docSpektroskopia ultraszybka w zastosowaniach
download 
Reklamacja Transkrypt
Spektroskopia ultraszybka w zastosowaniach
Spektroskopia ultraszybka w zastosowaniach Piotr Fita Wydział Fizyki UW Laboratorium Procesów Ultraszybkich Warsztaty naukowe dla przemysłu, 03.02.2015 Ultrakrótkie impulsy laserowe Impulsy światła o czasie trwania 10-100 fs − I(t) = I0 e t2 ∆t 2 10fs 1godzina = 1s Wiek Wszechswiata Źródła impulsów Przestrajalny oscylator szafirowy Spectra Physics MaiTai Zakres przestrajania: 690-1040 nm Czas trwania impulsu: ∆t < 100 fs Cz˛estość repetycji: f = 80 MHz (okres T = 12.5 ns) Moc szczytowa w impulsie: Pimp = T /∆t · Psrednia = 375 kW Źródła impulsów Wzmacniacz impulsów Legend Elite Duo Centralna długość fali: 800 nm (bliska podczerwień) Czas trwania impulsu: ∆t < 50 fs Cz˛estość repetycji: f = 5 kHz (okres T = 0.2 ms) Moc średnia: Psrednia > 10 W Moc szczytowa w impulsie: Pimp = T /∆t · Psrednia > 40 GW Duże nateżenia ˛ światła Zjawiska nieliniowe Procesy nieliniowe Przetwarzanie cz˛estości przy dużych nateżeniach ˛ światła Generacja drugiej harmonicznej Procesy nieliniowe Przetwarzanie cz˛estości przy dużych nateżeniach ˛ światła Generacja światła białego Light Conversion Topas-White Komercyjny niewspółliniowy wzmacniacz parametryczny Źródło impulsów o ∆t < 30 fs w zakresie 500-750 nm (dwie sztuki) Coherent Opera Solo Wzmacniacz parametryczny z fala˛ bieżac ˛ a˛ Źródło impulsów przestrajalnych od nadfioletu do średniej podczerwieni! Źródła impulsów dostepne ˛ w Laboratorium Procesów Ultraszybkich Zestaw generatorów parametrycznych (frep = 5 kHz) Trzy zsynchronizowane źródła: 2×Topas-White: ∆t = 30 fs, λ = 500 − 750 nm Opera Solo: λ = 200 nm−20µm spektroskopia pompa-sonda kontrola kwantowa optyka nieliniowa na powierzchniach Przestrajalny laser femtosekundowy Mai Tai ∆t = 100 fs, frep = 80 Mhz, λ = 690 − 1040 nm czasowo-rozdzielcza spektroskopia fluorescencyjna badania absorpcji dwufotonowej Układy pomiarowe własnej konstrukcji Spektroskopia pompa-sonda Dwa impulsy oddziałuja˛ z próbka: ˛ Pompujacy ˛ wzbudza czasteczki ˛ (inicjuje proces) Sondujacy bada stan czasteczek ˛ w trakcie procesu Zmienne opóźnienie pomiedzy ˛ impulsami pozwala śledzić przebieg procesu Przeniesienie atomów wodoru w porficynach Podwójna studnia potencjału dla atomów wodoru Rotacja momentów przejść dipolowych Pomiary polaryzacyjne Potencjalne zastosowanie w pamieciach ˛ optycznych Próby kontroli procesu za pomoca˛ kształtowanych impulsów Pomiary anizotropii [PF, N. Urbańska, C. Radzewicz, J. Waluk, Chem. Eur. J. 15, 4851 (2013)] Wyniki pomiarów anizotropii Szybkość przeniesienia atomów wodoru Dla szeregu czasteczek ˛ symetrycznych szy b k O N H N N H N N H N N H N N H N n-hex N H N N H N n-hex n-hex N H N N H N N H N N H N N H N N H N n-hex n-hex O n-hex N H N n-hex N H N kc j i N H N N H N n-hex O ć a re n-hex N H N oś O n-hex Szybkość reakcji (s -1) 1013 1012 N H N N H N N H N N H N N H N N H N N H N N H N N H N N H N N H N N H N t-Bu 1011 t-Bu t-Bu t-Bu t-Bu 1010 t-Bu k0 109 k1 Synteza: Japonia, Hiszpania, Indie... 0 1 2 3 4 5 Przesunięcie chemiczne 6 7 [P. Ciaćka, ˛ PF, A. Listkowski, M. Kijak, S. Nonell, D. Kuzuhara, H. Yamada, C. Radzewicz, J. Waluk, J. Phys. Chem. B, dx.doi.org/10.1021/jp506150r] Terapia fotodynamiczna Badania nowych fotouczulaczy Współpraca z Uniwersytetem Medycznym w Poznaniu Charakteryzacja Czy nie ulegaja˛ szkodliwym fotoreakcjom? Jak podstawniki i metale wpływaja˛ na aktywność (czas życia w stanie wzbudzonym)? Jak środowisko wpływa na własności terapeutyczne? Spektroskopia pompa-sonda Badania reakcji indukowanych światłem Widma absorpcji zarejestrowane dla różnych opóźnień pompa-sonda: 0 1000 0 -5 0 -1 0 0 ΔA -1 5 0 30 26 -1 0 0 24 20 -2 5 0 20 -1 5 0 0 -2 0 0 -2 0 22 -2 0 0 tryplet -5 0 1 ps 2 ps 5 ps 1 0 ps 28 1 0 ps 1 0 0 ps 5 0 0 ps 1 ns 1 .3 5 ns 1 .8 ns singlet -2 5 0 520 500 560 600 600 640 700 Długość fali (nm) Brak reakcji indukowanych światłem 500 550 600 650 500 600 700 Długość fali (nm) Tworzenie stanu trypletowego (aktywnego) z czasem charakterystycznym ~1 ns [PF, T. Osmalek, T. Goslinski, M. Wierzchowski, J. Mielcarek, J. Photoch. Photobio. A 232, 44-49, (2012)] Czasowo-rozdzielcza spektroskopia fluorescencyjna Skorelowane w czasie zliczanie fotonów Czasowo-rozdzielcza spektroskopia fluorescencyjna Skorelowane w czasie zliczanie fotonów Czasowo-rozdzielcza spektroskopia fluorescencyjna Skorelowane w czasie zliczanie fotonów Czasowo-rozdzielcza spektroskopia fluorescencyjna Skorelowane w czasie zliczanie fotonów Pomiar czasów życia fluorescencji Zależność od centralnego atomu metalu Liczba zliczeń (znorm.) 1 0.1 2H 0.01 Zn Mg 1E-3 1E-4 0 5 10 15 20 25 30 35 Czas (ns) Optymalizacja fotouczulaczy pod wzgledem ˛ czasu życia stanu wzbudzonego [L. Sobotta, PF, W. Szczolko, M. Wrotyński, M. Wierzchowski, T. Goślinski, J. Mielcarek, J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry 269, 9-16 (2013)] Rozpuszczalność fotouczulaczy Fotouczulacze trzeba podać pacjentowi, np. w postaci roztworu, ale: słabo rozpuszczalne w wodzie: agregacja – krótki czas życia – mała skuteczność dobrze rozpuszczalne w rozp. organicznych: monomery – długi czas życia – wysoka suteczność Micele Zaniki fluorescencji w micelach Wyraźny wzrost czasu życia Spadek czasu życia Zanik agregacji ? [P. Kasprzycki] Protonowanie efekt odpowiedzialny za zachowanie w obecności miceli 1.0 in DMF, [H+] < 5.0 10-5 in DMSO, [H+] = 3.5 10-4 IRF 1000 0.8 Absorbancja Liczba zliczeń 10000 τ1 = 3.22 ± 0.10ns 100 τ1 = 3.16 ± 0.10ns τ2 = 1.01 ± 0.10ns 10 10 15 20 25 Czas (ns) 30 0.6 0.4 0.2 0.0 35 500 600 R O R O N R O N N N O R R O +H+ N M N O R O R N N 900 + R O R O N R O 700 800 Długość fali (nm) N -H+ O R R O O N H M N N O R N M = Mg O O R N N CH3 O R O R W środowisku biologicznym protonowanie decyduje o aktywności terapeutycznej [P. Kasprzycki] 1000 Absorpcja dwufotonowa Absorpcja dwufotonowa zachodzi przy odpowiednio wysokim nateżeniu ˛ światła: impulsy ultrakrótkie Mikroskopia dwufotonowa pozwala uzyskać wysoka˛ rozdzielczość przestrzenna˛ w 3 wymiarach Pomiary absorpcji dwufotonowej Uniwersalny układ pomiarowy Do badań czasowo-rozdzielczej fluorescencji lub absorpcji dwufotonowej Pomiary absorpcji dwufotonowej metoda˛ dwufotonowo wzbudzanej fluorescencji Nateżenie ˛ fluorescencji rejestrowane jest w zależności od długości fali wiazki ˛ wzbudzajacej ˛ [M. Imiołek, Praca licencjacka, 2014] Pomiary absorpcji dwufotonowej barwników ksantenowych Barwniki ksantenowe wykorzystujemy w badaniach powierzchni metoda˛ generacji drugiej harmonicznej – ważna jest znajomość przekrojów czynnych na absorpcje˛ dwufotonowa˛ [M. Imiołek, Praca licencjacka, 2014] Podziekowania ˛ Grupa femtochemiczna w Laboratorium Procesów Ultraszybkich prof. dr hab. Czesław Radzewicz Piotr Ciaćka ˛ (pomiary anizotropii) Piotr Kasprzycki (pomiary TCSPC, TPA)
