التحليل الطيفي فائق السرعة
التحليل الطيفي للامتصاص العابر
تجربة الامتصاص العابر تقيس كميًا الامتصاص المتغير زمنيًا في العينات المثارة ضوئيًا.
مقدمة المنتج
ما هو التحليل الطيفي للامتصاص العابر؟
التحليل الطيفي للامتصاص العابر تقنية مضخة–مسبار تُستخدم لقياس التغيّرات المعتمدة على الزمن في امتصاص عينة مثارة ضوئيًا. وبمتابعة هذه التغيّرات يوفّر الأسلوب معلومات كمية عن عمليات مثل انتقال الإلكترون والبروتون، والإذابة، والاسترخاء الاهتزازي، ونقل طاقة الإكسيتون، وديناميات التفاعلات الضوئية في الأنظمة الجزيئية وأشباه الموصلات والمواد المتقدمة. تجمع أنظمة التحليل الطيفي HARPIA مصادر ليزر فائقة السرعة وإثارة قابلة للضبط في الطول الموجي ومطياف امتصاص عابر واكتساب بيانات مدمج في منصة مدمجة.
مبدأ القياس
يقيس التحليل الطيفي للامتصاص العابر كيف يتغيّر الامتصاص البصري للعينة بعد الإثارة الضوئية. ولا ترى الأساليب القائمة على التألق سوى الحالات المثارة الباعثة. أما قياس تغيّر الامتصاص فيكشف كذلك الأنواع العابرة الوسيطة والحالات غير الباعثة في حالتي الأساس والإثارة معًا. تبدأ نبضة مضخة ضيقة النطاق عملية فيزيائية ضوئية أو كيميائية ضوئية. ثم يسجّل مسبار عريض النطاق متأخر زمنيًا تغيّر النفاذية مقابل طول موجة المسبار والتأخير، فينتج خريطة ثنائية الأبعاد للديناميات. وتُحدَّد الدقة الزمنية أساسًا بمدة النبضة ومزامنة الحزمتين؛ وتبلغ الليزرات فائقة السرعة الحديثة عشرات الفمتوثواني.
أوضاع القياس المتقدمة
على HARPIA-TA يمكن توسيع الامتصاص العابر بأوضاع إضافية. يرصد الانعكاس العابر تغيّرات الانعكاسية المستحثة بالمضخة بدل النفاذ، وهو مفيد للمواد المعتمة والأغشية الرقيقة وبنى أشباه الموصلات. وتغيّر القياسات المحلولة حسب شدة المضخة شدة الإثارة لكشف الإبادة والتشبع. وتستخدم القياسات المحلولة استقطابيًا حالات مضخة ومسبار خطية أو دائرية لدراسة التوجّه الجزيئي والتجمّع ومسارات نقل الطاقة والاستجابات المعتمدة على اليدوانية.
الترتيب النموذجي
يتكوّن الترتيب النموذجي من ثلاثة عناصر: ليزر فائق السرعة، ومصدر قابل للضبط في الطول الموجي، ومطياف امتصاص عابر. يوفّر الليزر نبضات الفمتوثانية. وتُولَّد الإثارة القابلة للضبط عادة في مضخم بارامتري ضوئي (OPA)، بحيث يمكن مخاطبة انتقال إلكتروني أو اهتزازي مختار. يزامن المطياف المضخة والمسبار ويضبط التأخير ويسجّل تغيّر الامتصاص. تحافظ أنظمة HARPIA على مسارات بصرية قصيرة ومستقرة، وتبدّل أوضاع القياس في البرنامج نفسه. وتُقرَن بليزرات CARBIDE أو PHAROS ومصادر ORPHEUS أو I-OPA القابلة للضبط. يدمج HARPIA-LIGHT ليزر الفمتوثانية والمطياف في منتج Class 1 بصندوق واحد للمختبرات التي تحتاج نظامًا مكتبيًا مدمجًا.
HARPIA-TA
يوفّر HARPIA-TA الامتصاص العابر على منصة HARPIA. ويتيح معدل التكرار العالي لليزرات CARBIDE وPHAROS إجراء القياس عند طاقات نبضة تنخفض إلى عدة nJ، ما يقلّل التأثيرات اللاخطية غير المرغوب فيها وتدهور العينة. تغطي المسابير عريضة النطاق من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة؛ ويوسّع مضخم بارامتري ضوئي (OPA) ثانٍ وكاشف أحادي الطول الموجي النطاق إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة حتى 13 µm. يصل خط التأخير البصري إلى 8 ns. واستقطاب المضخة وشدتها وموضع العينة وتبديل المتصل الفائق مؤتمتة، ويمكن للجهاز الانتقال بين الامتصاص العابر والانعكاس العابر. الديناميات الطيفية لـ β-carotene في المحلول. شروط القياس: 100 kHz، مضخة 490 nm، طاقة نبضة المضخة < 10 nJ، 13 s لكل طيف (لكل نقطة تأخير).
مضخة–مسبار تحت الأحمر على GaAs
ديناميات المضخة–المسبار لرقاقة GaAs في الأشعة تحت الحمراء، مسجَّلة بكاشفي الإشارة والمرجع أحاديي القناة في HARPIA-TA. شروط القياس: 75 kHz، مضخة 700 nm، 1 s لكل نقطة.
الحزمة الثالثة في HARPIA-TB
تضيف وحدة HARPIA-TB نبضة متأخرة زمنيًا إلى تسلسل المضخة–المسبار للامتصاص العابر متعدد النبضات: للتأثير في الديناميات الضوئية الجارية، أو بلوغ حالات مثارة أعلى، أو توجيه مسار كيميائي ضوئي. وتمكّن كذلك تشتت رامان المحفَّز بالفمتوثانية عند توفير نبضات بيكوثانية مضيَّقة تردديًا. يُضبَط الاستقطاب بمعوّض Berek، والشدة بمرشح كثافة محايدة متغير، ويصل خط التأخير إلى 4 ns. ديناميات FSRS لـ neoxanthin على HARPIA-TA مع HARPIA-TB. شروط القياس: 25 kHz، مضخة فاعلة ضوئيًا 440 nm عند 200 nJ، مضخة رامان 530 nm عند 300 nJ.
مضخة–تفريغ–مسبار
ديناميات مضخة–تفريغ–مسبار لصبغة الليزر DCM، حيث تكون نبضة التفريغ رنينية مع نطاق الانبعاث. شروط القياس: 50 kHz، مضخة 515 nm، تفريغ 700 nm، تأخير تفريغ 21 ps، مضخة 90 nJ، تفريغ 190 nJ.
تألق HARPIA-TF
تضيف وحدة HARPIA-TF بوابة كير وتحويل التألق إلى أعلى والعد الارتباطي للفوتونات المفردة. تسجّل بوابة كير طيف التألق كاملًا عند كل تأخير بدقة الفمتوثانية. ويخلط التحويل إلى أعلى الانبعاث بنبضة بوابة في بلورة لاخطية. ويبني TCSPC مدرجًا تكراريًا للانحلال من أزمنة وصول الفوتونات المفردة، بدقة تبلغ عادة عشرات إلى مئات البيكوثواني، ويمكنه كذلك متابعة الفسفرة. وتُظهر قياسات بوابة كير في DCM تطوّر التألق بدقة دون البيكوثانية.
بوابة كير على β-carotene
تُظهر قياسات بوابة كير في β-carotene دقة الأسلوب. وتألق S₂→S₀ للكاروتينات فائق السرعة (< 100 fs)، لذا تكون البيانات المسجَّلة محدودة أساسًا باستجابة الجهاز.
تحويل التألق إلى أعلى
ديناميات تألق صبغة الليزر DCM في المحلول، مسجَّلة بـ HARPIA-TF في وضع تحويل التألق إلى أعلى. شروط القياس: 100 kHz، مضخة 430 nm.
TCSPC
ديناميات تألق صبغة الليزر DCM في المحلول، مسجَّلة بـ HARPIA-TF في وضع TCSPC. شروط القياس: 100 kHz، مضخة 430 nm.
التحلل الضوئي الومضي في HARPIA-TA-FP
تقيس وحدة HARPIA-TA-FP الحالات طويلة العمر على تأخيرات من النانوثانية إلى الميلي ثانية باستبدال المسبار الفمتوثاني المتأخر ميكانيكيًا بمسبار نانوثاني عريض النطاق يُطلَق إلكترونيًا. الديناميات الطيفية النانوثانية لـ meso-tetraphenylporphine في المحلول. شروط القياس: 1.8 kHz، مضخة 343 nm، طاقة المضخة 5.4 μJ.
HARPIA-LIGHT
يدمج HARPIA-LIGHT ليزر فمتوثانية ومطياف امتصاص عابر في منتج Class 1 بصندوق واحد. الديناميات الطيفية لصبغة الليزر DCM في المحلول. شروط القياس: 60 kHz، مضخة 343 nm، 3 s لكل طيف (لكل نقطة تأخير).
ديناميات مرشح التمرير طويل الموجة
ديناميات فائقة السرعة لمرشح تمرير طويل الموجة مقيسة على HARPIA-LIGHT. شروط القياس: 60 kHz، مضخة 343 nm، طاقة المضخة 70 nJ، 1 s لكل طيف (لكل نقطة تأخير)؛ 200 ms لكل طيف، 60 min إجماليًا.
مجالات الاستخدام
يُستخدم التحليل الطيفي للامتصاص العابر على نطاق واسع في الأنظمة الجزيئية وأشباه الموصلات والمعقّدات البيولوجية. ففي الكيمياء الضوئية والبيولوجيا الضوئية يتابع نقل الطاقة وفصل الشحنة وعمليات التركيب الضوئي ووسائط التفاعل. وفي بحوث أشباه الموصلات يُبلغ عن تولّد حاملات الشحنة ونقلها وأسرها وإعادة اتحادها. وفي علم المواد يُطبَّق على المواد الكهروضوئية والحفازات الضوئية والمواد الكمومية وغيرها من الأنظمة النشطة ضوئيًا. ولأنه يرصد الحالات الباعثة وغير الباعثة معًا على نطاق زمني واسع، يبقى من أكثر الأساليب تنوعًا لديناميات البصريات والإلكترونيات فائقة السرعة.
