dossier d’information à l’appui (dossier supplémentaire 3) fournit des conseils supplémentaires sur l’ajustement.

Protocol

1. Préparation des données pour l’ajustement

  1. Chargez le jeu de données SAMPLE dans le logiciel Fitting. Les données apparaîtront comme indiqué dans la figure supplémentaire 1.
  2. Lorsque la lumière d’excitation diffusée est présente dans la fenêtre de détection optique de l’expérience, utilisez l’option Soustraire la lumière diffusée (Figure supplémentaire 2). Si aucune lumière d’excitation diffusée n’est présente dans les données, passez à l’étape 1.5.
    REMARQUE : La lumière diffusée est le plus souvent observée lorsque la longueur d’onde d’excitation se situe dans la fenêtre optique. La lumière diffusée apparaît comme une caractéristique négative nette (blanchiment) à la longueur d’onde d’excitation (ou à un ordre de diffraction ou à une longueur d’onde produite dans l’OPA) qui ne varie pas avec le temps.
  3. Cliquez sur le menu Surface , puis sur l’option Soustraire la lumière diffusée (Figure supplémentaire 2). Une nouvelle fenêtre apparaîtra.
  4. Dans la nouvelle fenêtre, cliquez sur les boutons fléchés pour définir le nombre de spectres de bruit de fond sur la moyenne (figure supplémentaire 3) afin d’effectuer une correction de fond. L’utilisation de dix spectres constitue un bon point de départ et le nombre peut être ajusté à volonté. Cliquez sur Accepter pour effectuer la soustraction (passez à l’étape 1.7).
    REMARQUE : Les spectres de fond sont tirés des premiers spectres présents dans l’ensemble de données, puis avancent temporellement en utilisant autant de spectres de fond que nécessaire pour fournir la moyenne du signal de fond ; cependant, en utiliser trop commencera à utiliser des spectres qui contiennent le signal d’intérêt, alors n’en utilisez pas trop. Avec des données à fenêtre temporelle longue, la fonction de diffusion peut ne pas apparaître à la fin de la fenêtre temporelle des données. Cela peut se produire si la fenêtre de temps dépasse le temps d’intégration de la caméra, ou pour d’autres raisons, en fonction de la façon dont l’expérience TA est construite. Pour corriger cela, l’option de plage de temps peut être utilisée comme indiqué dans le fichier supplémentaire 3.
  5. Pour les données où il n’y a pas de lumière diffusée dans la fenêtre optique, cliquez sur le menu Surface , puis cliquez sur l’option Soustraire l’arrière-plan .
  6. Dans la fenêtre qui apparaît, cliquez sur les boutons fléchés en bas à droite pour « Nombre de spectres » à calculer (choisissez 10), puis cliquez sur Accepter.
    REMARQUE : Les spectres d’arrière-plan de cette option fonctionnent de la même manière que dans l’option « Soustraire la lumière diffusée ». Commencer avec dix spectres fournit une bonne moyenne. Il est possible d’utiliser davantage de spectres, mais il faut veiller à ne pas en utiliser trop afin d’éviter d’inclure des spectres contenant des signaux d’intérêt. Le manuel d’utilisation de Surface Xplorer décrit les différences dans la correction appliquée pour la fonction « Soustraire la lumière diffusée » et la correction de la lumière diffusée. la correction plus basique « Soustraire l’arrière-plan ». Il est important d’appliquer la correction appropriée à l’artefact16.
  7. Les données situées près des bords de la fenêtre optique peuvent avoir un rapport signal/bruit très faible en raison de la forme du spectre de la sonde et/ou de l’absorption par l’échantillon d’une trop grande quantité de lumière blanche. Les données bruitées dans ces régions rendent l’analyse plus difficile. Supprimez ces parties inutiles du spectre. Cliquez sur les longueurs d’onde finales du spectre (tuile inférieure gauche), saisissez de nouvelles valeurs (figure supplémentaire 4) et cliquez sur Entrée. Choisissez une plage de longueurs d’onde qui supprime les données bruitées sur les bords de la fenêtre. Pour les données fournies, la plage est de 340 à 680 nm.
  8. Finaliser l’ajustement de la fenêtre spectrale à la gamme de longueurs d’onde souhaitée. Cliquez sur le menu Surface , puis cliquez sur Recadrer (Figure supplémentaire 5). Une fenêtre contextuelle apparaîtra.
    1. Cliquez sur OK. Cliquez sur le menu Fichier , puis cliquez sur Enregistrer le fichier sous. Ensuite, cliquez sur OK. Fermez ce jeu de données.
      REMARQUE : Soyez prudent lors du recadrage, car la fonction recadrera les données le long des axes de longueur d’onde et de retard, supprimant toutes les autres données. Assurez-vous que la fenêtre de temporisation contient la partie des données à conserver. En outre, il est fortement recommandé d’enregistrer toutes les données recadrées dans un nouveau fichier étiqueté de manière appropriée afin de laisser la surface des données brutes intacte en tant que sauvegarde.
  9. Pour les données collectées sur les échelles de temps fs ou ps, une correction chirp doit être appliquée. Ouvrez la surface des données avec uniquement le solvant ou le substrat (pas d’échantillon) prélevé dans le même dispositif expérimental que les données. Cet exemple est appelé l’expérience « vierge ». Effectuez le même ensemble d’étapes sur les données « vierges » (de l’étape 1.2 à l’étape 1.8) que celles qui ont été effectuées sur les données d’échantillon.
    NOTE : Il est fortement recommandé d’exécuter une telle expérience « à blanc » dans les mêmes conditions que l’échantillon, mais avec une fenêtre de temps plus courte (par exemple, ~ −5 ps à 5 ps) pour assurer un nombre élevé de points autour du temps zéro. Ce cycle « blanc » doit être composé uniquement de solvant ou de substrat, selon le type d’échantillon, et est utilisé pour établir la courbure du chirp. La préparation du « blanc » jusqu’à ce point doit suivre la même correction d’arrière-plan et le même recadrage que les données de l’échantillon. Si un « blanc » n’a pas été exécuté, la correction du chirp peut être effectuée directement sur le jeu de données.
  10. Démarrez le processus de correction du chirp. Dans la vignette de la carte thermique (en haut à gauche), cliquez sur le réticule et faites glisser le composant de ligne verticale vers l’extrémité bleue du spectre. Commencez par la gamme de longueurs d’onde bleues près du début de la fenêtre spectrale. Cliquez sur le menu Cinétique , puis cliquez sur Ajuster la réponse au solvant.
    REMARQUE : La réponse du solvant d’ajustement ne doit être effectuée que sur un échantillon « blanc » qui ne génère aucun signal au-delà du temps zéro. Si vous tentez d’appliquer cette fonction d’ajustement à un ensemble de données contenant des données sur une molécule ou un matériau d’intérêt, le programme tentera d’ajuster les données au lieu de l’IRF (fonction de réponse de l’instrument). Pour les échantillons « blancs », le seul signal présent doit être un artefact cohérent résultant de la modulation de phase croisée. La modulation de phase croisée ne se produit que lorsque les faisceaux de la pompe et de la sonde se chevauchent et, par conséquent, fournit une trace de la courbure du chirp qui peut être ajustée à l’aide de l’option « Ajuster la réponse au solvant ». Le placement manuel des points sera nécessaire pour les données sans « blanc » à utiliser pour la correction et sont décrits plus en détail dans le fichier supplémentaire 3.
  11. Une nouvelle fenêtre « Ajuster la réponse au solvant » s’ouvre. Cliquez sur le bouton Ajuster (Figure supplémentaire 6). L’ajustement générera un ajustement à la fonction de réponse de l’instrument en utilisant les première et deuxième dérivées d’une gaussienne. Cliquez sur le bouton Enregistrer , puis cliquez sur x pour fermer l’écran.
    REMARQUE : La ligne ajustée rouge doit bien correspondre aux points de données (carrés creux bleus) sur toute la plage de temps, en particulier la grande caractéristique observée près du temps zéro (0,1-2,0 ps). L’ajustement aura le plus de succès s’il y a un grand nombre de points autour du temps zéro, ce qui peut être réalisé en utilisant une courte fenêtre de temps pour l’expérience « vide » et en conservant un grand nombre de points. Si l’ajustement ne semble pas bien correspondre aux points de données, cochez la case « Ajouter gaussien (R0) » et réessayez l’ajustement. Cette option ajoutera une somme de la gaussienne aux dérivées première et seconde et pourrait mieux ajuster la forme de la caractéristique IRF à cette longueur d’onde. Si le raccord de réponse au solvant ne parvient toujours pas à capturer le signal IRF, sélectionnez une autre longueur d’onde.
  12. Effectuez ce processus (étapes 1.10-1.11) au moins cinq fois, car cinq points seront nécessaires pour corriger correctement un bip. Les points doivent être espacés sur toute la fenêtre spectrale si possible. Certains solvants/substrats peuvent ne pas générer de signal observable dans certaines parties de la fenêtre spectrale, selon les conditions expérimentales. Plus de points peuvent être ajoutés/utilisés au besoin pour produire un ajustement acceptable. Une fois terminé, fermez l’ensemble de données « vide ».
    REMARQUE : Chaque point enregistré est écrit dans un fichier Excel dans le dossier de travail sous la forme d’une nouvelle ligne dès que l’utilisateur clique sur Enregistrer. Si un point indésirable est enregistré, le point peut être supprimé du fichier Excel en supprimant la ligne du point indésirable.
  13. Rouvrez le jeu de données recadré et soustrait en arrière-plan. Cliquez sur le menu Surface , puis cliquez sur l’option Correction chirp . Cela fera apparaître un nouvel écran avec trois fenêtres et un menu en bas à droite (Figure supplémentaire 7).
  14. Ajoutez la correction de chirp qui vient d’être créée. Cliquez sur l’option Ajouter à partir d’un fichier , sélectionnez le fichier Excel qui se termine par « ajuster les coefficients », puis cliquez sur OK. L’ajustement de correction du chirp est maintenant affiché dans la fenêtre supérieure gauche sous la forme d’une ligne noire avec des marqueurs X (figure supplémentaire 8).
    REMARQUE : La correction du chirp est affichée sous la forme d’une ligne continue ; les marqueurs X le long de la ligne sont les points générés par le processus de réponse au solvant d’ajustement. Les points peuvent être ajoutés manuellement en ajustant le réticule et en cliquant sur Ajouter. Les points peuvent également être supprimés en les mettant en surbrillance et en appuyant sur Supprimer. D’autres points peuvent être modifiés manuellement en tapant des valeurs dans la liste en bas à droite. Enfin, si vous le souhaitez, la correction actuelle peut également être enregistrée sous forme de fichier pour une réutilisation ultérieure à l’aide du bouton Enregistrer dans un fichier .
  15. Cliquez sur le bouton Aperçu de la correction du chirp . Cela applique temporairement la correction du chirp. Observez la correction dans la fenêtre en haut à gauche pour vous assurer que les données ont été aplaties temporellement et qu’aucune courbure n’est observable.
    1. Si vous êtes satisfait de la correction du chirp, cliquez sur le bouton Appliquer et quitter . Si vous n’êtes pas satisfait, répétez les étapes 1.10-1.14, en choisissant plus de longueurs d’onde (ou différentes) pour l’ajustement de correction du chirp jusqu’à ce qu’une correction satisfaisante soit obtenue.
      REMARQUE : L’application de la correction du chirp ajuste le temps zéro à la ligne redressée telle qu’elle apparaît dans l’aperçu. Il peut y avoir un décalage temporel entre le « vide » et la surface de données.
  16. Cliquez sur le menu Fichier, puis cliquez sur Enregistrer le fichier sous. Tapez un nom approprié pour le fichier afin d’indiquer qu’une correction de chirp a été appliquée. Ensuite, cliquez sur OK.
  17. Certaines caractéristiques de diffusion dans les données peuvent ne pas être complètement supprimées lors de la soustraction de l’arrière-plan. Ces caractéristiques ont un impact sur l’ajustement et produisent des résultats d’ajustement erronés. Localisez les entités de ce type dans les données qui doivent être supprimées. La fonction de diffusion peut être plus facilement identifiée dans la région temporelle négative.
    1. Dans la vignette de carte thermique en haut à gauche, cliquez sur le réticule et faites-le glisser vers la région temporelle négative. En restant dans la région de temps négatif, utilisez le réticule pour déterminer les longueurs d’onde auxquelles la fonction de diffusion commence et se termine. Notez la plage de longueurs d’onde de la fonction de diffusion (pour l’ensemble de données fourni, la plage de caractéristiques est de 654 nm à 672 nm).
      REMARQUE : Lorsque vous déterminez si une fonction doit être supprimée, faites glisser le réticule horizontal vers le haut et vers le bas à travers les axes temporels pour visualiser la plage spectrale de l’entité. Les caractéristiques de diffusion ont généralement des traces cinétiques très bruitées d’une seule longueur d’onde, de sorte que la gamme spectrale de la caractéristique peut également être vérifiée à l’aide des traces cinétiques.
  18. En commençant par la longueur d’onde inférieure (bleue) (c’est-à-dire 654 nm), cliquez sur la longueur d’onde de droite du spectre (tuile inférieure gauche) et tapez la valeur de l’étendue de l’entité inférieure (bleue).
  19. Recadrez les données en cliquant sur le menu Surface , puis cliquez sur Recadrer. Cliquez sur OK dans le menu contextuel. Enregistrez les données recadrées avec un nom de fichier unique pour indiquer de quel côté des données il s’agit (bleu ou gauche est recommandé). Fermez le fichier.
  20. Ouvrez le fichier avec la correction de chirp appliquée enregistrée à l’étape 1.16. Continuez jusqu’à l’étendue de longueur d’onde supérieure (rouge) de l’entité. Cliquez sur la longueur d’onde de gauche du spectre (tuile inférieure gauche) et saisissez la valeur de l’étendue la plus élevée de la caractéristique.
  21. Recadrez les données en cliquant sur le menu Surface , puis cliquez sur Recadrer. Cliquez sur OK dans le menu contextuel. Enregistrez les données recadrées avec un nom de fichier unique pour indiquer de quel côté des données il s’agit (rouge ou droite est recommandé).
  22. Combinez les deux fichiers en cliquant sur le menu Fichier , puis cliquez sur Combiner plusieurs surfaces. Dans la nouvelle fenêtre, sélectionnez les deux côtés des données (c’est-à-dire Droite et Gauche ou Bleu et Rouge). Utilisez ctrl + clic pour sélectionner chaque fichier. Vérifiez que les deux fichiers sont sélectionnés dans la case « Nom du fichier : », puis cliquez sur OK en bas à droite. Lorsque la barre de progression se termine, les données ont été combinées.
    REMARQUE : Un nombre illimité de fichiers peut être combiné de cette manière. Les données peuvent être assemblées sur plusieurs coupes dans les axes temporel et de longueur d’onde.
  23. Cliquez sur le menu Fichier , puis cliquez sur Enregistrer le fichier sous et choisissez un nom de fichier unique pour indiquer qu’il est combiné (Combiné ou Composite recommandé). Ensuite, cliquez sur OK pour enregistrer le fichier.
    REMARQUE : Voir la section 3 pour plus d’informations sur la façon d’enregistrer des données à partir de la fenêtre de données brutes pour un affichage et un traçage ultérieurs. Les données de la carte thermique (tuile en haut à gauche) devraient apparaître comme dans la figure 3 et sont maintenant prêtes à être ajustées. La visualisation des spectres représentatifs, comme le montre la figure 3, est décrite à l’étape 3.1.2.

2. Effectuer un ajustement

  1. Chargez l’aire de données correctement préparée.
  2. Décidez quel ajustement sera effectué et passez à la section appropriée.
    REMARQUE : Ce protocole présente deux options d’ajustement des données : l’étape 2.3 présente l’ajustement de la trace cinétique à longueur d’onde unique et l’étape 2.4 présente l’ajustement de l’analyse globale.
  3. Ajustement à longueur d’onde unique
    1. Pour configurer un ajustement cinétique unique, déplacez le curseur (dans les tuiles en haut ou en bas à gauche) sur la longueur d’onde souhaitée. Cliquez sur le menu Cinétique , puis cliquez sur Ajuster Cinétique. Pour le jeu de données fourni, commencez par 632 nm.
    2. Dans la nouvelle fenêtre qui s’ouvre (Figure supplémentaire 9), observez que les principaux paramètres d’ajustement et les valeurs de départ sont définis dans le coin supérieur gauche de la fenêtre sous le logo du programme dans la case à côté de cette zone sous le texte « ajustement actuel @ longueur d’onde ».
    3. Cliquez sur les boutons fléchés pour ajuster le nombre de durées de vie (c’est-à-dire le nombre de décroissances exponentielles utilisées pour ajuster les données) dans la case « Durées de vie finies ». Pour le jeu de données fourni, choisissez 2 vies. Une à 3 vies sont typiques comme point de départ.
    4. Si le signal de données s’étend au-delà de la fenêtre temporelle collectée, une composante de durée de vie « infinie » doit être incluse. Pour ce faire, cliquez sur la case à cocher Utiliser la durée de vie infinie . Si les données sont entièrement décomposées par rapport à la ligne de base, ne cochez pas cette case. Pour le jeu de données fourni, ne cochez pas la case.
      REMARQUE : La « durée de vie infinie » permet à un décalage de signal de rester (c’est-à-dire que le programme ne forcera pas l’ajustement à revenir à la ligne de base). L’utilisation d’une composante infinie est nécessaire lorsque le signal à cette longueur d’onde ne décroît pas vers la ligne de base dans la plage de temps de l’expérience.
    5. Entrez des valeurs approximatives pour les durées de vie et les amplitudes associées, le temps de réponse de l’instrument et le temps zéro pour faciliter le processus d’ajustement (Figure supplémentaire 10). Cliquez sur le paramètre souhaité. Cliquez dans la fenêtre de valeur, tapez une valeur d’estimation, puis cliquez sur le bouton d’estimation initiale pour définir la valeur. Pour l’ensemble de données fourni, les valeurs d’estimation appropriées sont les suivantes : 0 = 0 ps, IRF = 0,25 ps, A1 = 0,6, t1 = 100 ps, A2 = 0,08, t2 = 1100 ps.
      NOTE : « 0 » est l’estimation du temps zéro, « IRF » est le temps de réponse de l’instrument, « A » fait référence à l’amplitude d’une exponentielle donnée (voir l’équation 3) et « t » est la constante de durée de vie/temps. Fournir de bonnes valeurs d’estimation aide le programme à obtenir un ajustement raisonnable. Choisissez les valeurs « A » qui se trouvent dans les valeurs de la plage A dans le jeu de données. Choisissez des valeurs « t » sur les plages de temps où un changement significatif est observé dans la trace cinétique. La meilleure façon d’avoir une intuition sur la façon dont les valeurs de supposition affectent l’ajustement est d’essayer plusieurs ensembles de valeurs de supposition et d’observer les ajustements qu’ils produisent. Si un ou plusieurs de ces paramètres sont connus, ce paramètre peut être réglé et « fixé » de manière à ne pas varier avec l’ajustement (Figure supplémentaire 11).
    6. Lorsque tous les paramètres de supposition sont entrés, cliquez sur le bouton Ajuster . Un ajustement représentatif est illustré à la figure 4.
      REMARQUE : L’application de l’ajustement remplira le tracé de données avec la ligne d’ajustement et un graphique résiduel qui peut être utilisé pour évaluer la qualité de l’ajustement. Les paramètres d’ajustement, tels que les durées de vie et les amplitudes associées, le temps zéro et le temps de réponse de l’instrument, sont également renseignés dans la zone supérieure gauche. Utilisez plusieurs paramètres d’ajustement différents pour déterminer le nombre de durées de vie et l’inclusion/exclusion d’une composante temporelle « infinie » qui produit le meilleur ajustement aux données.
    7. Enregistrez l’ajustement en cliquant sur le bouton Enregistrer (Figure supplémentaire 9).
      REMARQUE : Voir la section 3 pour plus d’informations sur la façon d’enregistrer des données à partir de la fenêtre de données brutes pour un affichage et un traçage ultérieurs.
  4. Ajustement d’analyse globale
    1. Cliquez sur le menu Surface , puis sur l’option Composants principaux via SVD . Une nouvelle fenêtre apparaît (Figure supplémentaire 12).
      REMARQUE : La fenêtre en haut à droite affiche les principales traces cinétiques et la fenêtre en bas à gauche affiche les principaux spectres. La mosaïque supérieure gauche affiche un Equation 4 tracé de la surface résiduelle créée par la différence entre la surface d’origine et une surface créée par les composants principaux sélectionnés.
    2. Cliquez sur les boutons fléchés pour définir le « Nombre de composants principaux » (Figure supplémentaire 12). Pour le jeu de données fourni, choisissez 15.
      NOTE : Lorsque vous décidez du nombre de composantes principales à choisir, une façon consiste à continuer à augmenter le nombre jusqu’à ce que les spectres principaux et les pistes cinétiques principales ressemblent à un motif de bruit. Une autre façon de déterminer le nombre de composants principaux à choisir consiste à examiner les valeurs de coefficient de pondération qui apparaissent à gauche de la légende dans la vignette en haut à droite. Continuez à ajouter des composants principaux jusqu’à ce que cette valeur atteigne 0,01. Généralement, il est conseillé d’en ajouter quelques autres pour faire bonne mesure. Cela peut entraîner la sélection d’au moins 15 composantes principales.
    3. Cliquez sur le bouton Enregistrer . Les composantes principales enregistrées sont nécessaires pour passer à l’étape suivante.
      REMARQUE : Chaque composant principal est une représentation de complexité réduite de la surface de données d’origine. L’utilisation de composants principaux permettra d’obtenir une surface simplifiée par rapport aux données brutes analysées. La prise en compte de la plupart des principales caractéristiques de la surface de données est très importante pour obtenir un ajustement précis, il est donc essentiel d’utiliser suffisamment de composants principaux pour capturer ces caractéristiques. L’utilisation de plus de composants principaux ne compromettra pas l’ajustement. Par conséquent, en cas de doute sur le nombre de composants principaux à sélectionner, utilisez plus de composants principaux plutôt que moins. Gardez à l’esprit que l’utilisation d’un trop grand nombre peut ralentir le logiciel d’ajustement.
    4. Après avoir enregistré les principaux composants, le programme reviendra à l’écran principal et l’ajustement global peut maintenant être tenté. Cliquez sur le menu Surface , puis cliquez sur l’option Ajustement global . Une nouvelle fenêtre s’ouvrira (Figure supplémentaire 13).
      REMARQUE : Les principales traces cinétiques sont affichées dans la vignette supérieure droite. La tuile supérieure gauche affiche une Equation 4 surface de la surface d’ajustement par rapport à la surface brute. La tuile inférieure gauche affichera les spectres de différence associés à la décroissance (DADS) générés par l’ajustement. Enfin, la vignette en bas à droite est l’endroit où les paramètres d’ajustement peuvent être définis, y compris le nombre de fonctions exponentielles à utiliser et s’il faut utiliser une fonction infinie.
    5. Utilisez les boutons fléchés à côté du « nombre d’exp. » pour définir le nombre de fonctions exponentielles à inclure dans l’ajustement. Si le signal de données s’étend au-delà de la fenêtre temporelle collectée, une composante de durée de vie « infinie » doit être incluse. Pour cela, cochez la case Utiliser le décalage (Ainf ). Pour le jeu de données fourni, choisissez 2 et ne cliquez pas sur la case. Si les données sont entièrement décomposées par rapport à la ligne de base, ne cochez pas cette case.
      REMARQUE : Les paramètres d’ajustement peuvent être fixés avant d’effectuer un ajustement en cliquant sur la colonne d’étiquette dans la case en bas à droite sous Coefficients d’ajustement globaux. L’étiquette deviendra rouge et changera pour avoir un indicateur (fixe) sur l’étiquette. Toute valeur saisie dans la case de droite sera utilisée pour ce paramètre plutôt que de varier librement pour l’ajustement. Des précautions doivent être prises lors de la fixation des valeurs d’un ajustement, car cela peut biaiser les résultats de l’ajustement.
    6. Cliquez sur le bouton Ajuster . La progression de l’ajustement sera affichée via une petite barre de chargement au centre de l’écran. Une fois l’ajustement terminé, les fenêtres seront remplies avec les données de l’ajustement (figure 5 et figure supplémentaire 14). Examinez visuellement les résultats de l’ajustement.
      REMARQUE : Les informations provenant à la fois de l’ajustement cinétique principal et de la DADS sont utilisées pour déterminer si l’ajustement vaut la peine d’être conservé ou s’il est trop mauvais. En général, si l’ajustement des traces principales correspond bien aux données et qu’il n’y a pas ou très peu d’entités dans le Equation 4 graphique, l’ajustement peut être accepté. Il est facile de vérifier plusieurs ajustements en modifiant le nombre de durées de vie et/ou en cochant/décochant le bouton « Utiliser le décalage (Ainf) ». Le meilleur ajustement produit après vérification de plusieurs variations des paramètres d’ajustement doit être accepté.
    7. Cliquez sur le bouton Enregistrer . Cela enregistrera l’ajustement actuellement affiché avec les données dans un fichier Excel.
      REMARQUE : Le fichier Excel est enregistré au même emplacement que le jeu de données. Si des ajustements supplémentaires sont effectués et doivent être enregistrés, ils écraseront toute version précédente. Ainsi, avant de générer et d’enregistrer un nouvel ajustement, donnez un nom unique à l’ancien ajustement. Les paramètres enregistrés à partir de l’ajustement incluent uniquement le temps zéro, l’IRF, les durées de vie et les DADS qui les accompagnent. Ce fichier ne contient aucune information sur la parcelle Equation 4 ou l’ajustement aux principales traces cinétiques. L’enregistrement des principales traces cinétiques est décrit à l’étape 3.3. Reportez-vous à l’étape 3.0 pour plus d’informations sur la façon d’enregistrer des données à partir de la fenêtre de données brutes pour un affichage et un traçage ultérieurs.

3. Extraction des données brutes et des ajustements du logiciel d’adaptation pour le traçage

REMARQUE : Les données brutes ou les ajustements produits à partir d’un ajustement de longueur d’onde unique ou d’une analyse globale peuvent être exportés vers des fichiers csv qui peuvent être ouverts dans une gamme d’autres programmes.

  1. Extraction de données brutes pour le traçage
    1. Pour exporter la carte thermique de l’ensemble de données, cliquez sur le menu Fichier , puis cliquez sur Exporter au format CSV (Figure supplémentaire 15). Cela ouvrira une fenêtre, cliquez sur OK pour enregistrer le fichier csv dans le même répertoire que le fichier de données ouvert avec le même nom que le fichier de données.
      REMARQUE : Alternativement, les données brutes peuvent être exportées en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de la carte thermique et en cliquant sur Exporter les données dans le presse-papiers. Cela enregistrera temporairement les données afin qu’elles puissent être collées dans un document logiciel choisi par l’utilisateur. Collez les données dans un fichier Excel, puis enregistrez-les.
    2. Plusieurs spectres peuvent être affichés dans la fenêtre à des fins de comparaison ou dans le but de faire une figure. Faites glisser le curseur horizontal (dans la carte thermique, en haut à gauche) jusqu’au point temporel souhaité. Appuyez sur Ctrl + S pour sélectionner le spectre et l’enregistrer dans la fenêtre spectrale (en bas à gauche). Ajoutez autant de points temporels que nécessaire pour montrer la progression des données (5-10 spectres), comme le montre la figure 3.
      NOTA : Le nombre de spectres choisis pour représenter les données et la disposition temporelle de ces spectres peuvent dépendre fortement de l’échantillon spécifique et des conditions expérimentales. La recommandation ci-dessus est une ligne directrice générale, mais les spécificités de l’expérience doivent dicter quelles parties de l’ensemble de données sont mises en valeur.
    3. Exportez en tant que données en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre contenant les spectres. Cliquez sur l’option Exporter les données dans le presse-papiers . Les données sont temporairement enregistrées. Collez ces données dans le document logiciel souhaité (c’est-à-dire Excel) et enregistrez.
    4. Plusieurs traces cinétiques peuvent être affichées dans la fenêtre cinétique de la même manière que la fenêtre spectrale. Faites glisser le curseur vertical (dans la carte thermique, en haut à gauche) jusqu’à la longueur d’onde souhaitée. Appuyez sur Ctrl + X pour sélectionner la trace temporelle et l’enregistrer dans la fenêtre cinétique (en haut à droite). Ajoutez autant de points de temps que vous le souhaitez. Cela enregistrera temporairement la trace cinétique actuelle dans la fenêtre.
    5. Exportez en tant que données en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre contenant les traces cinétiques. Cliquez sur l’option Exporter les données dans le presse-papiers . Les données sont temporairement enregistrées. Collez ces données dans le document logiciel souhaité (c’est-à-dire Excel) et enregistrez.
  2. Extraction de données à partir d’un ajustement de longueur d’onde unique pour l’affichage
    1. Cliquez sur le menu Cinétique , puis cliquez sur Ajuster cinétique pour ouvrir la fenêtre contenant les données ajustées.
    2. Faites un clic droit sur la fenêtre d’ajustement (c’est-à-dire la tuile centrale dans la fenêtre d’ajustement unique). Cliquez sur Exporter les données dans le presse-papiers. Cela l’enregistrera temporairement afin qu’il puisse être collé dans un autre logiciel.
      REMARQUE : Le tracé résiduel sous les données d’ajustement ne peut pas être exporté et devra être recréé à partir des données d’ajustement. L’ajustement exporte à la fois les données brutes et la ligne d’ajustement, qui peuvent ensuite être utilisées pour recréer le résidu. Le résidu est créé en soustrayant la valeur d’ajustement des données à chaque point temporel et en créant un tracé similaire à ce qui est affiché dans la fenêtre « Cinétique d’ajustement ».
    3. Collez ces données dans le document logiciel souhaité (c’est-à-dire Excel) et enregistrez.
      REMARQUE : L’exportation vers le presse-papiers n’inclura que les données brutes et les données de la ligne d’ajustement pour chaque exponentielle utilisée dans l’ajustement. Les paramètres de l’ajustement, tels que les durées de vie, les amplitudes, etc., ne seront pas inclus et devront être exportés en copiant les valeurs du logiciel d’ajustement.
  3. Extraction des données de l’analyse de la durée de vie globale pour l’affichage et l’analyse
    1. Cliquez sur le menu Surface , puis cliquez sur l’option Ajustement global pour ouvrir la fenêtre contenant les données ajustées.
    2. La précision des valeurs des axes de densité optique et de retard/longueur d’onde devra être ajustée pour les composantes principales (tuile supérieure droite) et DADS (tuile inférieure gauche), respectivement. Placez la souris sur la fenêtre du composant principal jusqu’à ce que la boîte de réglage apparaisse en bas à droite.
    3. Cliquez rapidement sur le bouton x.xx , passez la souris sur « Précision » et cliquez sur 6 dans le menu pour définir le nombre de décimales à inclure.
    4. Placez la souris sur la fenêtre du composant principal jusqu’à ce que la boîte de réglage apparaisse en bas à droite. Cliquez rapidement sur le bouton y.yy, passez la souris sur « Précision » et cliquez sur 6 dans le menu pour définir le nombre de décimales à inclure.
    5. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre Principales Traces cinétiques . Cliquez sur Exporter les données dans le presse-papiers. Cela l’enregistrera temporairement afin qu’il puisse être collé dans un autre logiciel.
    6. Collez ces données dans le document logiciel souhaité (c’est-à-dire Excel) et enregistrez.
      REMARQUE : Les données seront enregistrées sous la forme d’une série de colonnes contenant d’abord les retards, puis les principales traces cinétiques suivies de la ligne d’ajustement. Il y aura un ensemble pour chaque composante principale sélectionnée lors de la préparation de l’analyse globale. Les spectres DADS ont déjà été enregistrés dans le cadre de la procédure d’ajustement à l’étape 2.4.7.

Representative Results

La préparation et l’analyse d’un échantillon de 1,4-Bis[2-(5-phényloxazolyl)]benzène, POPOP dans l’éthanol ont été effectuées conformément à la procédure décrite ci-dessus. Les mesures ont été effectuées à l’aide d’un spectromètre d’absorption transitoire ultrarapide, comme décrit à la figure 1, avec des solutions fluides dans des cuvettes de 2 mm à l’aide d’un porte-cuvette réglable et d’un agitateur magnétique pour assurer le mélange. Les échantillons ont été mesurés dans des conditions ambiantes sans contrôle supplémentaire de la température ou de l’atmosphère. La fenêtre optique de 340 nm à 680 nm a été générée à l’aide d’un cristal de fluorure de calcium. Deux cent cinquante (250) points temporels ont été collectés entre −5 ps et ~5500 ps, et trois balayages ont été moyennés pour générer l’ensemble de données final, Figure 3. Les données du POPOP ont été préparées comme décrit dans le protocole. Un exemple de correction de chirp sous-optimale est présenté à la figure supplémentaire 16. Un ajustement cinétique à longueur d’onde unique a été effectué sur POPOP, en sélectionnant 632 nm comme longueur d’onde d’intérêt. De plus, une analyse globale a été effectuée sur le POPOP tel que décrit dans le protocole.

L’ajustement cinétique à longueur d’onde unique de POPOP à 632 nm a produit deux durées de vie. Ces durées de vie ont pu varier et aucun autre ajustement n’a été effectué. Les paramètres finaux obtenus étaient les suivants : t0 = −0,1176 ps, IRF = 0,436 ps, A1 = 0,0956, t1 = 1,614 ps, A2 = 0,0646, t2 = 522,2 ps (Figure 4). Ces résultats concordent bien avec l’analyse mondiale effectuée ultérieurement et les valeurs de durée de vie des émissions déclarées pour le POPOP (τ = 1,35 ns)17. Un exemple d’ajustement à une seule longueur d’onde avec trop peu de composantes de durée de vie est illustré et discuté dans la figure supplémentaire 16.

L’ajustement d’analyse globale sur POPOP a été effectué après avoir sélectionné 15 composants principaux (PC) lors de l’exécution de SVD. Deux durées de vie ont été sélectionnées après l’ajustement, aucun paramètre n’a été fixé. Les paramètres finaux obtenus à partir de l’ajustement étaient les suivants : t0 = −0,1586 ps, tp (IRF) = 0,4408 ps, t1 = 1459 ps, t2 = 267,5 ps. Les spectres de différence associés à la désintégration sont affichés à la figure 5. Les résultats étaient en bon accord avec ceux de l’ajustement cinétique unique à 632 nm et des valeurs de durée de vie pour le POPOP17. Deux exemples d’analyse globale sous-optimale sont présentés et discutés dans la figure supplémentaire 16.

Figure 1
Figure 1 : Représentation schématique de l’instrument d’absorption transitoire à large bande femtoseconde décrit dans ce protocole. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Simulation des données TAS et contributions au signal TAS. (A) Courbes gaussiennes simulant un spectre d’absorption à l’état fondamental (ligne pointillée bleue) et un spectre à état excité (ligne pointillée rouge, décalé vers le rouge par rapport au spectre de l’état fondamental). Les spectres de différence de ces deux spectres (violet, ligne continue) sont le spectre de différence tel qu’il est vu en TA. Les différences entre les spectres à l’état fondamental et à l’état excité ont été exagérées à des fins d’illustration. (B) Un spectre de différence TA représentatif de POPOP à 1,04 ps après excitation à 330 nm. Les lignes pointillées montrent l’absorbance à l’état fondamental et l’émission à l’état d’équilibre du POPOP. Les régions mises en évidence montrent des caractéristiques communes de TA, de blanchissement à l’état fondamental (GSB), d’émission stimulée (SE) et d’absorbance à l’état excité (ESA) observées dans ces données. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Données préparées pour le POPOP qui résultent de l’application de l’étape 1 - Préparation des données. Les données sont présentées sous forme de carte thermique corrigée et de spectres représentatifs. Ces résultats montrent à quoi devraient ressembler les données après l’application des corrections et une fois que l’on est prêt à appliquer un ajustement à l’ensemble de données. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Résultats de l’ajustement d’une seule longueur d’onde du POPOP à 632 nm après application de l’étape 2.3 - Ajustement d’une seule longueur d’onde. La figure montre (section supérieure) les durées de vie obtenues sous forme de tableau, (section centrale) les données (points bleus) et l’ajustement aux données (ligne d’ajustement rouge), et (section inférieure) le graphique résiduel. Notez que dans la section « ajustement actuel », les amplitudes (A) sont indiquées comme les valeurs ΔA des données qui représentent la contribution de cette composante spécifique de la durée de vie à t0. Cependant, lorsque l’ajustement actuel est enregistré et apparaît dans le tableau « Coefficients d’ajustement », le paramètre par défaut est d’afficher les amplitudes normalisées. Ce paramètre peut être modifié en décochant la case à côté de l’étiquette « Coefficients d’ajustement » « Normalisé ». Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Résultats de l’ajustement de l’analyse globale du POPOP obtenus après l’ajustement de l’étape 2.4. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : Exemple de diffusion Raman stimulée observée dans les données expérimentales d’AT. Dans cet ensemble de données (pas les données POPOP montrées dans le tutoriel), l’échantillon était excité à 550 nm (indiqué par la ligne pointillée). La diffusion Raman est observée autour du temps zéro et apparaît généralement à la fois au bleu (diffusion Raman anti-Stokes) et au rouge (diffusion Raman Stokes) de la longueur d’onde d’excitation de la pompe. La diffusion Raman stimulée est de courte durée, généralement seulement autour de ~200 fs, car elle se produit à la suite de l’interaction du faisceau de la sonde avec l’échantillon en même temps que le faisceau de la pompe, stimulant ainsi le processus Raman. Cependant, la fonctionnalité ne peut être évitée et doit être supprimée avec le recadrage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure supplémentaire 1 : Menu principal lors du chargement initial des données. Généralement, dans ce logiciel d’ajustement, il y aura des boîtes d’options qui apparaîtront dans le coin inférieur droit d’une fenêtre lorsque la fenêtre est passée la souris. Ces zones permettent de modifier l’interaction du curseur avec la fenêtre, soit en déplaçant les sélections, en zoomant ou en déplaçant les fenêtres sélectionnées. Il existe également des options pour ajuster la précision des échelles des axes x et y de la fenêtre ainsi que pour faire passer l’affichage du linéaire au logarithmique. Les axes peuvent également être verrouillés ou déverrouillés. Lorsqu’il est verrouillé, un axe reste au niveau de zoom ou à la plage de valeurs spécifiée ; Une fois déverrouillée, la plage bascule pour contenir l’ensemble complet des données. D’autres options permettent d’ajuster l’affichage des nombres et la coloration des grilles si présentes. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 2 : Menu de surface pour effectuer la soustraction de la lumière diffusée. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 3 : Soustraire l’écran de lumière diffusée - réglage des spectres sur la moyenne. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 4 : Réglage de la plage de recadrage. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 5 : Ensemble de données sur les cultures. Les données recadrées seront supprimées définitivement. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 6 : Ajuster la fenêtre de réponse du solvant et exemple d’ajustement de la réponse du solvant (en ligne rouge) aux données (points bleus). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 7 : Fenêtre de correction de la chirp avec des données d’échantillon « vierges ». Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 8 : Correction de Chirp montrée avec l’ensemble de données. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 9 : Fenêtre d’ajustement cinétique unique. De plus, un curseur en haut permet à l’utilisateur de sélectionner la longueur d’onde à laquelle effectuer l’ajustement. Le choix d’une longueur d’onde appropriée nécessite une connaissance de la spectroscopie du système pour identifier où les processus d’intérêt se produisent. Les exemples incluent les produits de transfert de charge, la formation de triplets ou la formation de photoproduits, dont les caractéristiques spectrales sont connues pour être en corrélation avec des longueurs d’onde spécifiques. Ces longueurs d’onde spécifiques peuvent être ajustées afin d’obtenir les durées de vie de ces événements spécifiques. De plus, une sélection de longueurs d’onde peut être utilisée afin de valider un modèle d’ajustement global sélectionné. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 10 : Définition des paramètres d’ajustement cinétique unique. Les paramètres d’ajustement individuels peuvent être fixés ou modifiés à la main si vous le souhaitez pour affiner l’ajustement et minimiser l’écart type du résidu. Remarque : Les paramètres peuvent être facilement ajustés en cliquant sur la valeur dans la case, puis en les ajustant à l’aide d’un curseur ou en saisissant manuellement une valeur. L’ajustement affiché sera ajusté en temps réel au fur et à mesure que les valeurs sont modifiées. Lorsqu’un ajustement acceptable est atteint, l’ajustement peut être exporté en cliquant avec le bouton droit de la souris sur l’écran d’ajustement, ce qui permet d’exporter les données dans le presse-papiers pour les coller dans un programme souhaité ou sous forme d’image pour une visualisation rapide. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 11 : La contrainte et la fixation des valeurs des paramètres Single Kinetic Fit peuvent être effectuées si un ou plusieurs paramètres sont bien connus. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 12 : Fenêtre de décomposition à valeur unique avec composantes principales montrant à quoi ressembleront la trace et les composantes lorsque suffisamment de composantes principales seront ajoutées. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 13 : Fenêtre d’ajustement global avant la génération de l’ajustement de l’analyse globale. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 14 : Fenêtre d’ajustement global montrant les résultats de l’ajustement d’analyse global. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 15 : Menu Fichier pour l’enregistrement et l’exportation de fichiers. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 16 : Exemples de correction et d’ajustement de chirp sous-optimaux. (A) démontre un mauvais ajustement cinétique unique. Le type de résidu structuré illustré dans le panneau A indique généralement qu’une durée de vie supplémentaire est nécessaire pour ajuster les données. Notez que le résidu plonge en dessous de zéro à des moments plus courts et est élevé au-dessus de la ligne zéro à des durées de vie plus longues. (B) démontre une correction correcte du chirp à l’aide du bouton de prévisualisation, dans laquelle les caractéristiques sont redressées et aucune courbure n’est présente dans les données. (C) démontre une correction de chirp incorrecte dans laquelle il y a une courbure notable présente dans la partie bleue du spectre, indiquant que la fonction de chirp surcorrige dans cette région. (D) présente un mauvais ajustement de l’analyse de la durée de vie globale dans lequel le surajustement (y compris trop de paramètres) a entraîné des DADS « symétriques » (qui ressemblent à des images miroir les uns des autres sur l’axe des x) de plages de durée de vie similaires qui s’annulent essentiellement. Lorsque ces caractéristiques sont observées, l’ajustement ne doit pas être utilisé. (E) présente un mauvais ajustement global dans lequel trop de paramètres ont entraîné une durée de vie très courte avec une très grande amplitude. Le problème présent en (E) peut également apparaître si les artefacts autour du temps zéro ne sont pas correctement corrigés et que l’ajustement se concentre sur la minimisation du résidu en mettant trop l’accent sur la durée de vie très courte (qui n’est pas physiquement significative). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire 17 : Exemple de données TAS avec diffusion Raman. La diffusion est présente autour du temps zéro et coïncide avec la longueur d’onde d’excitation de la pompe. La diffusion consiste en une série de pics aigus avec un pic positif très intense bleu de l’excitation de la pompe et un pic négatif rouge de l’excitation de la pompe. Cette fonctionnalité ne peut pas être raisonnablement empêchée et doit être recadrée des données pour éviter d’interférer avec les résultats de l’ajustement. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Fichier supplémentaire 1 : Fichier qui contient le jeu de données de ce tutoriel (POPOP data_POPOP-inEtOH.ufs). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Fichier supplémentaire 2 : Fichier contenant un jeu de données vierge pour ce tutoriel (POPOP data_BLANK.ufs). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Fichier supplémentaire 3 : Fichiers d’information à l’appui contenant des commentaires supplémentaires sur l’ajustement de la réponse au solvant, la correction des frottements et la soustraction des surfaces. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Considérations générales pour la préparation des données
L’ajustement des données d’AT peut sembler à première vue relativement simple, et on pourrait s’attendre à ce qu’une « réponse » correcte claire en résulte pour un ensemble de données donné. Cependant, comme le souligne le protocole, de nombreux facteurs dans l’acquisition, la préparation et l’analyse des données doivent être soigneusement pris en compte et peuvent entraîner une incertitude quant au modèle ou à l’ensemble de paramètres d’ajustement qui décrit le mieux les données. L’objectif de la préparation et de l’ajustement des données est de réduire autant que possible ces facteurs superflus, tout en préservant les données pour l’analyse. La tâche à accomplir peut sembler intimidante pour un débutant, car il y a beaucoup à considérer. Pour développer l’intuition sur le processus d’ajustement, le débutant est encouragé à essayer de préparer les mêmes données plusieurs fois à partir de zéro de manière légèrement différente pour vérifier l’impact des étapes de préparation des données sur le meilleur ajustement. De plus, deux chercheurs différents peuvent préparer et ajuster les mêmes données et comparer les résultats. Ce processus peut prendre du temps les premières fois, mais cela permettra au débutant de développer une intuition sur la façon de préparer systématiquement les données pour les échantillons futurs. Comme toute compétence, cette préparation et cet ajustement des données prendront du temps à développer, et le débutant est encouragé à être patient et discipliné lors de l’expérimentation et de l’apprentissage du processus. L’ensemble de données utilisé dans cette étude est fourni pour donner au débutant la possibilité de s’adapter directement au tutoriel et de comparer directement les résultats avec ceux produits dans le tutoriel.

Les données peuvent contenir des caractéristiques de fond qui sont présentes à tout moment (figure supplémentaire 2 et figure supplémentaire 3) telles que la diffusion du faisceau de la pompe et l’émission spontanée de l’échantillon. Ces caractéristiques indésirables doivent être supprimées afin d’isoler le signal d’absorption transitoire de l’espèce d’intérêt11. La suppression de ces caractéristiques se fait en choisissant, en faisant la moyenne et en supprimant la contribution d’un certain nombre de spectres de différence de temps négative. Lors de la sélection des spectres de fond, il est important de s’assurer qu’aucune caractéristique qui pourrait faire partie du processus d’intérêt n’est incluse pour la suppression. Des caractéristiques de fond provenant du solvant, telles que l’absorption des impuretés ou du solvant lui-même, peuvent également être observées dans les données d’AT. Lorsque le solvant produit un signal, un ensemble de données « vierges » contenant uniquement le solvant analysé dans les mêmes conditions expérimentales que l’échantillon devra être soustrait de l’ensemble de données de l’échantillon. Les détails de cette procédure sont inclus dans le dossier supplémentaire 3.

La correction du chirp est un autre facteur à considérer attentivement. Le bip se produit lorsque l’impulsion de la sonde se déplace vers l’échantillon et s’élargit en raison d’imperfections dans les rétroviseurs de direction ou en passant à travers des optiques dispersives telles que des lentilles ou des filtres. Le résultat final est que les photons de plus faible énergie dans l’impulsion de la sonde (c’est-à-dire le côté rouge du spectre de la sonde) arrivent à l’échantillon avant les photons de plus haute énergie (c’est-à-dire le côté bleu du spectre de la sonde). Il en résulte que le « temps zéro » des spectres TA est étalé sur plusieurs femtosecondes ou picosecondes18, ce qui se manifeste par une courbe distincte dans l’ensemble de données brutes commençant dans les longueurs d’onde bleues puis s’aplatissant à mesure qu’il s’approche du rouge (Figure supplémentaire 7). Le chirp est plus perceptible sur des échelles de temps plus courtes telles que celles auxquelles accède l’AT ultrarapide. Ce temps zéro dépendant de la longueur d’onde peut être corrigé comme décrit dans le protocole, mais l’application de ce processus peut être délicate et subjective. Le fait de disposer d’un échantillon « vierge » ou d’une mesure de la réponse Kerr du solvant peut minimiser la nature subjective des points de prélèvement manuel pour la correction du chirp nécessaire pour générer l’ajustement polynomial utilisé pour ajuster et corriger le chirp. Le but de la correction de chirp est de supprimer la « courbe » distincte du temps zéro. Il peut falloir plusieurs tentatives d’ajustement du chirp pour obtenir les meilleures données corrigées par chirp. Les données peuvent être ajustées plusieurs fois avec différentes corrections de chirp appliquées afin de comprendre l’impact de la correction de chirp sur les valeurs des courtes durées de vie des TA.

Artefacts qui apparaissent au « temps zéro »
Plusieurs artefacts peuvent être observés près du « temps zéro » dans les données TA, notamment la diffusion de Rayleigh, la diffusion Raman stimulée et la modulation de phase croisée. La diffusion de Rayleigh du faisceau de la pompe est une diffusion élastique qui se produit sans changement d’énergie. Cette fonction apparaîtra à la même longueur d’onde que l’impulsion de la pompe. Une diffusion Raman stimulée peut accompagner le signal de diffusion de la pompe19. La diffusion Raman, qui résulte de la diffusion inélastique d’un photon de pompe, produit des pics à la fois à une énergie plus élevée (anti-Stokes) et plus faible (Stokes) que l’énergie incidente de la pompe. Dans les données TA, une diffusion Raman stimulée est observée en raison de l’irradiation simultanée de l’échantillon avec les faisceaux de la pompe et de la sonde. Lorsque le faisceau de la sonde interagit avec l’échantillon en même temps que le faisceau de la pompe, il stimule le processus Raman. Par conséquent, la diffusion Raman stimulée se produit autour du temps zéro et entraîne des pics supplémentaires dans les spectres dans les premières centaines de femtosecondes (Figure 6, observée dans le spectre bleu plus foncé dans la région mise en évidence et Figure supplémentaire 17). La modulation de phase croisée provient de la modulation de l’indice de réfraction du solvant à partir de l’interaction avec le champ électrique intense d’une impulsion.

La diffusion Raman stimulée peut être distinguée de la modulation de phase croisée car les pics Raman apparaissent à des fréquences spécifiques qui correspondent aux modes vibratoires du solvant. Comme il s’agit d’un processus Raman, on peut observer des lignes de Stokes et d’anti-Stokes de part et d’autre de l’excitation. Les solvants chlorés comme le chlorure de méthylène présentent des bandes Raman très importantes en raison de la grande polarisabilité du chlore. Les signatures spectrales de la modulation de phase croisée sont uniques à un solvant mais ne sont pas aussi faciles à prédire que les caractéristiques de diffusion Raman.

Selon la cinétique de l’échantillon mesuré, la diffusion de Rayleigh, la diffusion Raman et la modulation de phase croisée peuvent chevaucher les premières caractéristiques des données TA et peuvent être difficiles à supprimer des données. En principe, ces caractéristiques peuvent être observées dans une mesure nette du solvant et, soustraites des données, les programmes d’analyse de données peuvent avoir des fonctions d’ajustement pour tenir compte de ces caractéristiques, mais en pratique, cela peut être difficile. Lorsqu’il est trop difficile de soustraire ces artefacts sans compromettre les données de l’échantillon, il peut être préférable de recadrer les spectres compromis vers le temps zéro pour éliminer les artefacts. Cela aura pour effet secondaire malheureux de supprimer les 300 premiers fs de données, mais rendra l’ajustement plus fiable par la suite. Au cours de l’analyse de plusieurs ensembles de données du même échantillon et d’échantillons différents, le débutant acquerra l’intuition pour atteindre cet équilibre entre la soustraction de la surface d’arrière-plan et le recadrage des données initiales de 100 à 200 fs.

Un recadrage général peut être nécessaire pour les parties des spectres qui contiennent un faible rapport signal/bruit. L’instabilité du faisceau de la sonde à certaines régions, la faible intensité de la lumière de la sonde, les concentrations d’échantillon trop élevées (bloquant ainsi une grande partie de la sonde incidente), la faible intensité de la pompe et la section efficace d’absorption de l’échantillon sont des responsables typiques d’un faible rapport signal/bruit qui peut rendre l’ajustement des données difficile. Dans ces cas, le recadrage de l’ensemble de données de chaque côté de la fenêtre optique afin d’atteindre le niveau souhaité de rapport signal/bruit peut faciliter le processus d’ajustement.

Un ensemble de données est prêt à être analysé une fois qu’il a été suffisamment recadré pour éliminer les sections médiocres de l’ensemble de données, que le chirp a été corrigé et que les spectres de fond ont été moyennés et soustraits. Cette procédure doit aboutir à des données qui ne contiennent que les parties les plus pertinentes pour la photophysique et la photochimie d’intérêt. En effet, il est clair qu’il y a un certain degré de subjectivité dans ce processus. L’objectif de la préparation des données est de trouver un équilibre entre la suppression des artefacts afin qu’ils ne perturbent pas l’ajustement, mais pas au point de compromettre l’intégrité de l’ensemble de données, entravant ainsi son interprétation. Trouver cet équilibre prend du temps et de l’expérience pour construire l’intuition de ce qui est un artefact et de ce qui est une donnée. Ajuster (et réajuster) le même ensemble de données à plusieurs jours différents, ou demander à deux chercheurs d’ajuster les mêmes données, peut être un moyen de minimiser l’erreur humaine et la subjectivité de la préparation et de l’analyse des données.

Considérations générales pour l’ajustement et l’interprétation
Une fois les spectres TA bruts traités, ils doivent être interprétés et modélisés pour extraire des informations sur les espèces et la dynamique présente dans le système d’intérêt. Ce processus peut être décrit comme une procédure en trois étapes qui comprend l’interprétation spectrale initiale, la modélisation quantitative et l’attribution de l’interprétation spectrale au modèle ou à l’ajustement.

Interprétation spectrale initiale : Dans l’étape d’interprétation spectrale, l’objectif est d’attribuer des caractéristiques présentes dans les spectres TA à des états électroniques accessibles dans l’évolution photophysique ou photochimique du système. Pour commencer, il convient d’identifier différents États. Dans ce travail, les états font référence à des états électroniques uniques qui font partie de l’évolution photophysique ou photochimique du système. Un état, représenté par exemple par une courbe d’énergie potentielle spécifique (PEC), possède un ensemble de pics caractéristiques représentant son spectre d’absorption. Un changement qui se produit dans un seul état est appelé un processus. Un processus photophysique peut apparaître dans les spectres TA sous la forme d’un décalage de pic ou d’une modification de la largeur du spectre. L’aspect clé d’un processus est que la population de l’État reste la même (c’est-à-dire que le processus se déroule dans un PEC donné) ; C’est la distribution de l’énergie au sein de l’État qui change. Un changement dans la population d’un État sera appelé transition. Au cours d’une transition, le système évolue vers un autre PEC (c’est-à-dire un état électronique). Les transitions peuvent inclure la conversion interne (IC), le croisement intersystème (ISC), le transfert de charge, le transfert d’énergie, la formation de nouveaux produits ou le retour à l’état fondamental. Les directives pour l’affectation d’états, de processus et de transitions sont abordées dans les paragraphes suivants.

Affectation d’états
La première étape de ce processus consiste à attribuer des caractéristiques spectrales à des espèces ou des états chimiques spécifiques. L’état S1 en TA doit montrer une durée de vie qui correspond à la durée de vie de la fluorescence prise à l’aide de la spectroscopie d’émission résolue en temps. Un état triplet peut être vérifié si sa durée de vie est éteinte par l’oxygène. Si un anion ou un cation radical est suspecté dans l’évolution photophysique, une spectroélectrochimie ou une oxydation/réduction chimique peut être effectuée pour générer l’espèce radicalaire, et un spectre d’absorption de cette espèce peut être obtenu et comparé à la forme de bande TA. La spectroscopie par résonance de spin électronique (ESR) peut être réalisée pour vérifier la présence de radicaux libres. Un excellent tutoriel organisé par la division de chimie inorganique de l’ACS donne un aperçu de l’AT et de ces considérations dans l’attribution des caractéristiques20. Une fois que les bandes ont été attribuées aux espèces, l’étape suivante de l’interprétation des spectres TA consiste à décrire qualitativement les processus dynamiques qui se produisent dans le système. Cette étape est essentielle car elle donne au chercheur une idée des modèles appropriés pour décrire son système et lui donnera une base de référence à laquelle comparer les paramètres d’ajustement.

Changements au sein d’un état
Le refroidissement vibratoire, le réarrangement géométrique ou la solvatation sont des processus extrêmement rapides (inférieurs à 10 ps) qui peuvent être observés avec l’AT. Le refroidissement vibratoire est observé comme un décalage rapide vers le bleu du spectre TA sur une échelle de temps de plusieurs picosecondes 21,22,23. Un réarrangement géométrique peut se produire sur l’échelle de temps de 10 ps. La dynamique de solvatation est observée sous la forme d’un décalage vers le rouge et d’un rétrécissement du spectre sur plusieurs picosecondes dans les liquides dipolaires conventionnels, mais les solvants à haute viscosité tels que le glycérol, le polyéthylène glycol (PEG), les liquides ioniques et les solvants eutectiques profonds peuvent présenter une dynamique de solvatation se produisant sur plusieurs nanosecondes 24,25,26.

Changements dans la population d’un État
Les réactions sont caractérisées par un changement d’intensité d’une bande, où une diminution d’intensité est associée à une diminution de la concentration de ses espèces chimiques et inversement pour une augmentation. Dans certains cas, les espèces de réactif et de produit sont visibles dans les spectres, tandis que dans d’autres, les états du produit sont trop courts ou trop décalés vers le rouge pour être observés. Souvent, les transitions d’état à état peuvent être observées par la présence d’un point isobestique dans les spectres.

Modélisation/ajustement quantitatif : Un modèle doit ensuite être ajusté aux données afin d’extraire des informations quantitatives sur la dynamique du système. Comme décrit précédemment dans l’introduction, il existe une vaste gamme de modèles à utiliser. Ce protocole se concentre sur deux des méthodes les plus courantes : l’ajustement d’une seule longueur d’onde et l’analyse globale. La méthode à longueur d’onde unique consiste à ajuster les traces de longueur d’onde individuelles des spectres à une forme fonctionnelle, généralement une somme d’exponentielles :

Equation 2(2)

où ΔA(t) est le signal TA à une longueur d’onde choisie, n est le nombre de composantes exponentielles, et aiest l’amplitude de la composante exponentielle, i, avec une constante de temps τi. Plusieurs composants peuvent être ajoutés jusqu’à ce que l’ajustement reproduise les données expérimentales. L’objectif de tout processus d’ajustement est de modéliser les données en utilisant suffisamment de durées de vie pour bien reproduire les données, mais pas de surajuster les données en incluant trop de composants. Par conséquent, des paramètres pondérés de qualité de l’ajustement tels que Equation 4, sont utilisés pour aider à déterminer quand les données sont ajustées dans les incertitudes expérimentales5.

Une fois la désintégration ajustée de manière satisfaisante, les paramètres du modèle peuvent être utilisés pour caractériser la dynamique du système. Les constantes de temps résultantes peuvent ensuite être extraites et interprétées. Malheureusement, le grand nombre de caractéristiques qui se chevauchent dans les spectres TA signifie qu’une seule longueur d’onde dans le spectre peut contenir des dynamiques correspondant à différentes espèces dont les signatures spectrales se chevauchent, ce qui signifie que les constantes de temps extraites d’un ajustement de longueur d’onde unique peuvent représenter un composite de plusieurs processus coïncidants. De plus, tout changement de forme et de position de la bande influencera également les amplitudes et les constantes de temps extraites de l’ajustement d’une seule longueur d’onde. Ces problèmes peuvent être contournés dans certains cas par une méthode d’ajustement appelée « analyse de la forme de bande », où l’on détermine ou suppose une forme fonctionnelle pour les bandes TA de chaque espèce absorbante dans le système. Ces formes sont ensuite pondérées par des amplitudes dépendantes du temps et additionnées afin de reproduire le spectre observé. Cette procédure est couramment utilisée dans l’analyse des spectres de fluorescence résolus en temps, mais les formes plus compliquées et les composantes qui se chevauchent des bandes TA rendent cette méthode défendable dans quelques cas simples seulement, comme détaillé ailleurs10.

Un autre inconvénient de l’ajustement à longueur d’onde unique est qu’il ne tire pas intrinsèquement parti de la large gamme spectrale offerte par les expériences TA modernes. On pourrait, en principe, ajuster méthodiquement chaque longueur d’onde individuelle des spectres, mais une telle analyse est lourde, longue et coûteuse en calcul. Pour relever ce défi, une méthode appelée « analyse globale » peut être utilisée pour ajuster simultanément un ensemble complet de spectres TA à un ensemble de paramètres dynamiques partagés4. L’analyse globale, et une méthode étroitement liée appelée analyse cible, sont des méthodes efficaces et largement utilisées, mais elles présentent également leur propre ensemble d’inconvénients et de limites. Comme pour tout modèle, il est impératif de comprendre les hypothèses qui sont utilisées pour le créer ainsi que les limites qu’elles présentent.

Dans l’analyse globale, les spectres TA sont représentés par une matrice m par n, où m représente le nombre de longueurs d’onde mesurées dans chaque spectre et n représente le nombre de points temporels collectés. Cette matrice est alors supposée décomposable en produit de deux autres matrices :

Equation 3(3)

où C(t) est une matrice n par k et S(λ) est une matrice m par k. La valeur k représente le nombre de composantes spectrales distinctes utilisées pour reproduire les spectres. Chacun de ces composants représente une espèce absorbante avec une signature spectrale et une dynamique uniques. La matrice S(λ) représente les spectres TA des k composantes et C(t) leurs concentrations en fonction du temps. Dans l’implémentation la plus simple et la plus courante de l’analyse globale, chaque composante est supposée avoir une cinétique exponentielle unique (i = 1 dans l’équation 2, chaque composante se voyant attribuer sa propre constante de temps). En résumé, le spectre TA complet peut être représenté par la somme des composantes de k spectres, chacune ayant son propre spectre d’absorption caractéristique et sa décroissance exponentielle unique.

Lorsque les spectres TA sont ajustés, l’utilisateur devine combien de composantes (c’est-à-dire une valeur pour k) sont nécessaires et devine la constante de temps associée à une décroissance exponentielle unique de ces espèces. L’ajusteur génère ensuite Cguess(t) et résout l’équation 3 pour Sfit(t). Ensuite, Sfit(λ) et Cguess(t) sont multipliés comme dans l’équation 3 pour créer les spectres ajustés, ΔA(λ,t)fit. Enfin, les résidus, ΔA(λ,t)exp − A(λ,t)fit, sont minimisés et les constantes optimalesd’ajustement S (λ) et de temps sont renvoyées. La relative simplicité de l’analyse globale, représentant un ensemble complet de spectres à l’aide d’une poignée de constantes de temps et de composantes spectrales fixes, en fait une méthode attrayante (et efficace) pour démêler les formes de bande et la dynamique complexes rencontrées en spectroscopie TA. Cependant, il faut veiller à ce que l’analyse globale soit un modèle approprié pour le système en question.

Une hypothèse clé de l’analyse globale, illustrée dans l’équation 3, est la séparabilité complète des parties longueur d’onde et temps de la dynamique, une propriété appelée « bilinéarité ». Cette hypothèse exige que les formes de bande des composantes soient indépendantes du temps (c’est-à-dire qu’elles ont une forme spectrale fixe qui ne varie pas ou ne se déplace pas avec le temps). La seule chose qui change au cours de l’expérience est la population relative de chaque composant, représentée par C(t). Sur de longues échelles de temps, ~1 ns environ, cette hypothèse est généralement valable et l’analyse globale peut être utilisée sans trop de soucis. D’autre part, les processus à l’état excité tels que le refroidissement vibrationnel et la dynamique de solvatation, importants sur les échelles de temps ultrarapides accessibles par l’AT femtoseconde, entraînent des changements dans la signature spectrale d’une espèce en fonction du temps et une rupture de la bilinéarité. Cela ne signifie pas que l’analyse globale ne peut pas reproduire un ensemble de données, en fait, elle peut toujours produire un ajustement satisfaisant à condition qu’un nombre suffisant de composants soient utilisés. Le problème réside alors dans l’interprétation des spectres des composantes et l’attribution des constantes de temps à des processus particuliers à l’état excité, car les composantes peuvent ne plus correspondre à des espèces absorbantes distinctes. Par conséquent, il faut toujours faire preuve de prudence lorsqu’on applique une analyse globale à des situations où la bilinéarité ne peut être supposée.

Attribution de l’interprétation spectrale au modèle/ajustement : Une fois qu’un ajustement est obtenu, l’interprétation spectrale doit être mise en correspondance avec les durées de vie obtenues dans l’ajustement. Les durées de vie à partir de l’ajustement sont attribuées aux processus et aux réactions qui ont été identifiés lors de l’interprétation initiale des spectres. Cependant, l’évaluation initiale à partir des spectres et le nombre de durées de vie ajustées obtenues par le modèle peuvent ne pas correspondre immédiatement les uns aux autres. Dans cette situation (courante !), l’ajusteur doit revenir en arrière et évaluer l’interprétation initiale. Peut-être y avait-il un refroidissement vibratoire ou un autre processus qui a été omis dans l’évaluation initiale, mais qui a été identifié dans le processus de modélisation et d’ajustement. Ou peut-être que deux ensembles différents de paramètres d’ajustement pourraient bien reproduire les données et que l’interprétation initiale pourrait guider l’ensemble de paramètres d’ajustement choisi. Dans cette dernière étape, l’ajusteur doit faire des allers-retours entre l’interprétation et l’ajustement pour trouver une description qui mène à une attribution photophysique plausible de l’espèce et de la dynamique du système. D’autres programmes d’ajustement qui incluent des modèles d’ajustement séquentiel, tels que l’analyse des cibles, peuvent également être explorés pour compléter les ajustements produits par l’analyse globale et le logiciel d’ajustement présenté dans cet article4.

En résumé, ce protocole traite de la préparation et de l’ajustement des données d’absorption transitoire. Son objectif est de mettre en évidence les défis associés au processus et de commenter les moyens d’éviter ou d’atténuer ces défis de manière pratique. L’ajustement des données d’AT, comme celui de la plupart des données rencontrées dans les domaines techniques, peut être délicat et, parfois, subjectif. Par conséquent, il est essentiel d’être conscient du processus et des limites des données, de la préparation des données et des outils mathématiques utilisés pour modéliser et attribuer un sens aux données. Les scientifiques doivent aborder les données et la modélisation avec un œil critique.

On peut tenter d’atténuer la subjectivité de leurs crises. Par exemple, les données peuvent être préparées et ajustées à partir de différents points de départ et à différents jours pour s’assurer que le même ajustement est produit. Les données prises à des jours différents avec différentes préparations d’échantillons peuvent être comparées. Plusieurs chercheurs peuvent ajuster les mêmes données et comparer leurs résultats. Au fil du temps, les chercheurs peuvent se forger une intuition sur les données qu’ils obtiennent (en fonction des spécificités de leur dispositif expérimental et de leurs paramètres expérimentaux) qui leur permettra d’être plus confiants dans leurs ajustements.

Il y a beaucoup à apprendre sur l’ajustement des données TA et les détails des modèles abordés dans cet article. Plusieurs excellents articles de synthèse sont recommandés avec enthousiasme qui approfondissent ce sujet 4,10,27. Ce protocole est destiné à être la porte d’entrée d’un débutant dans le processus d’analyse et d’ajustement qui suscite l’intérêt pour une compréhension plus approfondie du processus.

Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été rendu possible grâce au programme d’instrumentation de recherche majeure de la NSF qui a établi l’installation laser multi-utilisateurs pour l’absorption transitoire (CHE-1428633). Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par la National Science Foundation dans le cadre de la subvention No. CHE-2313290.

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

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