مقدمة لمعالجة بيانات الامتصاص العابر وتركيبها وتفسيرها
Summary
هذا البروتوكول هو مدخل المبتدئين إلى معالجة وتركيب وتفسير أطياف الامتصاص العابرة. ينصب تركيز هذا البروتوكول على إعداد مجموعات البيانات ، والتركيب باستخدام كل من حركية الطول الموجي الفردي وتحليل العمر العالمي. وتناقش التحديات المرتبطة ببيانات الامتصاص العابر وتركيبها.
Abstract
التحليل الطيفي للامتصاص العابر (TA) هو طريقة طيفية قوية يتم حلها زمنيا وتستخدم لتتبع تطور عمليات الحالة المثارة من خلال التغييرات في طيف امتصاص النظام. اقتصرت التطبيقات المبكرة ل TA على المختبرات المتخصصة ، لكن تطور أنظمة تسليم المفتاح التجارية جعل التقنية متاحة بشكل متزايد لمجموعات البحث في جميع أنحاء العالم. أنظمة TA الحديثة قادرة على إنتاج مجموعات بيانات كبيرة ذات دقة عالية الطاقة وزمنية غنية بالمعلومات الفيزيائية الضوئية. ومع ذلك ، يمكن أن تكون معالجة أطياف TA وتركيبها وتفسيرها أمرا صعبا بسبب العدد الكبير من ميزات الحالة المثيرة والتحف الآلية. يجب مراعاة العديد من العوامل بعناية عند جمع بيانات TA ومعالجتها وتركيبها من أجل تقليل عدم اليقين بشأن النموذج أو مجموعة معلمات الملائمة التي تصف البيانات بشكل أفضل. الهدف من إعداد البيانات وتركيبها هو تقليل أكبر عدد ممكن من هذه العوامل الدخيلة مع الحفاظ على البيانات للتحليل. في هذه الطريقة ، يتم تزويد المبتدئين ببروتوكول لمعالجة وإعداد بيانات TA بالإضافة إلى مقدمة موجزة لإجراءات ونماذج التركيب المختارة ، وتحديدا تركيب الطول الموجي الفردي وتحليل العمر العالمي. يتم تقديم تعليق على عدد من تحديات إعداد البيانات الشائعة وطرق معالجتها ، تليها مناقشة للتحديات والقيود المفروضة على طرق التركيب البسيطة هذه.
Introduction
التحليل الطيفي للامتصاص العابر (TA) هو تقنية طيفية تم حلها زمنيا تراقب تطور الأنواع المثارة ضوئيا من خلال التغييرات المعتمدة على الوقت في طيف امتصاصها بعد الإثارة بنبضة من الضوء. نظرا لأن TA هي تقنية امتصاصية ، يمكن تحديد الإشارات الطيفية التي تنشأ من الحالات التي تخضع لكل من التحولات الإشعاعية (أي الحالات التي تنبعث منها عادة فوتون) والتحولات غير الإشعاعية (الحالات التي عادة ما تكون غير فلورية وتخضع للتحويل الداخلي أو العبور بين الأنظمة أو المشاركة في التفاعلات الضوئية) ويمكن تحديد تطورها 1,2. اعتمادا على تفاصيل مصدر الإثارة وطريقة الكشف ، يسمح TA بالوصول إلى الحركية من الفيمتو ثانية إلى ما بعد الميكروثانية ومن الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، مما يجعلها أداة طيفية متعددة الاستخدامات. لقد تقدم تسويق مطياف TA بشكل كبير على مدى العقود العديدة الماضية ، مما أدى إلى وصول المزيد من المختبرات والمرافق إلى هذه التقنيةالقوية 2.
أنظمة TA الحديثة قادرة على إنتاج مجموعات بيانات كبيرة بدقة عالية الطاقة والزمانية. تأخذ مجموعات البيانات عموما شكل مصفوفة 2D لقيم فرق النفاذية أو الامتصاص كدالة للطول الموجي والتأخير الزمني بالنسبة لنبضة الإثارة. يمكن النظر إلى مجموعة البيانات هذه على أنها خريطة حرارية ثنائية الأبعاد أو خريطة طبوغرافية ثلاثية الأبعاد. أصبح تفسير هذه البيانات أكثر تعقيدا حيث يسعى الباحثون جاهدين لتضمين مجموعة البيانات بأكملها عند إنشاء نوبات تصف نظام اهتمامهم بشكل أفضل3.
على الرغم من أن TA يمكن أن يغطي مجموعة واسعة من الأطوال الموجية والمقاييس الزمنية ، إلا أن هذا البروتوكول يركز على أحد أكثر أشكاله التي يمكن الوصول إليها على نطاق واسع4: التحليل الطيفي عريض النطاق في المنطقة المرئية للأشعة فوق البنفسجية مدفوعا بليزر نابض فيمتو ثانية. يتم توفير مخطط 5,6 من هذه الأداة في الشكل 1. تبدأ التجربة بأخذ نبضة من الليزر وتقسيمها إلى نسختين. يتم استخدام نسخة واحدة من النبضة ، تسمى “المضخة” ، لإثارة العينة. عادة ما يتم استخدام جهاز مثل مكبر الصوت البارامتري البصري (OPA) لتحويل نبضة المضخة إلى الطول الموجي المطلوبللإثارة 5,7. تدخل النسخة الثانية من النبضة ، والتي تسمى “المسبار” ، مرحلة تأخير ميكانيكية ، والتي يمكن أن تغير التأخير الزمني بين المضخة ونبضات المسبار عن طريق تغيير المسافة التي تقطعها النبضة. ثم يتم تحويل نبضة المسبار ذات الطول الموجي الواحد إلى سلسلة متصلة من الضوء الأبيض باستخدام بلورة الياقوت أو فلوريد الكالسيوم (CaF2)8. يتم تمرير نبضة الضوء الأبيض عبر العينة ، ويتم قياس طيفها باستخدام كاشف النطاق العريض مثل كاميرا جهاز اقتران الشحن (CCD). من خلال قياس التغيرات في طيف نبضة الضوء الأبيض مع المضخة وبدونها ، يمكن قياس التغيرات في طيف امتصاص العينة الناجم عن المضخة ، ΔA (T). يتم توجيه القراء المهتمين نحو هذه المراجعة المفيدة9 لمزيد من المعلومات حول عملية الكشف.
في جميع أشكال التحليل الطيفي TA ، يتم حساب أطياف ΔA (t) عن طريق أخذ الفرق بين امتصاص الحالة الأرضية ،مسبار A ، وامتصاص الحالة المثارة ،مضخة + مسبار ، في تأخير زمني معين ، t ، بين النبضتين2،5،9،10.
(1)
لاحظ أنالمسبار A يعادل طيف امتصاص الحالة المستقرة للعينة وهو مستقل عن الوقت. تنشأ دقة وقت التجربة من التأخير بين المضخة والمسبار الذي تم التقاطه فيمضخة + مسبار (ر). يظهر الشكل 2 أ محاكاة لهذه البيانات.
على عكس أطياف الامتصاص المستقرة ، يمكن أن يكون لأطياف TA سمات إيجابية وسالبة بسبب الاختلاف المأخوذ في المعادلة 1. الميزات الإيجابية هي نتيجة لأنواع امتصاص جديدة تم إنشاؤها بواسطة نبضة المضخة ويمكن أن تمثل حالات كروموفور مثارة ، أو حالات ثلاثية ، أو إعادة ترتيب هندسي ، أو تأثيرات ذوبان ، أو منتجات ضوئية للحالة المثارة3. وستعرض في المناقشة مبادئ توجيهية عامة لتحديد هذه السمات وتخصيصها للأنواع الكيميائية. يمكن أن تنشأ السمات السلبية إما من مبيض الحالة الأرضية (GSB) أو الانبعاثات المحفزة (SE) (الشكل 2B). يرجع GSB إلى فقدان سكان الحالة الأرضية بعد امتصاص نبضة المضخة. لم تعد الجزيئات التي يتم ترقيتها إلى الحالة المثارة تمتص في نفس منطقة حالتها الأرضية. لذلك ، يتم امتصاص كمية أقل من نبضة المسبار ، ويمكن أن يكون الفرق في المعادلة 1 سالبا في تلك المنطقة. يتميز GSB بأن له نفس الشكل الطيفي مثل امتصاص الحالة الأرضية ولكن بعلامة معاكسة. تنتج إشارات SE عن الانبعاث من نوع الحالة المثارة التي يحفزها نبض المسبار3. ينتج عن الانبعاث من هذه الأنواع وصول المزيد من الضوء إلى الكاشف ، وهو ما يعادل امتصاص أقل عند تلك الأطوال الموجية. سيكون لإشارة SE شكل طيفي مماثل لطيف الانبعاث التلقائي للأنواع ، ولكن مع علامة سلبية ووزن تردد مختلف10.
بالإضافة إلى المعلومات حول أنواع الحالة المثارة ، يمكن أن تحتوي أطياف TA على عدد من القطع الأثرية والميزات الدخيلة التي يمكن أن تشوه الديناميات الأساسية وتحجب تخصيص نطاقاتالامتصاص 11. يمكن أن تؤدي المعالجة غير السليمة لهذه القطع الأثرية في إعداد البيانات وتحليلها إلى تطبيق نماذج فيزيائية ضوئية غير مناسبة على البيانات ، وبالتالي إلى استنتاجاتمضللة 11. لذلك ، يركز الجزء الأول من هذا البروتوكول على كيفية معالجة مجموعات بيانات TA بشكل صحيح بعد جمعها. الهدف من هذا القسم هو تزويد الباحثين الجدد في TA بمجموعة من الإرشادات التي ستساعد في تطوير الحدس والتقدير لإعداد ومعالجة بياناتهم بدقة.
بعد معالجة مجموعة البيانات ، يتوفر عدد كبير من الأدوات والنماذج لتركيب وتفسير الأطياف بمستويات مختلفة من التعقيد والدقة10. الهدف من القسم الثاني من هذا البروتوكول هو إعداد القارئ لتطبيق تركيب الطول الموجي الواحد والتحليل العالمي على البيانات وتقديم إرشادات حول متى تكون هذه النماذج مناسبة لوصف بياناتها. البرامج التجارية متاحة الآن بسهولة لإعداد ومعالجة بيانات TA ، مثل Surface Xplorer12,13 من أنظمة Ultrafast (مجانا للتنزيل والاستخدام ، انظر جدول المواد). تم إصدار بدائل مجانية أخرى من قبل الباحثين الأكاديميين ، مثل Glotaran14. Glotaran هو برنامج مجاني تم تطويره للتحليل العالمي والهدف لبيانات التحليل الطيفي والفحص المجهري التي تم حلها بمرور الوقت. إنه بمثابة واجهة مستخدم رسومية (GUI) لحزمة R TIMP14. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمستخدمين استخدام لغات البرمجة مثل Python لكتابة الرموز الخاصة بهم التي تجري التحليل. كل من هذه البرامج المناسبة وحلول البرمجة لها ميزات إيجابية تجعلها مساهمات مهمة. لغرض هذه الدراسة ، يمكننا تقديم برنامج واحد فقط للمكون المرئي لهذا النشاط. مناقشة متعمقة لكل برنامج تركيب خارج نطاق هذه المقالة.
توفر هذه المقالة إجراء خطوة بخطوة ل (1) معالجة بيانات TA ، (2) ملاءمة بيانات TA باستخدام حركية الطول الموجي الفردي والتحليل العالمي ، و (3) استخراج البيانات وتركيبها مع نماذج أخرى. يتم تضمين مجموعة من بيانات TA التمثيلية للقارئ لاستخدامها كممارسة (الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2). البيانات عبارة عن قياس لعينة 165 ميكرومتر من 1،4-مكرر (5-فينيلوكسازول-2-يل) بنزين (POPOP) في الإيثانول متحمس عند 330 نانومتر وتم جمعه على مدى من -5 ps إلى 5.5 ns. بالإضافة إلى ذلك ، تم جمع عينة “فارغة” تحتوي على الإيثانول فقط ولم يتم جمع أي عينة في ظل نفس الظروف التجريبية على مدى من -5 ps إلى 5 ps ، والتي تستخدم في إعداد البيانات للتركيب (الخطوة 1). تم جمع الأطياف باستخدام مطياف امتصاص عابر فائق السرعة. تم احتواء العينة في كوفيت بطول مسار 2 مم وتعرضت للتحريك المستمر. يعتمد إجراء المعالجة والتركيب الموصوف على برنامج Surface Xplorer الذي يلائم البيانات بتنسيق *.ufs، والذي سيطلق عليه هنا اسم “برنامج التركيب”. تتوفر برامج لتحويل مجموعات البيانات بتنسيقات أخرى إلى ملفات * .ufs15. على الرغم من أن تفاصيل هذا البروتوكول خاصة بجهاز Surface Xplorer، إلا أن الخطوات التالية قابلة للتعميم على أي حزمة برامج، تجارية أو منزلية. بالإضافة إلى ذلك ، قد يتم استخراج نتائج معالجة البيانات وملاءمتها باستخدام حزم البرامج الأخرى هذه. يوفر ملف المعلومات الداعمة (الملف التكميلي 3) نصائح إضافية حول التركيب.
Protocol
Representative Results
Discussion
اعتبارات عامة لإعداد البيانات
قد يبدو تركيب بيانات TA للوهلة الأولى واضحا نسبيا ، وقد يكون من المتوقع أن ينتج عن “إجابة” واحدة صحيحة واضحة لمجموعة بيانات معينة. ومع ذلك ، كما هو موضح في البروتوكول ، هناك العديد من العوامل في الحصول على البيانات وإعداد البيانات وتحليل البيانات التي يجب مراعاتها بعناية والتي يمكن أن تؤدي إلى عدم اليقين بشأن النموذج أو مجموعة المعلمات المناسبة التي تصف البيانات بشكل أفضل. الهدف من إعداد البيانات وتركيبها هو تقليل أكبر عدد ممكن من هذه العوامل الخارجية ، مع الحفاظ على البيانات للتحليل. قد تبدو المهمة المطروحة شاقة للمبتدئين ، حيث يوجد الكثير مما يجب مراعاته. لبناء الحدس حول عملية التركيب ، يتم تشجيع المبتدئين على محاولة إعداد نفس البيانات عدة مرات من البداية بطرق مختلفة قليلا للتحقق من مدى تأثير خطوات إعداد البيانات بشكل كبير على الأنسب. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لباحثين مختلفين إعداد نفس البيانات وملاءمتها ومقارنة النتائج. قد تستغرق هذه العملية وقتا طويلا في المرات الأولى ، ومع ذلك ، فإن القيام بذلك سيسمح للمبتدئين بتطوير الحدس حول كيفية إعداد البيانات باستمرار للعينات المستقبلية. مثل أي مهارة ، سيستغرق إعداد البيانات وتركيبها وقتا لتطويرها ، ويتم تشجيع المبتدئين على التحلي بالصبر والانضباط عند تجربة العملية وتعلمها. يتم توفير مجموعة البيانات المستخدمة في هذه الدراسة لإعطاء المبتدئين الفرصة لتتناسب مباشرة مع البرنامج التعليمي ، ومقارنة النتائج مباشرة مع تلك المنتجة في البرنامج التعليمي.
قد تحتوي البيانات على ميزات خلفية موجودة في جميع أوقات التأخير (الشكل التكميلي 2 والشكل التكميلي 3) مثل تشتت حزمة المضخة والانبعاث التلقائي للعينة. يجب إزالة هذه الميزات غير المرغوب فيها من أجل عزل إشارة الامتصاص العابرة عن الأنواع ذات الأهمية11. تتم إزالة هذه الميزات عن طريق اختيار ومتوسط وإزالة مساهمة عدد من أطياف فرق التوقيت السلبي. عند تحديد أطياف الخلفية ، من المهم التأكد من عدم تضمين أي ميزات قد تكون جزءا من عملية الاهتمام للإزالة. يمكن أيضا ملاحظة ميزات الخلفية الناشئة عن المذيب ، مثل الامتصاص من الشوائب أو المذيب نفسه ، في بيانات TA. عندما ينتج المذيب إشارة، يجب طرح مجموعة بيانات “فارغة” تحتوي على المذيب فقط في ظل نفس الظروف التجريبية بالضبط مثل العينة من مجموعة بيانات العينة. وترد تفاصيل هذا الإجراء في الملف التكميلي 3.
تصحيح الزقزقة هو عامل آخر يجب مراعاته بعناية. يحدث الزقزقة عندما تنتقل نبضة المسبار إلى العينة وتتسع بسبب عيوب في مرايا التوجيه أو عن طريق المرور عبر البصريات المشتتة مثل العدسات أو المرشحات. والنتيجة النهائية هي أن الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة في نبضة المسبار (أي الجانب الأحمر من طيف المسبار) تصل إلى العينة قبل الفوتونات ذات الطاقة الأعلى (أي الجانب الأزرق من طيف المسبار). ينتج عن هذا تلطيخ “الوقت صفر” لأطياف TA على مدى عدة فيمتو ثانية أو بيكو ثانية18 ، والذي يظهر كمنحنى مميز في مجموعة البيانات الأولية يبدأ في الأطوال الموجية الزرقاء ثم يتسطح مع اقترابه من اللون الأحمر (الشكل التكميلي 7). يكون الزقزقة أكثر وضوحا في المقاييس الزمنية الأقصر مثل تلك التي يتم الوصول إليها بواسطة TA فائق السرعة. يمكن تصحيح هذا الوقت المعتمد على الطول الموجي صفر كما هو موضح في البروتوكول ، ولكن تطبيق هذه العملية يمكن أن يكون صعبا وذاتيا. يمكن أن يؤدي وجود عينة “فارغة” أو قياس استجابة كير للمذيب إلى تقليل الطبيعة الذاتية لنقاط الانتقاء اليدوي لتصحيح الزقزقة اللازم لتوليد ملاءمة كثيرة الحدود المستخدمة لضبط وتصحيح الزقزقة. الهدف من تصحيح الزقزقة هو إزالة “المنحنى” المميز للوقت صفر. قد يستغرق الأمر عدة محاولات لتركيب الزقزقة للحصول على أفضل البيانات المصححة للزقزقة. يمكن أن تكون البيانات مناسبة عدة مرات مع تطبيق تصحيحات زقزقة مختلفة من أجل فهم تأثير تصحيح الزقزقة على قيم عمر TA القصير.
القطع الأثرية التي تظهر في “الوقت صفر”
يمكن ملاحظة العديد من القطع الأثرية بالقرب من “الوقت صفر” في بيانات TA ، بما في ذلك تشتت رايلي ، وتشتت رامان المحفز والتعديل عبر الطور. تشتت رايلي لشعاع المضخة هو تشتت مرن ينتج دون تغيير في الطاقة. ستظهر هذه الميزة بنفس الطول الموجي لنبضة المضخة. قد يصاحب تشتت رامان المحفز إشارة تشتت المضخة19. ينتج تشتت رامان ، الناتج عن التشتت غير المرن لفوتون المضخة ، قمم عند طاقة أعلى (مضادة للستوكس) وأقل (ستوكس) من طاقة المضخة الساقطة. في بيانات TA ، لوحظ تشتت رامان المحفز بسبب التشعيع المتزامن للعينة باستخدام المضخة وحزم المسبار. عندما يتفاعل شعاع المسبار مع العينة في نفس الوقت الذي يتفاعل فيه شعاع المضخة ، فإنه يحفز عملية رامان. لذلك ، يحدث تشتت رامان المحفز حول الوقت صفر وينتج عنه قمم إضافية في الأطياف خلال بضع مئات من الفيمتو ثانية الأولى (الشكل 6 ، لوحظ في الطيف الأزرق الداكن في المنطقة المميزة والشكل التكميلي 17). ينشأ التعديل عبر الطور من تعديل معامل انكسار المذيب من التفاعل مع المجال الكهربائي المكثف للنبضة.
يمكن تمييز تشتت رامان المحفز عن التشكيل عبر الطور لأن قمم رامان تظهر عند ترددات محددة تتوافق مع الأنماط الاهتزازية للمذيب. نظرا لأنها عملية رامان ، يمكن ملاحظة كل من خطوط ستوكس وخطوط مكافحة ستوكس على جانبي الإثارة. تظهر المذيبات المكلورة مثل كلوريد الميثيلين نطاقات رامان بارزة جدا بسبب الاستقطاب الكبير للكلور. تعتبر التوقيعات الطيفية للتشكيل عبر الطور فريدة من نوعها بالنسبة للمذيب ولكن لا يمكن التنبؤ بها بسهولة مثل ميزات تشتت رامان.
اعتمادا على حركية العينة التي يتم قياسها ، قد يتداخل تشتت رايلي وتشتت رامان والتعديل عبر الطور مع الميزات المبكرة لبيانات TA ويمكن أن يكون من الصعب إزالتها من البيانات. من حيث المبدأ ، يمكن رؤية هذه الميزات في قياس مذيب أنيق وطرحها من البيانات ، وقد يكون لبرامج تحليل البيانات وظائف مناسبة لحساب هذه الميزات ، ولكن من الناحية العملية ، قد يكون هذا صعبا. عندما يكون من الصعب جدا طرح هذه القطع الأثرية دون المساس ببيانات العينة ، فقد يكون من الأفضل اقتصاص الأطياف المخترقة حول الوقت صفر لإزالة القطع الأثرية. سيؤدي القيام بذلك إلى التأثير الجانبي المؤسف المتمثل في إزالة أول 300 fs تقريبا من البيانات ولكنه سيجعل التركيب أكثر موثوقية لاحقا. على مدار تحليل مجموعات بيانات متعددة من نفس العينات وعينات مختلفة ، سيكتسب المبتدئ حدسا في تحقيق هذا التوازن بين طرح سطح الخلفية مقابل اقتصاص بيانات 100-200 fs الأولية.
قد يكون الاقتصاص العام ضروريا لأجزاء من الأطياف التي تحتوي على إشارة منخفضة إلى الضوضاء. عدم الاستقرار في شعاع المسبار في مناطق معينة ، وانخفاض كثافة ضوء المسبار ، وتركيزات العينة المرتفعة جدا (وبالتالي منع الكثير من مسبار الحادث) ، وكثافة المضخة المنخفضة ، والمقطع العرضي للامتصاص للعينة هي الجناة النموذجيون لانخفاض الإشارة إلى الضوضاء التي يمكن أن تجعل البيانات المناسبة صعبة. في هذه الحالات ، يمكن أن يساعد اقتصاص مجموعة البيانات على جانبي النافذة الضوئية من أجل تحقيق المستوى المطلوب من الإشارة إلى الضوضاء في عملية التركيب.
تكون مجموعة البيانات جاهزة للتحليل بمجرد اقتصاصها بشكل كاف لإزالة الأقسام الضعيفة من مجموعة البيانات ، وتصحيح الزقزقة ، وحساب متوسط أطياف الخلفية وطرحها. يجب أن ينتج عن هذا الإجراء بيانات تحتوي فقط على تلك الأجزاء الأكثر صلة بالفيزياء الضوئية والكيمياء الضوئية ذات الأهمية. في الواقع ، من الواضح أن هناك درجة من الذاتية لهذه العملية. الهدف من إعداد البيانات هو تحقيق توازن بين إزالة القطع الأثرية بحيث لا تزعج التركيب ، ولكن ليس لإزالة الكثير بحيث يضر بسلامة مجموعة البيانات ، وبالتالي يعيق تفسيرها. يستغرق إيجاد هذا التوازن وقتا وخبرة لبناء الحدس لما هو قطعة أثرية وما هي البيانات. يمكن أن يكون تركيب (وإعادة ملاءمة) نفس مجموعة البيانات في عدة أيام مختلفة ، أو وجود باحثين يتناسبان مع نفس البيانات ، وسيلة لتقليل الخطأ البشري وذاتية إعداد البيانات وتحليلها.
اعتبارات عامة للتركيب والتفسير
بعد معالجة أطياف TA الخام ، يجب تفسيرها ونمذجتها لاستخراج معلومات حول الأنواع والديناميكيات الموجودة في نظام الاهتمام. يمكن وصف هذه العملية بأنها إجراء من ثلاث خطوات يتضمن التفسير الطيفي الأولي ، والنمذجة / التركيب الكمي ، وتعيين التفسير الطيفي للنموذج / التركيب.
التفسير الطيفي الأولي: في خطوة التفسير الطيفي ، الهدف هو تعيين الميزات الموجودة في أطياف TA للحالات الإلكترونية التي يتم الوصول إليها في التطور الضوئي الفيزيائي أو الكيميائي الضوئي للنظام. للبدء ، ينبغي تحديد حالات مختلفة. في هذا العمل ، تشير الحالات إلى الحالات الإلكترونية الفريدة التي تشكل جزءا من التطور الضوئي أو الكيميائي الضوئي للنظام. تمتلك الحالة ، التي يمثلها ، على سبيل المثال ، منحنى طاقة محتمل محدد (PEC) ، مجموعة من القمم المميزة التي تمثل طيف امتصاصها. يسمى التغيير الذي يحدث داخل حالة واحدة عملية. قد تظهر العملية الفيزيائية الضوئية في أطياف TA كتحول ذروة أو تغيير في عرض الطيف. الجانب الرئيسي للعملية هو أن عدد سكان الولاية يبقى كما هو (أي أن العملية تحدث داخل PEC) معين) ؛ إن توزيع الطاقة داخل الدولة هو الذي يتغير. سيشار إلى التغيير في عدد سكان الدولة على أنه انتقال. أثناء الانتقال ، يتطور النظام إلى PEC آخر (أي الحالة الإلكترونية). قد تشمل التحولات التحويل الداخلي (IC) ، أو عبور الأنظمة البينية (ISC) ، أو نقل الشحن ، أو نقل الطاقة ، أو تكوين منتجات جديدة ، أو العودة إلى الحالة الأرضية. تتم مناقشة الإرشادات الخاصة بتعيين الحالات والعمليات والانتقالات في الفقرات التالية.
تعيين الدول
تتضمن الخطوة الأولى في هذه العملية تعيين ميزات طيفية لأنواع أو حالات كيميائية محددة. يجب أن تظهر حالة S1 في TA عمرا يطابق عمر التألق المأخوذ باستخدام التحليل الطيفي للانبعاث الذي تم حله بمرور الوقت. يمكن التحقق من الحالة الثلاثية إذا تم إخماد عمرها بالأكسجين. في حالة الاشتباه في وجود أنيون جذري أو كاتيون في التطور الفيزيائي الضوئي ، يمكن إجراء الكيمياء الطيفية أو الأكسدة / الاختزال الكيميائي لتوليد الأنواع الجذرية ، ويمكن الحصول على طيف امتصاص لهذا النوع ومقارنته بشكل النطاق TA. يمكن إجراء التحليل الطيفي لرنين الدوران الإلكتروني (ESR) للتحقق من وجود الجذور الحرة. يقدم حديث تعليمي ممتاز يستضيفه قسم الكيمياء غير العضوية في ACS نظرة عامة على TA ومثل هذه الاعتبارات في تعيين الميزات20. بعد تخصيص النطاقات للأنواع ، فإن الخطوة التالية في تفسير أطياف TA هي الوصف النوعي للعمليات الديناميكية التي تحدث في النظام. هذه الخطوة حيوية لأنها تعطي الباحث فكرة عن النماذج المناسبة لوصف نظامهم وستعطيهم خط أساس لمقارنة المعلمات المناسبة.
التغييرات داخل الدولة
التبريد الاهتزازي أو إعادة الترتيب الهندسي أو الذوبان هي عمليات سريعة للغاية (sub-ps إلى 10’s ps) يمكن ملاحظتها باستخدام TA. لوحظ التبريد الاهتزازي على أنه تحول أزرق سريع لطيف TA على مقياس زمني عدة بيكو ثانية21،22،23. يمكن أن تحدث إعادة الترتيب الهندسي على مقياس زمني 10 ps. لوحظت ديناميكيات الذوبان على أنها انزياح أحمر وتضييق الطيف على مدى عدة بيكو ثانية في السوائل ثنائية القطب التقليدية ، ولكن المذيبات عالية اللزوجة مثل الجلسرين والبولي إيثيلين جلايكول (PEG) والسوائل الأيونية والمذيبات سهلة الانصهار العميقة يمكن أن تظهر ديناميكيات الذوبان التي تحدث على مدار عدة نانوثانية24،25،26.
التغييرات في سكان الولاية
تتميز التفاعلات بتغيير في شدة النطاق ، حيث يرتبط انخفاض الشدة بانخفاض تركيز أنواعها الكيميائية والعكس صحيح للزيادة. في بعض الحالات، يكون كل من المتفاعلات وأنواع النواتج مرئيا في الأطياف، بينما في حالات أخرى، تكون حالات النواتج قصيرة العمر جدا أو بعيدة جدا عن الانزياح الأحمر بحيث لا يمكن ملاحظتها. في كثير من الأحيان يمكن ملاحظة التحولات من دولة إلى أخرى من خلال وجود نقطة متساوية في الأطياف.
النمذجة الكمية / التركيب: يجب أن يكون النموذج مناسبا للبيانات من أجل استخراج معلومات كمية حول ديناميكيات النظام. كما هو موضح سابقا في المقدمة ، هناك مجموعة واسعة من النماذج للاستخدام. يركز هذا البروتوكول على طريقتين من أكثر الطرق شيوعا: تركيب الطول الموجي الفردي والتحليل العالمي. تتضمن طريقة الطول الموجي الفردي تركيب آثار الطول الموجي الفردية من الأطياف إلى شكل وظيفي ما ، وعادة ما يكون مجموع الأسي:
(2)
حيث ΔA (t) هي إشارة TA عند طول موجي مختار ، n هو عدد المكونات الأسية ، و iهي سعة المكون الأسي ، i ، مع ثابت زمني τi. يمكن إضافة العديد من المكونات حتى يعيد الملاءمة إنتاج البيانات التجريبية. الهدف من أي عملية تركيب هو نمذجة البيانات باستخدام فترات حياة كافية لإعادة إنتاج البيانات بشكل جيد ، ولكن ليس الإفراط في ملاءمة البيانات من خلال تضمين الكثير من المكونات. ومن ثم ، يتم استخدام معلمات جودة الملاءمة المرجحة مثل 
، للمساعدة في تحديد متى تكون البيانات مناسبة ضمن أوجه عدم اليقين التجريبية5.
بعد تركيب الاضمحلال بشكل مرض ، يمكن استخدام معلمات النموذج لتوصيف ديناميكيات النظام. يمكن بعد ذلك استخراج الثوابت الزمنية الناتجة وتفسيرها. لسوء الحظ ، فإن العدد الكبير من الميزات المتداخلة في أطياف TA يعني أن الطول الموجي الواحد في الطيف قد يحتوي على ديناميكيات مقابلة لأنواع مختلفة تتداخل توقيعاتها الطيفية ، مما يعني أن ثوابت الوقت المستخرجة من تناسب الطول الموجي الواحد قد تمثل مركبا من عمليات تزامن متعددة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أي تغييرات في شكل النطاق والموضع ستؤثر أيضا على السعات وثوابت الوقت المستخرجة من تركيب الطول الموجي الأحادي. يمكن التحايل على هذه المشكلات في بعض الحالات من خلال طريقة مناسبة تسمى “تحليل شكل النطاق” ، حيث يحدد المرء أو يفترض شكلا وظيفيا لنطاقات TA لكل نوع ممتص في النظام. ثم يتم ترجيح هذه الأشكال بسعات تعتمد على الوقت ويتم جمعها معا من أجل إعادة إنتاج الطيف المرصود. يستخدم هذا الإجراء بشكل شائع في تحليل أطياف التألق التي تم حلها بمرور الوقت ، ولكن الأشكال الأكثر تعقيدا والمكونات المتداخلة لنطاقات TA تجعل هذه الطريقة قابلة للاستمرار في حالات بسيطة قليلة فقط ، كما هو مفصل في مكان آخر10.
عيب آخر لتركيب الطول الموجي الفردي هو أنه لا يستفيد جوهريا من النطاق الطيفي الواسع الذي توفره تجارب TA الحديثة. يمكن للمرء ، من حيث المبدأ ، أن يتناسب بشكل منهجي مع كل طول موجي فردي من الأطياف ، لكن مثل هذا التحليل مرهق ويستغرق وقتا طويلا ومكلفا من الناحية الحسابية. لمكافحة هذا التحدي ، يمكن استخدام طريقة تسمى “التحليل العالمي” لملاءمة مجموعة كاملة من أطياف TA في وقت واحد مع مجموعة من المعلمات الديناميكية المشتركة4. يعد التحليل العالمي ، وطريقة وثيقة الصلة تسمى التحليل المستهدف ، طرقا ناجحة ومستخدمة على نطاق واسع ، ولكنها تأتي أيضا مع مجموعة فريدة من العيوب والقيود. كما هو الحال مع أي نموذج ، من الضروري فهم الافتراضات المستخدمة لإنشائه بالإضافة إلى القيود التي تقدمها.
في التحليل العالمي ، يتم تمثيل أطياف TA بواسطة مصفوفة m by n ، حيث يمثل m عدد الأطوال الموجية المقاسة في كل طيف ويمثل n عدد النقاط الزمنية التي تم جمعها. ثم يفترض أن تكون هذه المصفوفة قابلة للتحلل إلى حاصل ضرب مصفوفتين أخريين:
(3)
حيث C (t) هي مصفوفة n بواسطة k و S (λ) هي مصفوفة m بواسطة k. تمثل القيمة k عدد المكونات الطيفية المميزة المستخدمة لإعادة إنتاج الأطياف. يمثل كل مكون من هذه المكونات نوعا ممتصا له توقيع طيفي وديناميكيات فريدة. تمثل مصفوفة S (λ) أطياف TA لمكونات k و C (t) تركيزاتها المعتمدة على الوقت. في أبسط التطبيقات وأكثرها شيوعا للتحليل العالمي ، يفترض أن يكون لكل مكون حركية أسية واحدة (i = 1 في المعادلة 2 ، مع تعيين ثابت الوقت الخاص بكل مكون). باختصار ، يمكن تمثيل طيف TA الكامل بمجموع مكونات الأطياف k ، ولكل منها طيف امتصاص مميز واضمحلال أسي واحد.
عندما تكون أطياف TA مناسبة ، يخمن المستخدم عدد المكونات (أي قيمة k) المطلوبة ويخمن في ثابت الوقت المرتبط بالاضمحلال الأسي الفردي لتلك الأنواع. ثم يقوم المجرب بإنشاء Cguess (t) ويحل المعادلة 3 ل Sfit (t). بعد ذلك ، يتم ضرب Sfit (λ) و Cguess (t) كما في المعادلة 3 لإنشاء الأطياف المجهزة ، ΔA (λ ، t) fit. أخيرا ، يتم تقليل البقايا ، ΔA (λ ، t) exp – A (λ ، t) fit ، ويتم إرجاع ثوابت Sالمناسبة (λ) والثوابت الزمنية. إن البساطة النسبية للتحليل العالمي ، التي تمثل مجموعة كاملة من الأطياف باستخدام حفنة من الثوابت الزمنية والمكونات الطيفية الثابتة ، تجعلها طريقة جذابة (وناجحة) لفك تشابك أشكال النطاق المعقدة والديناميكيات التي تمت مواجهتها في التحليل الطيفي TA. ومع ذلك، يجب الحرص على ضمان أن يكون التحليل العالمي نموذجا مناسبا للنظام المطروح.
أحد الافتراضات الرئيسية في التحليل العالمي ، الموضح في المعادلة 3 ، هو الفصل الكامل بين أجزاء الطول الموجي والوقت من الديناميكيات ، وهي خاصية تسمى “bilinearity”. يتطلب هذا الافتراض أن تكون أشكال النطاق الترددي للمكونات مستقلة زمنيا (أي أن لها شكلا طيفيا ثابتا لا يتغير أو يتغير مع مرور الوقت). الشيء الوحيد الذي يتغير أثناء التجربة هو السكان النسبيين لكل مكون ، ويمثله C (t). على نطاقات زمنية طويلة ، ~ 1 نانوثانية أو نحو ذلك ، عادة ما يكون هذا الافتراض صحيحا ويمكن استخدام التحليل العالمي دون قلق كبير. من ناحية أخرى ، تؤدي عمليات الحالة المثارة مثل ديناميكيات التبريد والذوبان الاهتزازية ، البارزة في المقاييس الزمنية فائقة السرعة التي يمكن الوصول إليها بواسطة الفيمتو ثانية TA ، إلى تغييرات تعتمد على الوقت في التوقيع الطيفي للنوع وانهيار الضعف. هذا لا يعني أن التحليل العالمي لا يمكنه إعادة إنتاج مجموعة بيانات ، في الواقع ، يمكنه دائما إنتاج ملاءمة مرضية بشرط استخدام عدد كاف من المكونات. تكمن المشكلة إذن في تفسير أطياف المكونات وتعيين ثوابت زمنية لعمليات معينة في الحالة المثارة ، حيث قد لا تتوافق المكونات مع الأنواع الممتصة المتميزة. لذلك ، يجب توخي الحذر دائما عند تطبيق التحليل العالمي على الحالات التي لا يمكن فيها افتراض الضعف.
تعيين التفسير الطيفي للنموذج / التركيب: بمجرد الحصول على ملاءمة ، يجب تعيين التفسير الطيفي على الأعمار التي تم الحصول عليها في الملاءمة. يتم تعيين الأعمار من الملاءمة لكل من العمليات والتفاعلات التي تم تحديدها في التفسير الأولي للأطياف. ومع ذلك ، فإن التقييم الأولي من الأطياف وعدد الأعمار المجهزة التي حصل عليها النموذج قد لا يتم تعيينها على الفور على بعضها البعض. في هذه الحالة (الشائعة!) ، يحتاج المجرب إلى العودة وتقييم التفسير الأولي. ربما كان هناك تبريد اهتزازي أو عملية أخرى تم تفويتها في التقييم الأولي ، ولكن تم تحديدها في عملية النمذجة والتركيب. أو ربما يمكن لمجموعتين مختلفتين من معلمات الملاءمة إعادة إنتاج البيانات بشكل جيد ويمكن للتفسير الأولي أن يوجه مجموعة معلمات الملاءمة التي يتم اختيارها. في هذه الخطوة الأخيرة ، يجب على المجرب أن يتنقل ذهابا وإيابا بين التفسير والتركيب للعثور على وصف يؤدي إلى تعيين فوتوفيزيائي معقول للأنواع وديناميكيات النظام. يمكن أيضا استكشاف برامج التركيب الأخرى التي تتضمن نماذج التركيب المتسلسلة ، مثل تحليل الهدف ، لاستكمال الملاءمة الناتجة عن التحليل العالمي وبرامج التركيب المقدمة في هذه المقالة4.
باختصار ، يناقش هذا البروتوكول إعداد وتركيب بيانات الامتصاص العابرة. والهدف منه هو تسليط الضوء على التحديات المرتبطة بالعملية والتعليق على طرق تجنب هذه التحديات أو التخفيف من حدتها بطريقة عملية. يمكن أن يكون ملاءمة بيانات TA ، مثل ملاءمة معظم البيانات التي تتم مواجهتها في المجالات التقنية ، أمرا صعبا ، وفي بعض الأحيان ، ذاتيا. لذلك ، فإن إدراك عملية البيانات وقيودها ، وإعداد البيانات ، والأدوات الرياضية المستخدمة لنمذجة البيانات وتعيين معنى لها أمر بالغ الأهمية. يجب على العلماء التعامل مع البيانات والنمذجة بعين ناقدة.
يمكن للمرء أن يحاول التخفيف من ذاتية نوباتهم. على سبيل المثال ، يمكن إعداد البيانات وملاءمتها من نقاط بداية مختلفة وفي أيام مختلفة لضمان إنتاج نفس الملاءمة. يمكن مقارنة البيانات المأخوذة في أيام مختلفة مع إعداد عينة مختلفة. يمكن للعديد من الباحثين احتواء نفس البيانات ومقارنة نتائجهم. بمرور الوقت ، يمكن للباحثين بناء حدس حول البيانات التي يحصلون عليها (بناء على تفاصيل الإعداد التجريبي والمعلمات التجريبية) التي ستسمح لهم بأن يكونوا أكثر ثقة في ملاءماتهم.
هناك الكثير لنتعلمه عن تركيب بيانات TA وتفاصيل النماذج التي تمت مناقشتها في هذه المقالة. يوصى بحماس بالعديد من مقالات المراجعة الممتازة التي تتعمق في هذا الموضوع4،10،27. يهدف هذا البروتوكول إلى أن يكون مدخلا للمبتدئين في عملية التحليل والتركيب التي تحفز الاهتمام بفهم العملية بشكل أعمق.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أصبح هذا العمل ممكنا من خلال برنامج NSF Major Research Instrumentation الذي أنشأ مرفق الليزر متعدد المستخدمين للامتصاص العابر (CHE-1428633). تستند هذه المواد إلى العمل الذي تدعمه المؤسسة الوطنية للعلوم بموجب المنحة رقم. CHE-2313290.
Materials
| 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 |
References
- Turro, N. J. . Modern Molecular Photochemistry. , (1991).
- Berera, R., van Grondelle, R., Kennis, J. T. M. Ultrafast transient absorption spectroscopy: Principles and application to photosynthetic systems. Photosynth Res. 101, 105-118 (2009).
- Ruckebusch, C., Sliwa, M., Pernot, P., de Juan, A., Tauler, R. Comprehensive data analysis of femtosecond transient absorption spectra: A review. J Photochem Photobiol C Photochem Rev. 13 (1), 1-27 (2012).
- Van Stokkum, I. H. M., Larsen, D. S., Van Grondelle, R. Global and target analysis of time-resolved spectra. Biochim Biophys Acta – Bioenerg. 1657 (2-3), 82-104 (2004).
- Megerle, U., Pugliesi, I., Schriever, C., Sailer, C. F., Riedle, E. Sub-50 fs broadband absorption spectroscopy with tunable excitation: putting the analysis of ultrafast molecular dynamics on solid ground. Appl Phys B Lasers Opt. 96 (2-3), 215-231 (2009).
- Kovalenko, S. A., Dobryakov, A. L., Ruthmann, J., Ernsting, N. P. Femtosecond spectroscopy of condensed phases with chirped supercontinuum probing. Phys Rev A – At Mol Opt Phys. 59 (3), 2369-2384 (1999).
- Villa, A., et al. Broadly tunable mid-infrared femtosecond pulses directly generated by an optical parametric amplifier. OSA Contin. 4 (11), 2837-2844 (2021).
- Brodeur, A., Chin, S. L. Ultrafast white-light continuum generation and self-focusing in transparent condensed media. J Opt Soc Am B. 16 (4), 637650 (1999).
- Lang, B. Photometrics of ultrafast and fast broadband electronic transient absorption spectroscopy: State of the art. Rev Sci Instrum. 89 (9), 093112 (2018).
- Beckwith, J. S., Rumble, C. A., Vauthey, E. Data analysis in transient electronic spectroscopy – an experimentalist’s. Int Rev Phys Chem. 39 (2), 135-216 (2020).
- Devos, O., Mouton, N., Sliwa, M., Ruckebusch, C. Baseline correction methods to deal with artifacts in femtosecond transient absorption spectroscopy. Anal Chim Acta. 705 (1-2), 64-71 (2011).
- . Surface Xplorer from Ultrafastsystems Available from: https://ultrafast.systems/products/spectrometers-a (2023)
- Gampp, H., Maeder, M., Meyer, C. J., Zuberbuhler, A. D. Calculation of equilibrium constants from multiwavelngth spectroscopic data-i mathematical considerations. Talanta. 32 (2), 95-101 (1985).
- Snellenburg, J. J., Laptenok, S., Seger, R., Mullen, K. M., van Stokkum, I. H. M. Glotaran: A Java-based graphical user interface for the R package TIMP. J Stat Softw. 49 (3), 1-22 (2012).
- . Python scripts to convert to and from comma separated values (.csv) and Ultrafast Systems binary data (.ufs) file formats Available from: https://bitbucket.org/ptapping/csv2ufs/src/master/ (2023)
- . Surface Xplorer manual Available from: https://ultrafastsystems.com/download/surface-xplorer/SurfaceXplorerManual.pdf (2023)
- Lakowicz, J. R. . Principles of fluorescence spectroscopy, 3rd Ed. , 883-886 (2006).
- Maciejewski, A., et al. Transient absorption experimental set-up with femtosecond time resolution. Femto- and picosecond study of DCM molecule in cyclohexane and methanol solution. J Mol Struct. 555 (1-3), 1-13 (2000).
- Lorenc, M., et al. Artifacts in femtosecond transient absorption spectroscopy. Appl. Phys. B Lasers Opt. 74, 19-27 (2002).
- . Transient absorption spectroscopy Available from: https://mediaspace.unm.edu/media/Physical+Inorganic+Tutorials+Transient+Absorption+Specctrscopy/1_t5pdqzgx (2023)
- Maçôas, E. M. S., Mustalahti, S., Myllyperkiö, P., Kunttu, H., Pettersson, M. Role of vibrational dynamics in electronic relaxation of Cr(acac)3. J Phys Chem A. 119 (11), 2727-2734 (2015).
- Brown, A. M., et al. Vibrational relaxation and redistribution dynamics in Ruthenium(II) polypyridyl-based charge-transfer excited states: a combined ultrafast electronic and infrared absorption study. J Phys Chem A. 122 (40), 7941-7953 (2018).
- Vlček, A., Kvapilová, H., Towrie, M., Záliš, S. Electron-transfer acceleration investigated by time resolved infrared spectroscopy. Acc Chem Res. 48 (3), 868-876 (2015).
- Horng, M. L., Gardecki, J. A., Papazyan, A., Maroncelli, M. Subpicosecond measurements of polar solvation dynamics: Coumarin 153 revisited. J. Phys. Chem. 99 (48), 17311-17337 (1995).
- LaRocca, M. M., Baker, G. A., Heitz, M. P. Assessing rotation and solvation dynamics in ethaline deep eutectic solvent and its solutions with methanol. J Chem Phys. 155 (3), 034505 (2021).
- Zhang, X. X., Liang, M., Ernsting, N. P., Maroncelli, M. Complete solvation response of coumarin 153 in ionic liquids. J Phys Chem B. 117 (16), 4291-4304 (2013).
- Jollife, I. T., Cadima, J. Principal component analysis: A review and recent developments. Philos Trans R Soc. A. 374 (2065), 20150202 (2016).
