Geçici Absorpsiyon Verilerinin İşlenmesine, Takılmasına ve Yorumlanmasına Giriş
Summary
Bu protokol, geçici absorpsiyon spektrumlarının işlenmesine, takılmasına ve yorumlanmasına yeni başlayanlar için giriş yoludur. Bu protokolün odak noktası, veri kümelerinin hazırlanması ve hem tek dalga boyu kinetiği hem de küresel yaşam süresi analizi kullanılarak uydurulmasıdır. Geçici absorpsiyon verileri ve uydurma ile ilgili zorluklar tartışılmaktadır.
Abstract
Geçici absorpsiyon (TA) spektroskopisi, sistemin absorpsiyon spektrumundaki değişiklikler yoluyla uyarılmış durum süreçlerinin evrimini izlemek için kullanılan güçlü bir zaman çözümlü spektroskopik yöntemdir. TA’nın ilk uygulamaları uzmanlaşmış laboratuvarlarla sınırlıydı, ancak ticari anahtar teslimi sistemlerin evrimi, tekniği dünya çapındaki araştırma grupları için giderek daha erişilebilir hale getirdi. Modern TA sistemleri, fotofiziksel bilgi açısından zengin, yüksek enerjili ve zamansal çözünürlüğe sahip büyük veri kümeleri üretme yeteneğine sahiptir. Bununla birlikte, TA spektrumlarının işlenmesi, takılması ve yorumlanması, çok sayıda uyarılmış durum özelliği ve araçsal artefaktlar nedeniyle zor olabilir. Hangi modelin veya uydurma parametreleri kümesinin verileri en iyi tanımladığı konusundaki belirsizliği azaltmak için TA verilerini toplarken, işlerken ve uydururken birçok faktör dikkatlice göz önünde bulundurulmalıdır. Veri hazırlama ve uydurmanın amacı, verileri analiz için korurken bu yabancı faktörlerin çoğunu azaltmaktır. Bu yöntemde, yeni başlayanlara TA verilerinin işlenmesi ve hazırlanması için bir protokolün yanı sıra, seçilen uydurma prosedürlerine ve modellerine, özellikle tek dalga boylu uydurma ve küresel ömür boyu analizine kısa bir giriş sağlanır. Yaygın olarak karşılaşılan bir dizi veri hazırlama zorluğu ve bunları ele alma yöntemleri hakkında yorum sağlanmış, ardından bu basit uygulama yöntemlerinin zorlukları ve sınırlamaları tartışılmıştır.
Introduction
Geçici absorpsiyon (TA) spektroskopisi, bir ışık darbesi ile uyarılmayı takiben absorpsiyon spektrumlarında zamana bağlı değişiklikler yoluyla foto-uyarılmış türlerin evrimini izleyen, zamana bağlı bir spektroskopik tekniktir. TA emici bir teknik olduğu için, hem ışınımsal geçişlerden (yani tipik olarak bir foton yayan durumlar) hem de ışınımsal olmayan geçişlerden (tipik olarak floresan olmayan ve dahili dönüşüm, sistemler arası geçiş veya fotoreaksiyonlara katılan durumlar) kaynaklanan spektroskopik sinyaller tanımlanabilir ve evrimleri takip edilebilir 1,2. Uyarma kaynağının özelliklerine ve algılama yöntemine bağlı olarak, TA, femtosaniyelerden mikrosaniyelerin ötesine ve UV’den uzak IR’ye kadar kinetiklere erişim sağlar ve bu da onu çok yönlü bir spektroskopik araç haline getirir. TA spektrometrelerinin ticarileştirilmesi son birkaç on yılda önemli ölçüde ilerlemiş ve bu güçlü tekniğe erişimi olan daha fazla laboratuvar ve tesise yol açmıştır2.
Modern teknik analiz sistemleri, yüksek enerjili ve zamansal çözünürlüğe sahip büyük veri kümeleri üretme yeteneğine sahiptir. Veri kümeleri genellikle, uyarma darbesine göre dalga boyu ve zaman gecikmesinin bir fonksiyonu olarak 2B geçirgenlik veya absorbans farkı değerleri matrisi şeklini alır. Bu veri seti, iki boyutlu bir ısı haritası veya üç boyutlu bir topografik harita olarak görüntülenebilir. Araştırmacılar, ilgilendikleri sistemi en iyi tanımlayan uyumları oluştururken tüm veri kümesini dahil etmeye çalıştıkça, bu verilerin yorumlanması daha karmaşık hale geldi3.
TA, geniş bir dalga boyu ve zaman ölçeği aralığını kapsayabilse de, bu protokol en yaygın olarak erişilebilir formlarından birine odaklanır4: femtosaniye darbeli lazer tarafından yönlendirilen UV görünür bölgede geniş bant spektroskopisi. Böyle bir aletin şematik 5,6’sı Şekil 1’de verilmiştir. Deney, lazerden bir darbe alıp iki kopyaya bölerek başlar. Numuneyi uyarmak için ‘pompa’ adı verilen darbenin bir kopyası kullanılır. Optik parametrik amplifikatör (OPA) gibi bir cihaz, pompa darbesini istenen uyarma dalga boyuna 5,7 dönüştürmek için tipik olarak kullanılır. Darbenin ‘prob’ adı verilen ikinci kopyası, darbenin kat ettiği mesafeyi değiştirerek pompa ve prob darbeleri arasındaki zaman gecikmesini değiştirebilen mekanik bir gecikme aşamasına girer. Tek dalga boylu prob darbesi daha sonra bir safir veya kalsiyum florür (CaF2) kristali8 kullanılarak beyaz ışık sürekliliğine dönüştürülür. Beyaz ışık darbesi numuneden geçirilir ve spektrumu, şarj bağlantılı cihaz (CCD) kamera gibi bir geniş bant dedektörü kullanılarak ölçülür. Pompalı ve pompasız beyaz ışık darbesinin spektrumundaki değişiklikler ölçülerek, pompa tarafından indüklenen numunenin absorpsiyon spektrumundaki değişiklikler, ΔA(T) ölçülebilir. İlgilenen okuyucular, tespit süreci hakkında daha fazla bilgi için bu faydalı incelemeye9 yönlendirilir.
Tüm TA spektroskopi formlarında, ΔA(t) spektrumları, temel durum absorpsiyonu, Aprobu ile uyarılmış durum, Apompa+prob, belirli bir zaman gecikmesinde, t, iki darbe 2,5,9,10 arasındaki fark alınarak hesaplanır.
(1)
Birprobun numune kararlı durum absorpsiyon spektrumuna eşdeğer olduğunu ve zamandan bağımsız olduğunu unutmayın; deneyin zaman çözünürlüğü, Apompa+prob(t)’da yakalanan pompa ve prob arasındaki gecikmeden kaynaklanır. Bu verilerin bir simülasyonu Şekil 2A’da gösterilmektedir.
Kararlı durum absorpsiyon spektrumlarının aksine, TA spektrumları, Denklem 1’de alınan farktan dolayı hem pozitif hem de negatif özelliklere sahip olabilir. Olumlu özellikler, pompa darbesi tarafından oluşturulan yeni emici türlerin sonucudur ve uyarılmış kromofor durumlarını, üçlü durumları, geometrik yeniden düzenlemeleri, çözünme etkilerini veya uyarılmış durum fotoürünlerini temsil edebilir3. Bu özelliklerin tanımlanması ve kimyasal türlere atanması için genel yönergeler Tartışma’da sunulacaktır. Negatif özellikler, temel durum ağartıcısından (GSB) veya uyarılmış emisyondan (SE) kaynaklanabilir (Şekil 2B). GSB, pompa darbesinin emilmesini takiben temel durum popülasyonunun kaybından kaynaklanmaktadır. Uyarılmış duruma terfi eden moleküller artık temel durumlarıyla aynı bölgede emilmezler; bu nedenle, prob darbesinin daha azı emilir ve Denklem 1’deki fark o bölgede negatif olabilir. GSB, temel durum absorpsiyonununkiyle aynı spektral şekle sahip olması, ancak zıt bir işarete sahip olması ile karakterize edilir. SE sinyalleri, prob darbesi3 tarafından uyarılan uyarılmış durumdaki bir türün emisyonundan kaynaklanır. Bu türlerden gelen emisyon, dedektöre daha fazla ışığın ulaşmasına neden olur, bu da bu dalga boylarında daha az absorpsiyona eşdeğerdir. SE sinyali, türlerin spontan emisyon spektrumuna benzer bir spektral şekle sahip olacaktır, ancak negatif bir işarete ve farklı bir frekans ağırlığınasahip olacaktır 10.
Uyarılmış durum türleri hakkındaki bilgilere ek olarak, TA spektrumları, altta yatan dinamikleri bozabilecek ve absorpsiyon bantlarının atanmasını gizleyebilecek bir dizi artefakt ve yabancı özellik içerebilir11. Veri hazırlama ve analizinde bu eserlerin uygun olmayan şekilde ele alınması, verilere uygun olmayan fotofiziksel modellerin uygulanmasına ve sonuç olarak yanıltıcı sonuçlara yol açabilir11. Bu nedenle, bu protokolün ilk bölümü, TA veri kümelerinin toplandıktan sonra nasıl düzgün bir şekilde işleneceğine odaklanır. Bu bölümün amacı, teknik analizde yeni olan araştırmacılara, verilerinin titiz bir şekilde hazırlanması ve işlenmesi için bir sezgi ve takdir geliştirmeye yardımcı olacak bir dizi kılavuz sağlamaktır.
Bir veri kümesi işlendikten sonra, spektrumları çeşitli karmaşıklık ve titizlik seviyelerinde uydurmak ve yorumlamak için çok sayıda araç ve model mevcuttur10. Bu protokolün ikinci bölümünün amacı, okuyucuyu verilere tek dalga boylu uydurma ve küresel analiz uygulamaya hazırlamak ve bu modellerin verilerini tanımlamak için ne zaman uygun olduğu konusunda rehberlik sağlamaktır. Ultrafast sistemlerinden Surface Xplorer12,13 gibi TA verilerini hazırlamak ve işlemek için ticari yazılımlar artık hazırdır (indirmek ve kullanmak ücretsizdir, Malzeme Tablosuna bakın). Glotaran14 gibi akademik araştırmacılar tarafından başka ücretsiz alternatifler de yayınlandı. Glotaran, zaman çözümlü spektroskopi ve mikroskopi verilerinin global ve hedef analizi için geliştirilmiş ücretsiz bir yazılım programıdır. R-paketi TIMP14 için bir grafik kullanıcı arayüzü (GUI) görevi görür. Ek olarak, kullanıcılar analizi gerçekleştiren kendi kodlarını yazmak için Python gibi programlama dillerini kullanabilirler. Bu montaj yazılımlarının ve programlama çözümlerinin her biri, onlara önemli katkılar sağlayan olumlu özelliklere sahiptir. Bu çalışmanın amacı doğrultusunda, bu aktivitenin görsel bileşeni için sadece bir yazılım sunabiliriz. Her bir uygulama yazılımının derinlemesine bir tartışması bu makalenin kapsamı dışındadır.
Bu makale, (1) TA verilerinin işlenmesi, (2) tek dalga boylu kinetik ve global analiz kullanılarak TA verilerinin uydurulması ve (3) verilerin çıkarılması ve diğer modellere uydurulması için adım adım bir prosedür sağlar. Okuyucunun uygulama olarak kullanması için bir dizi temsili TA verisi dahil edilmiştir (Ek Dosya 1 ve Ek Dosya 2). Veriler, 330 nm’de uyarılmış ve -5 ps ila 5.5 ns aralığında toplanan etanol içinde 165 μM’lik 1, 4-bis (5-feniloksazol-2-il) benzen (POPOP) numunesinin bir ölçümüdür. Ek olarak, yalnızca etanol içeren ve hiçbir numune içermeyen “boş” bir numune, aynı deneysel koşullar altında, verilerin uydurma için hazırlanmasında kullanılan -5 ps ila 5 ps aralığında toplanmıştır (adım 1). Spektrumlar, ultra hızlı bir geçici absorpsiyon spektrometresi kullanılarak toplandı. Numune, 2 mm’lik yol uzunluğunda bir küvet içinde muhafaza edildi ve sürekli karıştırmaya tabi tutuldu. Açıklanan işleme ve takma prosedürü, *.ufs formatındaki verilere uyan ve burada “uydurma programı” olarak adlandırılacak olan Surface Xplorer yazılımına dayanmaktadır. Diğer formatlardaki veri kümelerini *.ufs dosyalarına dönüştürmek için programlar mevcuttur15. Bu protokolün ayrıntıları Surface Xplorer’a özgü olsa da, aşağıdaki adımlar ticari veya ev yapımı herhangi bir yazılım paketine genellenebilir. Ek olarak, veri işlemenin sonuçları bu diğer yazılım paketleri kullanılarak çıkarılabilir ve sığdırılabilir. Destekleyici bir bilgi dosyası (Ek Dosya 3), montaj hakkında ek tavsiyeler sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Veri hazırlamada dikkat edilmesi gereken genel noktalar
Uygun TA verileri ilk bakışta nispeten basit görünebilir ve belirli bir veri kümesi için net bir doğru “cevabın” ortaya çıkması beklenebilir. Bununla birlikte, protokolde vurgulandığı gibi, veri toplama, veri hazırlama ve veri analizinde, hangi modelin veya uygun parametrelerin verileri en iyi şekilde tanımladığı konusunda belirsizliğe yol açabilecek, dikkatlice değerlendirilmesi gereken birçok faktör vardır. Veri hazırlama ve uydurmanın amacı, verileri analiz için korurken bu yabancı faktörlerin mümkün olduğunca çoğunu azaltmaktır. Eldeki görev, dikkate alınması gereken çok şey olduğu için yeni başlayanlar için göz korkutucu görünebilir. Montaj süreci hakkında sezgi oluşturmak için, yeni başlayanların, veri hazırlama adımlarının en iyi uyumu ne kadar önemli ölçüde etkilediğini kontrol etmek için aynı verileri sıfırdan birden çok kez biraz farklı şekillerde hazırlamayı denemesi önerilir. Ek olarak, iki farklı araştırmacı aynı verileri hazırlayıp sığdırabilir ve sonuçları karşılaştırabilir. Bu işlem ilk birkaç kez zaman alıcı olabilir, ancak bunu yapmak, yeni başlayanların gelecekteki örnekler için verileri tutarlı bir şekilde nasıl hazırlayacağına dair sezgi geliştirmesine olanak tanır. Herhangi bir beceri gibi, bu veri hazırlama ve uydurmanın da geliştirilmesi zaman alacaktır ve yeni başlayanların süreci denerken ve öğrenirken sabırlı ve disiplinli olmaları teşvik edilir. Bu çalışmada kullanılan veri seti, yeni başlayanlara doğrudan öğreticinin yanına sığma ve sonuçları öğreticide üretilenlerle doğrudan karşılaştırma şansı vermek için sağlanmıştır.
Veriler, pompa ışınının saçılması ve numunenin kendiliğinden emisyonu gibi her zaman gecikmelerinde mevcut olan arka plan özelliklerini içerebilir (Ek Şekil 2 ve Ek Şekil 3). Geçici absorpsiyon sinyalini ilgilenilen türden izole etmek için bu istenmeyen özellikler kaldırılmalıdır11. Bu tür özelliklerin kaldırılması, bir dizi negatif zaman farkı spektrumunun seçilmesi, ortalamasının alınması ve katkısının kaldırılmasıyla yapılır. Arka plan spektrumlarını seçerken, ilgilenilen sürecin bir parçası olabilecek hiçbir özelliğin kaldırılmak üzere dahil edilmediğinden emin olmak önemlidir. Safsızlıklardan veya çözücünün kendisinden absorpsiyon gibi çözücüden kaynaklanan arka plan özellikleri de TA verilerinde gözlemlenebilir. Çözücü bir sinyal ürettiğinde, numune ile tam olarak aynı deneysel koşullar altında yalnızca çözücüyü içeren “boş” bir veri kümesinin numune veri kümesinden çıkarılması gerekecektir. Bu prosedürle ilgili ayrıntılar Ek Dosya 3’te yer almaktadır.
Cıvıltı düzeltmesi, dikkatlice düşünülmesi gereken başka bir faktördür. Cıvıltı, prob darbesi numuneye doğru ilerlerken meydana gelir ve direksiyon aynalarındaki kusurlar nedeniyle veya lensler veya filtreler gibi dağıtıcı optiklerden geçerek genişler. Sonuç, prob darbesindeki düşük enerjili fotonların (yani, prob spektrumunun kırmızı tarafı) numuneye daha yüksek enerjili fotonlardan (yani prob spektrumunun mavi tarafı) önce ulaşmasıdır. Bu, TA spektrumlarının “sıfır zamanının” birkaç femtosaniye veya pikosaniye18 boyunca yayılmasına neden olur, bu da ham veri kümesinde mavi dalga boylarında başlayan ve daha sonra kırmızıya yaklaştıkça düzleşen belirgin bir eğri olarak kendini gösterir (Ek Şekil 7). Cıvıltı, ultra hızlı TA tarafından erişilenler gibi daha kısa zaman ölçeklerinde en belirgindir. Bu dalga boyuna bağlı sıfır zamanı, protokolde açıklandığı gibi düzeltilebilir, ancak bu işlemin uygulanması zor ve öznel olabilir. “Boş” bir numuneye veya çözücü Kerr yanıtının ölçümüne sahip olmak, cıvıltıyı ayarlamak ve düzeltmek için kullanılan polinom uyumunu oluşturmak için gereken cıvıltı düzeltmesi için elle toplama noktalarının öznel doğasını en aza indirebilir. Cıvıltı düzeltmesinin amacı, sıfır zamanının farklı “eğrisini” kaldırmaktır. En iyi cıvıltı düzeltmeli verileri elde etmek için cıvıltıyı uydurmak için birden fazla deneme gerekebilir. Veriler, cıvıltı düzeltmesinin kısa TA ömürlerinin değerleri üzerindeki etkisini anlamak için uygulanan farklı cıvıltı düzeltmeleriyle birkaç kez sığdırılabilir.
“Sıfır zamanında” görünen yapıtlar
TA verilerinde Rayleigh saçılması, uyarılmış Raman saçılması ve çapraz faz modülasyonu dahil olmak üzere “sıfır zamanına” yakın çeşitli artefaktlar gözlemlenebilir. Pompa ışınının Rayleigh saçılması, enerjide bir değişiklik olmadan ortaya çıkan elastik saçılmadır. Bu özellik, pompa darbesi ile aynı dalga boyunda görünecektir. Uyarılmış Raman saçılımı, pompa saçılma sinyaline19 eşlik edebilir. Bir pompa fotonunun esnek olmayan saçılımından kaynaklanan Raman saçılımı, gelen pompa enerjisinden hem daha yüksek (anti-Stokes) hem de daha düşük (Stokes) enerjide zirveler üretir. TA verilerinde, numunenin pompa ve prob ışınları ile aynı anda ışınlanması nedeniyle uyarılmış Raman saçılması gözlenir. Prob ışını, pompa ışını ile aynı anda numune ile etkileşime girdiğinde, Raman sürecini uyarır. Bu nedenle, uyarılmış Raman saçılması sıfır zamanı civarında meydana gelir ve ilk birkaç yüz femtosaniye içinde spektrumlarda ek zirvelerle sonuçlanır (Şekil 6, vurgulanan bölgedeki daha koyu mavi spektrumda gözlemlenmiştir ve Ek Şekil 17). Çapraz faz modülasyonu, bir darbenin yoğun elektrik alanı ile etkileşimden çözücü kırılma indisinin modülasyonundan kaynaklanır.
Uyarılmış Raman saçılımı, çapraz faz modülasyonundan ayırt edilebilir, çünkü Raman tepe noktaları, çözücünün titreşim modlarına karşılık gelen belirli frekanslarda görünür. Bu bir Raman süreci olduğu için, uyarımın her iki tarafında hem Stokes hem de anti-Stokes çizgileri gözlemlenebilir. Metilen klorür gibi klorlu çözücüler, klorun büyük polarize edilebilirliği nedeniyle çok belirgin Raman bantları gösterir. Çapraz faz modülasyonunun spektral imzaları bir çözücüye özgüdür ancak Raman saçılma özellikleri kadar kolay tahmin edilemez.
Ölçülen numunenin kinetiğine bağlı olarak, Rayleigh saçılması, Raman saçılması ve çapraz faz modülasyonu, TA verilerinin erken özellikleriyle örtüşebilir ve verilerden çıkarılması zor olabilir. Prensip olarak, bu özellikler düzgün bir çözücü ölçümünde görülebilir ve verilerden çıkarılabilir, veri analiz programları bu özellikleri hesaba katmak için uygun işlevlere sahip olabilir, ancak pratikte bu zor olabilir. Örnek verilerden ödün vermeden bu artefaktları çıkarmak çok zor olduğunda, artefaktları ortadan kaldırmak için güvenliği ihlal edilmiş spektrumları sıfır zamanı civarında kırpmak daha iyi olabilir. Bunu yapmak, ilk yaklaşık 300 fs veriyi kaldırmak gibi talihsiz bir yan etkiye sahip olacak, ancak daha sonra montajı daha güvenilir hale getirecektir. Aynı ve farklı örneklerin birden fazla veri kümesini analiz etme sürecinde, yeni başlayanlar, ilk 100-200 fs verisini kırpmaya karşı arka plan yüzeyini çıkarma dengesini elde etmede sezgi kazanacaktır.
Spektrumların düşük sinyal-gürültü içeren kısımları için genel kırpma gerekli olabilir. Belirli bölgelerde prob ışınındaki kararsızlık, prob ışığının düşük yoğunluğu, çok yüksek numune konsantrasyonları (dolayısıyla gelen probun çoğunu bloke eder), düşük pompa yoğunluğu ve numunenin absorpsiyon kesiti, verilerin takılmasını zorlaştırabilecek düşük sinyal-gürültünün tipik suçlularıdır. Bu durumlarda, istenen sinyal-gürültü seviyesini elde etmek için optik pencerenin her iki tarafındaki veri kümesini kırpmak, montaj işlemine yardımcı olabilir.
Bir veri kümesi, veri kümesinin zayıf bölümlerini kaldırmak için yeterince kırpıldıktan sonra, cıvıltı düzeltildikten ve arka plan spektrumlarının ortalaması alınıp çıkarıldıktan sonra analiz için hazırdır. Bu prosedür, yalnızca ilgilenilen fotofizik ve fotokimya ile en alakalı kısımları içeren verilerle sonuçlanmalıdır. Gerçekten de, bu süreçte bir dereceye kadar öznellik olduğu açıktır. Veri hazırlamadaki amaç, uydurmayı bozmamaları için yapıtları kaldırma dengesi kurmak, ancak veri kümesinin bütünlüğünü tehlikeye atacak ve böylece yorumlanmasını engelleyecek kadar çok şey kaldırmamaktır. Bu dengeyi bulmak, neyin eser neyin veri olduğuna dair sezgiyi oluşturmak için zaman ve deneyim gerektirir. Aynı veri setini birden fazla farklı günde uydurmak (ve yeniden uydurmak) veya iki araştırmacının aynı verileri sığdırması, insan hatasını ve veri hazırlama ve analizinin öznelliğini en aza indirmenin bir yolu olabilir.
Montaj ve yorumlama için genel hususlar
Ham TA spektrumları işlendikten sonra, ilgilenilen sistemde bulunan türler ve dinamikler hakkında bilgi elde etmek için yorumlanmalı ve modellenmelidir. Bu süreç, ilk spektral yorumlamayı, nicel modellemeyi/uydurmayı ve spektral yorumun modele/uydurmaya atanmasını içeren üç aşamalı bir prosedür olarak tanımlanabilir.
İlk Spektral Yorum: Spektral yorumlama adımında amaç, TA spektrumlarında bulunan özellikleri, sistemin fotofiziksel veya fotokimyasal evriminde erişilen elektronik durumlara atamaktır. Başlamak için çeşitli durumlar tanımlanmalıdır. Bu çalışmada durumlar , sistemin fotofiziksel veya fotokimyasal evriminin bir parçası olan benzersiz elektronik durumlara atıfta bulunur. Örneğin, belirli bir potansiyel enerji eğrisi (PEC) ile temsil edilen bir durum, absorpsiyon spektrumunu temsil eden bir dizi karakteristik tepe noktasına sahiptir. Tek bir durum içinde meydana gelen bir değişikliğe işlem denir. Fotofiziksel bir süreç, TA spektrumlarında bir tepe kayması veya spektrumun genişliğinde bir değişiklik olarak görünebilir. Bir sürecin kilit yönü, eyalet nüfusunun aynı kalmasıdır (yani, süreç belirli bir PEC içinde gerçekleşir); Değişen durum içindeki enerji dağılımıdır. Bir eyaletin nüfusundaki bir değişiklik geçiş olarak adlandırılacaktır. Bir geçiş sırasında, sistem başka bir PEC’ye (yani elektronik duruma) dönüşür. Geçişler, dahili dönüşümü (IC), sistemler arası geçişi (ISC), yük transferini, enerji transferini, yeni ürünlerin oluşumunu veya temel duruma dönüşü içerebilir. Durumları, süreçleri ve geçişleri atama yönergeleri aşağıdaki paragraflarda ele alınmıştır.
Durumları atama
Bu süreçteki ilk adım, belirli kimyasal türlere veya durumlara spektral özellikler atamayı içerir. TA’dakiS1 durumu, zamana bağlı emisyon spektroskopisi kullanılarak alınan floresan ömrüyle eşleşen bir ömür göstermelidir. Üçlü bir durum, ömrü oksijenle söndürülürse doğrulanabilir. Fotofiziksel evrimde radikal bir anyon veya katyondan şüpheleniliyorsa, radikal türleri oluşturmak için spektroelektrokimya veya kimyasal oksidasyon/indirgeme yapılabilir ve bu türün bir absorpsiyon spektrumu elde edilebilir ve TA bant şekli ile karşılaştırılabilir. Serbest radikallerin varlığını doğrulamak için elektron spin rezonans (ESR) spektroskopisi yapılabilir. ACS İnorganik Kimya Bölümü tarafından düzenlenen mükemmel bir öğretici konuşma, TA’ya genel bir bakış sunar ve20 özelliklerinin atanmasında bu tür hususlar hakkında bilgi verir. Türlere bantlar atandıktan sonra, TA spektrumlarını yorumlamanın bir sonraki adımı, sistemde meydana gelen dinamik süreçleri niteliksel olarak tanımlamaktır. Bu adım, araştırmacıya sistemlerini tanımlamak için hangi modellerin uygun olacağı konusunda bir fikir verdiği ve onlara uyum parametrelerini karşılaştırmak için bir temel sağlayacağı için hayati önem taşır.
Bir durum içindeki değişiklikler
Titreşimsel soğutma, geometrik yeniden düzenleme veya çözme, TA ile gözlemlenebilen son derece hızlı süreçlerdir (10 ps’nin altında). Titreşimsel soğutma, TA spektrumunun birkaç pikosaniyelik zaman ölçeğinde 21,22,23 hızlı maviye kayması olarak gözlemlenir. Geometrik yeniden düzenleme, 10’un ps zaman ölçeğinde gerçekleşebilir. Çözünme dinamikleri, geleneksel dipolar sıvılarda birkaç pikosaniye boyunca spektrumun kırmızıya kayması ve daralması olarak gözlemlenir, ancak gliserol, polietilen glikol (PEG), iyonik sıvılar ve derin ötektik çözücüler gibi yüksek viskoziteli çözücüler, birden fazla nanosaniye boyunca meydana gelen çözünme dinamiklerini sergileyebilir 24,25,26.
Eyalet nüfusundaki değişiklikler
Reaksiyonlar, bir bandın yoğunluğundaki bir değişiklikle karakterize edilir, burada yoğunluktaki bir azalma, kimyasal türlerinin konsantrasyonundaki bir azalma ile ilişkilidir ve bunun tersi de bir artış için geçerlidir . Bazı durumlarda, hem reaktan hem de ürün türleri spektrumlarda görülebilirken, diğerlerinde ürün durumları gözlemlenemeyecek kadar kısa ömürlüdür veya çok kırmızıya kayar. Genellikle devletten devlete geçişler, spektrumlarda izosbestik bir noktanın varlığı ile gözlemlenebilir.
Kantitatif modelleme/Uydurma: Sistemin dinamikleri hakkında nicel bilgi elde etmek için bir modelin verilere uygun olması gerekir. Giriş bölümünde daha önce açıklandığı gibi, kullanılacak çok çeşitli modeller vardır. Bu protokol en yaygın yöntemlerden ikisine odaklanır: tek dalga boylu uydurma ve küresel analiz. Tek dalga boyu yöntemi, spektrumlardan bireysel dalga boyu izlerinin bazı işlevsel formlara, tipik olarak üstellerin toplamına uydurulmasını içerir:
(2)
burada ΔA(t) seçilen bir dalga boyundaki TA sinyalidir, n üstel bileşenlerin sayısıdır ve ai, zaman sabiti τi ile üstel bileşenin genliğidir. Uyum, deneysel verileri yeniden üretene kadar birkaç bileşen eklenebilir. Herhangi bir uydurma işleminin amacı, verileri iyi bir şekilde yeniden oluşturmak için yeterli kullanım ömrü kullanarak verileri modellemek, ancak çok fazla bileşen ekleyerek verileri aşırı sığdırmamaktır. Bu nedenle, verilerin deneysel belirsizlikler içinde ne zaman uygun olduğunu belirlemeye yardımcı olmak için , gibi 
ağırlıklı uyum iyiliği parametrelerikullanılır 5.
Bozunma tatmin edici bir şekilde yerleştirildikten sonra, modelin parametreleri sistemin dinamiklerini karakterize etmek için kullanılabilir. Elde edilen zaman sabitleri daha sonra çıkarılabilir ve yorumlanabilir. Ne yazık ki, TA spektrumlarındaki çok sayıda örtüşen özellik, spektrumdaki tek bir dalga boyunun, spektral imzaları örtüşen farklı türlere karşılık gelen dinamikleri içerebileceği anlamına gelir, yani tek bir dalga boyu uyumundan çıkarılan zaman sabitleri, birden fazla çakışan sürecin bir bileşimini temsil edebilir. Ek olarak, bant şekli ve konumundaki herhangi bir değişiklik, tek dalga boylu bağlantıdan çıkarılan genlikleri ve zaman sabitlerini de etkileyecektir. Bu sorunlar, bazı durumlarda, sistemdeki her emici türün TA bantları için işlevsel bir form belirlediği veya varsayıldığı ‘bant şekli analizi’ adı verilen uygun bir yöntemle atlatılabilir. Bu şekiller daha sonra zamana bağlı genliklerle ağırlıklandırılır ve gözlemlenen spektrumu yeniden üretmek için bir araya getirilir. Bu prosedür, zamanla çözülen floresan spektrumlarının analizinde yaygın olarak kullanılır, ancak TA bantlarının daha karmaşık şekilleri ve örtüşen bileşenleri, bu yöntemi, başka bir yerde ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, yalnızca birkaç basit durumda uygulanabilir kılar10.
Tek dalga boylu uydurmanın bir başka dezavantajı, modern TA deneylerinin sağladığı geniş spektral aralıktan özünde yararlanmamasıdır. Prensip olarak, spektrumların her bir dalga boyuna metodik olarak uyulabilir, ancak bu tür bir analiz hantal, zaman alıcı ve hesaplama açısından pahalıdır. Bu zorlukla mücadele etmek için, tüm bir TA spektrum setini aynı anda bir dizi paylaşılan dinamik parametreyesığdırmak için ‘küresel analiz’ adı verilen bir yöntem kullanılabilir 4. Küresel analiz ve hedef analizi adı verilen yakından ilişkili bir yöntem, başarılı ve yaygın olarak kullanılan yöntemlerdir, ancak aynı zamanda kendi benzersiz dezavantajları ve sınırlamaları ile birlikte gelirler. Herhangi bir modelde olduğu gibi, onu oluşturmak için kullanılan varsayımları ve sundukları sınırlamaları anlamak zorunludur.
Küresel analizde, TA spektrumları bir m’ye n matrisi ile temsil edilir, burada m, her spektrumda ölçülen dalga boylarının sayısını ve n, toplanan zaman noktalarının sayısını temsil eder. Bu matrisin daha sonra diğer iki matrisin çarpımına ayrıştırılabilir olduğu varsayılır:
(3)
burada C(t) n üzeri k matrisidir ve S(λ) m üzeri k matrisidir. K değeri, spektrumları yeniden oluşturmak için kullanılan farklı spektral bileşenlerin sayısını temsil eder. Bu bileşenlerin her biri, benzersiz bir spektral imzaya ve dinamiklere sahip emici bir türü temsil eder. S(λ) matrisi, k bileşenlerinin TA spektrumlarını ve C(t) zamana bağlı konsantrasyonlarını temsil eder. Global analizin en basit ve en yaygın uygulamasında, her bileşenin tek üstel kinetiklere sahip olduğu varsayılır (Denklem 2’de i = 1, her bileşene kendi zaman sabiti atanır). Özetle, tam TA spektrumu, her biri kendi karakteristik absorpsiyon spektrumuna ve tek üstel bozunmaya sahip k spektrum bileşenlerinin toplamı ile temsil edilebilir.
TA spektrumları uygun olduğunda, kullanıcı kaç bileşene (yani k için bir değer) ihtiyaç duyulduğunu tahmin eder ve bu türlerin tek üstel bozunmasıyla ilişkili zaman sabitinde bir tahminde bulunur. Tesisatçı daha sonra Ctahmini(t) üretir ve Sfit(t) için Denklem 3’ü çözer. Daha sonra, Sfit(λ) ve Ctahmini(t), uygun spektrumları oluşturmak için Denklem 3’teki gibi çarpılır, ΔA(λ,t)fit. Son olarak, artıklar, ΔA(λ,t)exp − A(λ,t)fit, en aza indirilir ve optimal Sfit(λ) ve zaman sabitleri döndürülür. Bir avuç zaman sabiti ve sabit spektral bileşen kullanarak tüm bir spektrum kümesini temsil eden küresel analizin göreceli basitliği, onu TA spektroskopisinde karşılaşılan karmaşık bant şekillerini ve dinamiklerini çözmek için çekici (ve başarılı) bir yöntem haline getirir. Bununla birlikte, küresel analizin eldeki sistem için uygun bir model olmasını sağlamak için özen gösterilmelidir.
Denklem 3’te gösterilen küresel analizdeki önemli bir varsayım, dinamiklerin dalga boyu ve zaman bölümlerinin tam olarak ayrılabilirliğidir, bu özellik ‘iki kişilik’ olarak adlandırılır. Bu varsayım, bileşen bant şekillerinin zamandan bağımsız olmasını gerektirir (yani, zamanla değişmeyen veya kaymayan sabit bir spektral şekle sahiptirler). Deney sırasında değişen tek şey, C(t) ile temsil edilen her bir bileşenin göreli popülasyonlarıdır. Uzun zaman ölçeklerinde, ~ 1 ns ya da öylesine, bu varsayım tipik olarak geçerlidir ve küresel analiz çok fazla endişe duymadan kullanılabilir. Öte yandan, femtosaniye TA ile erişilebilen ultra hızlı zaman ölçeklerinde öne çıkan titreşimsel soğutma ve çözme dinamikleri gibi uyarılmış durum süreçleri, bir türün spektral imzasında zamana bağlı değişikliklere ve iki kulaklılığın bozulmasına neden olur. Bu, küresel analizin bir veri kümesini yeniden üretemeyeceği anlamına gelmez, aslında, yeterli sayıda bileşen kullanılması koşuluyla her zaman tatmin edici bir uyum sağlayabilir. Daha sonra sorun, bileşen spektrumlarının yorumlanmasında ve zaman sabitlerinin belirli uyarılmış durum süreçlerine atanmasında yatmaktadır, çünkü bileşenler artık farklı emici türlere karşılık gelmeyebilir. Bu nedenle, iki eşliliğin varsayılamadığı durumlara küresel analiz uygularken her zaman dikkatli olunmalıdır.
Spektral yorumun modele/uydurmaya atanması: Bir uyum elde edildikten sonra, spektral yorum, uyumda elde edilen ömürlerle eşleştirilmelidir. Uyumdan itibaren ömürler, spektrumların ilk yorumunda tanımlanan hem süreçlere hem de reaksiyonlara atanır. Bununla birlikte, spektrumlardan elde edilen ilk değerlendirme ve model tarafından elde edilen takılan kullanım ömürlerinin sayısı hemen birbiriyle eşleşmeyebilir. Bu (yaygın!) durumda, tesisatçının geri dönüp ilk yorumu değerlendirmesi gerekir. Belki de ilk değerlendirmede gözden kaçan, ancak modelleme ve montaj sürecinde tespit edilen titreşimli bir soğutma veya başka bir süreç vardı. Ya da belki iki farklı uyum parametresi seti verileri iyi bir şekilde yeniden üretebilir ve ilk yorumlama hangi uyum parametreleri setinin seçileceğine rehberlik edebilir. Bu son adımda, tesisatçı, sistemin türlerinin ve dinamiklerinin makul bir fotofiziksel atamasına yol açan bir açıklama bulmak için yorumlama ve uydurma arasında gidip gelmelidir. Hedef analizi gibi sıralı uydurma modellerini içeren diğer uydurma programları da, küresel analizin sağladığı uyumları ve bu makalede sunulan uydurma yazılımını tamamlamak için araştırılabilir4.
Özetle, bu protokol geçici absorpsiyon verilerinin hazırlanmasını ve takılmasını tartışır. Amacı, süreçle ilgili zorlukları vurgulamak ve bu zorluklardan kaçınmanın veya azaltmanın yollarını pratik bir şekilde yorumlamaktır. Teknik alanlarda karşılaşılan çoğu verinin sığdırılması gibi, teknik analiz verilerinin uydurulması da zor ve bazen öznel olabilir. Bu nedenle, verilerin işleyişinin ve sınırlılıklarının farkında olmak, veri hazırlamak, verileri modellemek ve verilere anlam yüklemek için kullanılan matematiksel araçlar kritik öneme sahiptir. Bilim adamları verilere ve modellemeye eleştirel bir gözle yaklaşmalıdır.
Kişi, uyumlarının öznelliğini hafifletmeye çalışabilir. Örneğin, aynı uyumun üretildiğinden emin olmak için veriler farklı başlangıç noktalarından ve farklı günlerde hazırlanabilir ve sığdırılabilir. Farklı günlerde farklı numune hazırlama ile alınan veriler karşılaştırılabilir. Birden fazla araştırmacı aynı verileri sığdırabilir ve sonuçlarını karşılaştırabilir. Zamanla, araştırmacılar elde ettikleri veriler hakkında (deney düzeneklerinin özelliklerine ve deneysel parametrelerine dayanarak) uyumlarına daha fazla güvenmelerini sağlayacak bir sezgi oluşturabilirler.
TA veri uydurma ve bu makalede tartışılan modellerin ayrıntıları hakkında öğrenilecek çok şey var. Bu konuyu derinlemesine inceleyen birkaç mükemmel inceleme makalesi coşkuyla tavsiye edilir 4,10,27. Bu protokol, yeni başlayanların, süreci daha derinlemesine anlamaya olan ilgiyi teşvik eden analiz ve uygulama sürecine giriş yolu olması amaçlanmıştır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, geçici absorpsiyon için çok kullanıcılı lazer tesisini (CHE-1428633) kuran NSF Büyük Araştırma Enstrümantasyon programı aracılığıyla mümkün olmuştur. Bu materyal, Ulusal Bilim Vakfı tarafından Hibe No kapsamında desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. 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).
