瞬态光谱学:描述分子激发态的泵-探针技术

瞬态光谱包含一套强大的技术，用于探测和表征光化学或光物理相关分子的短寿命激发态(瞬态)的电子和结构性质。这些状态在光子被吸收时被进入，本质上代表分子的更高能量形式，不同于电子和/或核几何分布中的最低能量基态。

例如，研究金属中心配合物和有机卟啉的激发态，无论是合成的还是自然产生的，都具有根本意义。这些广泛的无机化合物家族在光电分子器件和生物探针等技术中具有广泛的适用性。人们希望探测相关激发态内电荷的确切分布(例如，在光激发后，一个能量激发的电子位于非对称分子的哪个区域和哪个轨道上)，并常常获得跟踪状态进展的动态信息，通常从微秒到亚皮秒范围。

光化学上有趣的分子典型地表现出对光的有效吸收，并且通常由单个的分子亚单位组成，它们之间的电子相互影响可以为整个系统注入一些非常有趣和有用的性质，主要是有趣的光诱导性质，即作为复合物与光子相互作用的结果而产生的分子过程，如发射、电子/能量转移和光化学。

通过对瞬态激发态的复杂检测和表征，可以定义分子亚基的光物理影响，从而开始智能地设计更多更有效的光活性分子。例如，这些分子通常能够以这些光敏化的形式与它们的分子环境(如溶剂、薄膜、溶胶凝胶或生物分子)相互作用或进一步受其影响，因此可以设计为局部分子环境的有效探针。

通过对瞬态激发态的复杂检测和表征，可以定义分子亚基的光物理影响，从而开始智能地设计更多更有效的光活性分子。例如，这些分子通常能够以这些光敏化的形式与它们的分子环境(如溶剂、薄膜、溶胶凝胶或生物分子)相互作用或进一步受其影响，因此可以设计为局部分子环境的有效探针。

Photo-active分子也可以用作更大分子结构的“积木”。例如，金属中心配合物用于有结构组织的分子组合中，产生能够执行有用的光诱导功能的超分子物种。这些光化学分子器件(pmd)提供了材料和分子之间的桥梁，使纳米机器能够实现光诱导功能，如定向电子/能量转移。

在pmd中使用复合物的最有趣的原因直接源于自然。也许目前最精细有效的PMD是光合反应中心，它能将光能超高效地转化为化学能，这是由于光敏化后的电子转移过程非常可控而可能实现的。

虽然这种系统的复杂性使其无法合成复制，但人们普遍认为，设计能够成功复制这种自然光化学功能的人造pmd是完全在我们的掌握之中的。因此，许多研究的方向是构建能够进行光诱导分裂水为氢和氧分子装置。当与电极连接时，这些组件可以将光转化为电能，构成分子驱动光伏电池的基础。不难想象，基于这种技术的系统将对我们周围的世界产生什么样的影响，如果它们被纳入到实际的设备中。

Photo-active分子在…领域有广泛的兴趣生物学而且医学．例如，具有高量子产率的吸收和荧光光的小有机分子可以用来专门标记生物分子。这些荧光团可以被引入固定细胞或活细胞，而且还应尽可能地抵抗光化学变化，以便尽可能长时间地利用它们的发射特性。金属中心的酞菁等分子已成功地用作光敏剂光动力疗法(PDT)．在PDT中，光敏剂被光激活，但它不直接与细胞和组织反应。相反，它将能量传递给氧分子，形成一种特别有效的物种，称为“单线态氧”。在光敏剂传递能量后，它就会回到基态，在基态下它可以重新开始整个过程。

探索激发态的短暂存在

的组合脉冲激光和高性能多通道检测器允许有效的形成和检测瞬态物种。一组免费的泵浦探测技术经常用于激光光谱实验室，包括:

• 时间分辨共振拉曼(TR3)光谱
• 时间分辨发射光谱学
• 时间分辨吸收(瞬时吸收)光谱学

这些时间分辨技术可装配在各种光学配置跨越广泛的时间分辨率范围，从毫秒到飞秒。使用这种综合设施，提供灵活和可调的光源，覆盖所有时间量级，可用于生成最重要分子的完整光物理剖面，即完整的雅布隆斯基图。事实上，越来越明显的是，即使是最初的，极其短暂的，单线态激发态可以引起强烈的光化学兴趣。例如，视紫红质的光异构化，这是我们视觉的一个基本过程，被认为是从最初形成的瞬时状态发生的。

在实践中，完整的光物理机制通常是通过许多研究小组的共同努力(通常是合作)来构建的，每个研究小组都有不同的设备优势。例如，一个实验室可能专门研究超快(飞秒)瞬时吸收光谱，而另一个实验室可能配备纳秒TR3、吸收和荧光。

图1 [Ru(bpy)3]2+的3MLCT三重态激发态的瞬态吸收与瞬态共振拉曼光谱对比。一个有用的拉曼光谱区域只包含在~7.5nm之内。

一般来说,瞬态吸收和发射光谱提供瞬态电子性质的信息，并可通过光物理路径的各个阶段生成高质量的形成和衰减的动力学剖面。吸收带波长由探测激发态到更高激发态的跃迁能隙决定。发射带波长是由发射激发态和它衰减到的状态(通常是基态)之间的能量差决定的。虽然离散电子态的势阱最小值之间的能量间隙似乎很明确，但由于分子振动展宽和系综平均的影响，观察到的吸收/发射带通常会变宽(其程度取决于所研究的分子和被测系统的温度)。

拉曼光谱另一方面，它涉及到带宽更窄的特征，从这些数据中可以收集到更详细的结构信息。图1显示了常见金属中心配合物]Ru(bpy)3]2+的三重态激发态的瞬态吸收和瞬态拉曼光谱，展示了从拉曼方法可以得到的相对丰富的光谱细节。此外，由于共振拉曼(RR)效应也依赖并特定于与激光探针波长共能的特定发色团的吸收跃迁，因此可以生成高质量的RR数据，提供结构和电子信息。时间分辨共振拉曼光谱(TR3)通过引入泵-探针能力，将该技术扩展到时间维度。

图2 -快速帧速率光谱学与泵/探针光谱学

快速帧率光谱学

在图2的示意图中，快速帧速率光谱意味着所研究过程的信号具有足够的强度，可以使用一系列短曝光的动力学来记录“一次”的动态过程(例如快速光化学反应)。它还要求探测器能够以足够快的光谱帧率读出，以使过程的动力学能够被遵循。使用CCD探测器，这通常可以达到毫秒级的时间范围。这类工作最好的探测器无疑是最先进的光谱电子倍增CCD (EMCCD),和或牛顿^新兴市场它允许非常快的光谱率与单光子灵敏度结合> 90%的量子效率(QE)。

Pump-Probe技术

然而,在光化学而且photophysics人们经常需要研究光诱导路径更快和/或信号强度不足(如拉曼散射)的系统，因此使用快速帧率光谱的“单次”动力学研究是不切实际的。对于这些系统，泵探针时间分辨光谱是答案，其中样品体积被连续的短激光脉冲反复激发和探测，组合的“累积”信号被检测系统采集。

此外，这是对泵和探头之间的一系列可变时间延迟执行的，如右侧所示，使一个动力学剖面也可以组装。根据具体的技术，探针阶段可以表示打开一个加剧了CCD(ICCD)纳秒门，或探测激光脉冲的发射(或两者都发射)。

图3 -泵/探头时间分辨瞬态示意图

我们还必须考虑到激光抽运过程的低效率，它通常只将相对较小的百分比的探测样品体积转换为激发态流形-由于这个原因，信号强度也减弱了。重要的是，最快的时间分辨率可以通过泵浦探测方法实现，因为脉冲激光源的时间分辨率从纳秒到飞秒广泛存在，通常是泵浦和探针脉冲的时间重叠(相互关联)最终决定了系统的时间分辨率。然而，在某些纳秒配置中，门控ICCD探测器的时间分辨率在确定设置的时间分辨率方面也起着重要作用。最后，连续脉冲之间的时间(由脉冲代表率决定)不能超过所研究分子衰变回基态所需的时间。

泵-探针拉曼光谱

可以这么说，与典型的荧光量子产率相比，即使是增强的共振拉曼散射效应本身也很弱，当考虑到泵浦后典型的低转换率到激发态时，必须几乎总是使用长时间的总体CCD曝光(几分钟并不罕见)，在这期间会出现许多泵浦/探针激光脉冲序列，这是由系统的再现率决定的。

图4 -简化纳秒tr3设置示意图(后向散射几何)

在纳秒范围内，可以使用短门控ICCD相机(Andor iStar)，这样外部背景光和较长寿命的样品发射都可以被“门控出去”。例如，2ns门可以与探测激光(脉冲宽度相似或更小)同步，以收集拉曼散射，因为拉曼是一个协调的过程。这样一来，我们就可以排除大部分由泵浦激光器或探针激光器(通常两者都有)诱导的来自样品的较长寿命的辐射。

在TR3中，确保探针脉冲能量足够低也是至关重要的，以证明它本身不会导致样品体积的任何显著泵送到激发态。因此，在TR3中实现高信噪比(S/N)变得特别具有挑战性。一种解决方案是使用更长的总体曝光时间，从而增加泵/探头的重复次数，但通常必须注意过度曝光导致的样品光分解。因此，建议使用高量化和低噪声的高端探测器，以最大限度地提高可用信号。

对于纳秒TR3，可以选择使用带有III代+增强管的Andor iStar ICCD(产生> 40%峰值QE)，或使用Andor牛顿光谱EMCCD探测器> 90% QE(以使用非门控检测器为代价)。每种类型的探测器都有零读噪声下限，因此是单光子敏感的。对于皮秒TR3(即泵/探头脉冲之间具有2到3ps相互关联的时间分辨率)，必须使用非门控CCD。在这种情况下，高度灵活和强大的牛顿光谱EMCCD是一个很好的选择，因为它可以最大化信噪比，同时保持较短的总体曝光时间(因此脉冲数量限制在较低的破坏性水平)和探针能量。牛顿也可以选择通过一个传统的低噪声放大器读出，在这种模式下，它被配置为一个传统的背光CCD。

瞬态发射光谱学

对于纳秒时间范围内的多通道发射光谱，iStar ICCD提供了一种方法，可以在泵浦脉冲之后以定义的时间延迟探测发射剖面，而不需要第二个探测脉冲。对于皮秒时间分辨率的多通道检测，已经发展了一些创新的光学门控手段，如“克尔门”。在这种方法中，一个标准的慢扫描光谱CCD可以用来探测发射。对于克尔门方法，高QE背照探测器是最佳选择，以最大限度地提高信噪比，因为经常需要减去相对强烈的长寿命发射(例如来自三重态)，即使光学克尔门处于“关闭”状态，这些发射也可能通过光学克尔门泄漏。

瞬态吸收光谱法

对于多通道瞬态吸收光谱，在激光或LED激发后，在规定的延时下打开iStar ICCD门，由稳态或频闪白光源(如氙弧灯)聚焦到垂直于泵浦激光方向的探针体中探测吸收剖面，即可实现纳秒时间分辨率。在皮秒/飞秒时间范围内，可以用超快宽带白光连续探测脉冲探测瞬态吸收，通过光延迟线从泵浦光脉冲延迟。

检测相对较弱的瞬态吸收的困难之一是，与信号上的射光噪声相比，激发态种群可以使灯传输信号强度衰减相对较小的量(ΔT)。这就需要积累尽可能高的信号，以达到较高的信噪比。高QE CCD意味着这可以在较短的总体曝光时间内完成。然而，由于必须小心不要使CCD的像素饱和，因此获取信号的最佳方法是在“积累方式(光谱叠加)，其中多个背靠背的曝光量在每个时间点相加

一种快速积累/叠加瞬态吸收光谱的新方法是使用Zyla sCMOS探测器．在传感器区域内可以配置多个光谱轨迹，并以高达6000光谱/秒的非常快的光谱速率读出。可以采用这种方法同时获取同一传感器区域内的参考频谱和信号频谱，代表一种高效配置。

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