超快二维电子光谱与激发态动力学（特邀）

超快二维电子光谱是一种用于探测激发态动力学的重要手段,由于其具有时间分辨力高、可探测均匀展宽与非均匀展宽、可提供丰富的相干动力学信息等特点,近年来被广泛应用于光合作用、光伏电池材料、量子点与二维材料等的动力学研究中。本文从傅里叶变换光谱、瞬态光栅等与超快二维电子光谱紧密相关的基本概念出发,简要阐述超快二维电子光谱的基本原理。通过例举二维电子光谱在光合作用蛋白与光伏电池材料的应用研究,介绍二维光谱的特色以及应用范围。最后,对二维光谱研究存在的挑战以及未来研究方向进行探讨。     

基于主动锁相的二维电子光谱方法

二维电子光谱是探测复杂系统激发态相干动力学的重要工具,实现二维电子光谱测试的最大挑战是精确控制多束超短脉冲之间的相位差. 本综述回顾了利用主动相位管理方法实现二维电子光谱仪装置,主要包括干涉仪相位稳定、声光调制器进行频率标记和多光频梳等三类方法;结合四波混频、泵浦探测及完全共线等不同构型,能实现高时空分辨及量子跃迁通道选择的二维光谱检测. 超短脉冲技术与主动相位调控的结合实现二维电子光谱学方法,为研究激发态相干动力学提供新的机遇.     

二维傅里叶变换光谱实验方法简介

二维傅里叶变换光谱是近几十年来发展起来的一种先进光谱技术. 与其他超快光谱方法相比,它具有许多优点,并且为研究各种复杂系统提供了巨大的机会. 然而,二维傅里叶变换光谱的系统搭建、实验测量和理论描述仍面临许多挑战,从而限制了其广泛应用. 近年来,随着超快激光等各种相关技术的发展和革新,二维傅里叶变换光谱方法也逐渐发展成熟,进而大大降低了进行二维傅里叶变换光谱实验的技术壁垒. 对于二维傅里叶变换光谱实验装置的光学设计,目前存在许多不同的方法,每种方法都有其自身的优点和局限性. 但是目前还没有一个简单的教程可以帮助实验工作者选择搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置. 因此,本文旨在为计划搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置的初学者提供一个简短的介绍.     

二维LiNbO3非线性光子晶体

制备了周期为13.64 μm方形格子二维周期性极化的LiNbO3,利用二阶准相位匹配实现了波长为1.064μm二倍频,二次谐波的内部转换效率高达42%.测量了二次谐波输出功率随晶体温度及入射光入射方向的变化,实验值与模拟计算一致.制备二阶准相位匹配掩模板,解决了在制备一阶准相位匹配掩模板中遇到周期尺寸太小、数据量大的难题,同时还降低了因周期太小造成的极化难度.     

量子相干态的二维电子光谱测量的原理、应用和发展

二维电子光谱是一种同时具有高的时间分辨率和光谱分辨率的非线性光谱学方法.它不仅可以对凝聚相分子复杂动力学过程进行直接测量,还可以测量不同电子态、电子态-振动态之间的量子相干过程.2007年,Flemming课题组利用二维电子光谱于低温77 K的条件下在捕光天线蛋白Fenna-Matthews-Olson中发现了能量传递过程存在量子相干现象.尽管后续的实验研究表明,该体系中实验观测到的量子相干现象不可能是由单纯的电子态相干引起的,然而这一实验现象的报道极大地激发了人们对天然或人工模拟光合系统中存在量子相干传能途径的探索,目前还是一个相当活跃的研究领域.本文旨在通过介绍二维电子光谱学原理、装置及其在光合作用体系能量传递中量子相干现象的应用,使二维电子光谱这种实验方法能够在更多的研究领域得以普及与推广.     

二维LiNbO3非线性光子晶体

制备了周期为13.64 μm方形格子二维周期性极化的LiNbO₃，利用二阶准相位匹 配实现了波长为1.064μm二倍频，二次谐波的内部转换效率高达42％. 测量了二次谐波输出功率随晶体温度及入射光入射方向的变化，实验值与模拟计算一致. 制备二阶准相位匹配掩模板，解决了在制备一阶准相位匹配掩模板中遇到周期尺寸太小、数据量大的难题，同时还降低了因周期太小造成的极化难度. 关键词： 二维 准相位匹配 二次谐波     

广义二维相关光谱技术及其应用

广义二维相关光谱技术目前逐渐成为光谱分析中广泛应用的研究方法,综述了其历史发展、基本原理、获取谱图方法、数学计算过程、谱图性质及其解释规则,并介绍了二维红外、近红外、拉曼和荧光光谱相关光谱技术在各个领域中的应用,展望了广义二维相关光谱技术的发展趋势。     

宽光谱高分辨率二维光谱信号探测系统设计

针对宽光谱范围高分辨率的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路对二维光谱的探测需求,分析了探测器与光路系统的匹配关系,提出了面阵光谱探测系统的设计方法,设计了具有高灵敏度、低噪声等特点的二维光谱探测系统。该系统包括主控单元、探测器驱动单元、信号处理单元、数据存储单元以及数据传输单元等主要模块。以滨松S10141型CCD为核心设计的探测系统灵敏度高、动态范围大、信噪比高。结合中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路进行光谱探测实验,结果表明,该探测系统能在200～600 nm宽光谱范围内获得高分辨率二维光谱图像,在Hg灯253.652 nm处单色像斑覆盖5个像素,分辨率达到6.3 pm。     

二维黑磷的光学性质

黑磷是继石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)之后又一个备受关注的二维材料.黑磷从单层到块材都是直接带隙半导体,且带隙从单层的1.7 eV一直随着层数的增加而减小,到块材则变为0.3 eV,涵盖了可见光到中红外波段,恰好填补了石墨烯和过渡金属硫族化合物的带隙在该波段的空白.同时,黑磷还具有很高的载流子迁移率、良好的调...     

利用二维相关红外光谱研究竹原纤维的热微扰作用

采用红外光谱法和二维相关光谱分析技术,对竹原纤维的热微扰作用进行了研究。通过竹材和服用竹原纤维的红外光谱图的比较,可以看出,和竹材相比,服用竹原纤维木质素和半纤维素含量明显 降低。从不同温度（50～120 ℃）服用竹原纤维的动态红外光谱图得出,在这个缓慢升温的过程中,温度只是一种微扰,并没有发生剧烈的氧化作用。最后,借助于二维相关光谱分析,研究了服用竹原纤 维和竹材在温度微扰作用下,红外光谱中各基团的相关变化情况。二者的二维相关红外光谱分析结果表明,服用竹原纤维和竹材都在1 655 cm-1处出现最强自相关峰,说明其对应的化学基 团对于温度变化十分敏感。二者的区别在于,在800～1 300 cm-1波段,竹原纤维只有几个较弱的自相关峰和交叉峰,而竹材在这一波段出现一个较强的5×5峰组,说明服用竹原纤维和竹材 的化学成分具有显著的差别,其对热微扰的敏感性大大降低。初步的研究结果表明,二维相关红外分析可以作为分析服用竹原纤维热微扰过程中结构动态变化的一种新方法,也为竹原纤维氧化机理的研究 提供了一种新手段。     

基于硅锗异质结的二维量子点阵列的制备与表征

硅基半导体量子点中的自旋量子比特近几年来发展迅速,其单比特门与两比特门操作保真度已经突破了容错量子计算的阈值.在此基础上,如何构建硅基量子点二维阵列变得广受学界关注,然而二维阵列复杂的结构在器件制备和测量上均带来挑战.本文设计并成功制备了一种Si/SiGe异质结上的2×4结构八量子点二维阵列器件.借助输运测量方法测量了八量子点器件的全部电荷稳定性相图,并进一步地使用电荷感应调制测量方法得到了器件内的少电子区电荷稳定性相图,说明了对量子点电荷态的高灵敏度探测能力.此外,通过调控势垒电极展示了对量子点间隧穿耦合的调控作用并测量了多量子点耦合的电荷稳定性相图.本文的研究结果展示了使用Si/SiGe异质结构建自旋量子比特二维阵列的潜力,为未来硅量子点二维阵列的进一步扩展提供经验与参考.     

基于二维相关技术的氯吡脲拉曼光谱分析

氯吡脲作为一种苯脲类生长调节剂,被广泛应用于果蔬中,但是氯吡脲若过量使用,会严重影响果蔬的内在质量,且摄入过多会影响人的身体健康。现有的检测方法,虽然技术上成熟、精度高,但技术条件要求高、样品预处理过程复杂、耗时、检测费用高。利用二维相关拉曼光谱技术对乙酸乙酯中氯吡脲的浓度变化进行检测研究,建立一种灵敏、快速、高效的检测果蔬中氯吡脲的技术提供理论基础,对食品安全具有重大意义。采集氯吡脲粉末的拉曼光谱图,结合氯吡脲分子的结构图可对拉曼光谱谱图中的峰进行归属。配置浓度分别为2.5,5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,17.5和20.0 g·L-1的氯吡脲乙酸乙酯溶液并采集拉曼光谱,对不同浓度的氯吡脲乙酸乙酯溶液的光谱数据进行二维相关分析,得到氯吡脲的拉曼二维相关同步谱图和异步谱图,分析同步谱图得出842, 992, 1 044, 1 442和1 604 cm-1的几处交叉峰具有协同作用,随着氯吡脲浓度的升高而升高;分析异步谱图得出交叉峰敏感性为1 044 cm-1>992 cm-1>842 cm-1,1 735 cm-1>1 604 cm-1>1 442 cm-1,842 cm-1>1 735 cm-1。结果表明,乙酸乙酯中氯吡脲的拉曼特征吸收峰分别为842,992,1 044,1 442,1 604和1 735 cm-1,其中1 044 cm-1（苯环的环伸缩振动）、992 cm-1（吡啶环的环呼吸振动）、842 cm-1（C-O-N假对称的伸缩振动）、1 735 cm-1（C=O伸缩振动）对氯吡脲浓度变化比较敏感,敏感度顺序为苯环的环伸缩振动>吡啶环的环呼吸振动>C-O-N假对称的伸缩振动>C=O伸缩振动>多个耦合峰的C=C伸缩振动>C-H的变形振动。拉曼光谱与二维相关技术相结合可以准确地反映出氯吡脲随浓度变化,为果蔬中氯吡脲含量的检测奠定了理论基础。     

基于二维相关中红外光谱技术的邻苯二甲酸二丁酯检测研究

利用二维相关红外光谱技术对正己烷中常用塑化剂邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的浓度变化进行了检测研究。利用傅里叶变换红外光谱仪对溶于正己烷中的DBP进行检测,得到742,1 078,1 123,1 281,1 467,1 728,2 873,2 933和2 961cm~(-1)特征吸收峰。将红外光谱分为三个波段400~1 200,1 200~1 900和2 900~4 000cm~(-1),通过二维相关光谱分析技术得知在1 123cm~(-1)波段(苯环面外摇摆及O-—C—O单键伸缩运动)、1 728cm~(-1)(C—O双键的伸缩运动)、2 873和2 961cm~(-1)(CH3伸缩运动)以及3 436cm~(-1)(苯环C—H的面内伸缩运动)对DBP浓度变化比较敏感。结合红外光谱宏观指纹技术以及二维相关光谱分析方法,能够较准确的分析出正己烷中的DBP的浓度变化,为食品中塑化剂含量的检测以及研究塑化剂的迁移规律提供了新的思路和方法。     

黄芩及其提取物红外光谱与二维相关光谱的鉴别

采用二维红外相关技术,对黄芩原药材、饮片及其提取物进行分析研究。在一维红外光谱中,各样本间的谱图十分相似,导数光谱分析发现,经过炮制之后在1 745和1 411 cm-1处吸收峰向高波数位移,1 357 cm-1处吸收峰向低波数位移。二维红外谱图显示的药效组分特征差异明显,生黄芩在1 300～1 800 cm-1波数范围内有4个特征峰,以1 575 cm-1最强;黄芩片的自动峰有3个区域;酒黄芩的自动峰有2个区域。各区域内自动峰均为正相关。不同样品总苷提取物的一维谱图显示, 在1 615, 1 585, 1 450 cm-1(苯环骨架振动)和1 658 cm-1(CO)附近均有特征吸收,二阶导数谱图给出在1 656 cm-1(黄酮的CO)附近有特征峰,推测共有的成分为酚苷类化合物。二维谱图在800～1 800 cm-1波段均体现苯环骨架振动的5个自动峰1 366,1 420,1 508,1 585,1 669 cm-1。可见红外光谱宏观指纹技术可提供大量整体信息,能够较准地把握黄芩的整体质量。可用于研究黄芩药材及饮片特征的相关性。     

基于二维红外技术研究氧化羧甲基纤维素钠/胶原的相互作用及热稳定性

采用氧化羧甲基纤维素钠(OCMC)作为交联剂,对胶原溶液进行改性并采用二维红外技术分析OCMC与胶原之间的相互作用及其对胶原热稳定性的影响.一维红外图谱显示OCMC交联改性对胶原的主要特征吸收峰即酰胺Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ带的峰位与强度无明显影响;改性前后胶原的酰胺Ⅲ带与1455 cm-1处吸光度的比值AⅢ/A1455均接近于1....     

老鹳草中药材红外光谱的分析与鉴定

采用红外光谱、二阶导数光谱和二维相关红外光谱对来自黑龙江、吉林、辽宁三省的老鹳草中药材进行了分析。不同产地的老鹳草的红外光谱都具有1 730和1 337 cm-1等表征鞣质类成分的特征吸收峰和1 618和1 318 cm-1波数表征草酸钙的特征峰。其中还发现在1 370 cm-1的C—H弯曲振动区和1 230 cm-1的C—O伸缩振动区三产地老鹳草具有一定的差异性。在高分辨的二阶导数谱中, 1 509,1 204,764和763 cm-1附近的表征鞣质类成分的吸收峰更明显,三产地老鹳草在CO羰基伸缩振动区表征了脂肪类化合物的不同;尤其是在二维相关光谱上,各自的自动峰具有显著的差异性,黑龙江的老鹳草出现了7个自动峰,其中1 621 cm-1处自动峰最强;而在吉林和辽宁产地的老鹳草中同样出现了4个自动峰,前者1 580 cm-1处的自动峰最强,后者在1 649 cm-1处自动峰最强。该方法直观、简单、方便、快速,可以作为鉴别和鉴定同种不同产地老鹤草的一种新方法。