圖1：本文所述飛秒寬帶瞬態(tài)吸收儀器的示意圖。

摘要

瞬態(tài)吸收光譜(Transient Absorption, TA)是一種強大的時間分辨光譜技術(shù)，通過檢測材料體系吸收光譜的變化來追蹤激發(fā)態(tài)過程的演化。早期的TA技術(shù)僅限于專業(yè)實驗室使用，但隨著商業(yè)一體化系統(tǒng)的不斷發(fā)展，這項技術(shù)正日益普及全球科研團隊。現(xiàn)代TA系統(tǒng)能夠生成具有高能量和時間分辨率的大型數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集富含光物理信息。然而，由于存在多個激發(fā)態(tài)特征峰和儀器偽影，TA光譜的處理、擬合和解釋往往具有挑戰(zhàn)性。在采集、處理和擬合TA數(shù)據(jù)時，需要仔細考慮諸多因素，以降低對哪種模型或擬合參數(shù)組合最能準確描述數(shù)據(jù)的判斷的不確定性。數(shù)據(jù)預(yù)處理和擬合的目標是在保留有效數(shù)據(jù)進行分析的前提下，盡可能消除這些干擾因素。本方法旨在為初學(xué)者提供TA數(shù)據(jù)處理和準備的操作規(guī)程，并簡要介紹單波長擬合和全局壽命分析等典型擬合程序和模型。文中將詳細解析數(shù)據(jù)預(yù)處理中常見的技術(shù)難題及其解決方法，隨后討論這些基礎(chǔ)擬合方法的局限性及技術(shù)挑戰(zhàn)。

緒論

瞬態(tài)吸收光譜(TA)是一種時間分辨光譜技術(shù)，通過檢測樣品在光脈沖激發(fā)后吸收光譜隨時間的變化，監(jiān)測光激發(fā)物種的動態(tài)演化過程。由于TA屬于吸收型光譜技術(shù)，能夠識別并追蹤經(jīng)歷輻射躍遷(即通常會發(fā)射光子的狀態(tài))和非輻射躍遷(通常表現(xiàn)為非熒光性狀態(tài)，通過內(nèi)轉(zhuǎn)換、系間竄越或參與光化學(xué)反應(yīng))的激發(fā)態(tài)信號。根據(jù)激發(fā)光源和檢測方法的具體配置，TA可覆蓋從飛秒到微秒以上的動力學(xué)時間尺度，以及紫外到遠紅外的光譜范圍，使其成為多功能光譜工具。過去數(shù)十年間，TA光譜儀的商業(yè)化進程顯著推進，使更多實驗室和研究機構(gòu)能夠應(yīng)用這一強大技術(shù)。

現(xiàn)代TA系統(tǒng)能夠生成具有高能量分辨率和時間分辨率的大型數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)通常以二維矩陣形式呈現(xiàn)，記錄透射率或吸光度差值隨波長和相對于激發(fā)光脈沖的時間延遲的動態(tài)變化。這種數(shù)據(jù)集既可呈現(xiàn)為二維熱圖，也可轉(zhuǎn)化為三維地形圖。隨著研究人員嘗試通過完整數(shù)據(jù)集構(gòu)建最優(yōu)擬合模型來描述目標體系，數(shù)據(jù)解讀的復(fù)雜度顯著提升。

雖然TA技術(shù)可覆蓋紫外至遠紅外的寬譜段和飛秒至微秒的時間尺度，但本文聚焦其最廣泛應(yīng)用形式：基于飛秒脈沖激光的紫外-可見寬帶光譜。該儀器的典型結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。實驗通過從激光器中分束出兩束脈沖實現(xiàn)：其中一束稱為"泵浦"脈沖，用于激發(fā)樣品;另一束稱為"探測"脈沖，進入機械延遲裝置，通過改變脈沖傳輸距離調(diào)節(jié)泵浦與探測脈沖間的時間延遲。

單波長的探測脈沖經(jīng)藍寶石或氟化鈣(CaF?)晶體后被轉(zhuǎn)換為超連續(xù)白光，該白光脈沖通過樣品后，由電荷耦合器件(CCD)等寬帶探測器記錄全譜信息。通過對比有無泵浦光激發(fā)時的白光探測信號，即可獲得樣品吸收光譜的瞬態(tài)變化ΔA(t)。關(guān)于檢測原理的詳細說明可參考這篇重要綜述。

圖2：TAS數(shù)據(jù)的模擬及其對TA信號的貢獻。(A)模擬基態(tài)吸收光譜(藍色虛線)和激發(fā)態(tài)光譜(紅色虛線，相對于基態(tài)光譜紅移)的高斯曲線。兩光譜的差譜(紫色實線)即為TA觀測的差分信號。為說明目的，基態(tài)與激發(fā)態(tài)光譜間的差異被人為放大。(B)POPOP在330 nm激發(fā)后1.04 ps的代表性TA差分光譜。虛線表示POPOP的基態(tài)吸收和穩(wěn)態(tài)發(fā)射。高亮區(qū)域顯示TA中常見的特征：基態(tài)漂白(GSB)、受激輻射(SE)和激發(fā)態(tài)吸收(ESA)。

在所有TA光譜技術(shù)中，ΔA(t)光譜是通過計算在兩個光脈沖之間設(shè)定的特定時間延遲t下，探測光的基態(tài)吸收(Aprobe)與泵浦-探測光共同作用時的激發(fā)態(tài)吸收(Apump+probe)的差值得獲得。

(1)

注意，Aprobe等同于樣品穩(wěn)態(tài)吸收光譜且與時間無關(guān);實驗的時間分辨率源于泵浦與探測脈沖間的延遲，該延遲通過Apump+probe(t)體現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果如圖2A所示。

與穩(wěn)態(tài)吸收光譜不同，TA光譜由于采用方程1的差值計算方式，可呈現(xiàn)正負特征。正特征源于泵浦脈沖產(chǎn)生的新吸收物種，可能代表激發(fā)態(tài)生色團、三重態(tài)、幾何重排、溶劑化效應(yīng)或激發(fā)態(tài)光產(chǎn)物。在討論部分將提供用于識別這些特征并將其歸屬至化學(xué)物種的一般性指導(dǎo)原則。負特征可能來源于基態(tài)漂白(GSB)或受激輻射(SE)(圖2B)。GSB是由于樣品吸收泵浦脈沖后基態(tài)分子數(shù)量減少所致。當基態(tài)分子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)后，它們不再在原本基態(tài)吸收光的區(qū)域吸收光，因此探測脈沖在該區(qū)域的吸收減弱，導(dǎo)致方程1的差值為負。GSB的特征表現(xiàn)為具有與基態(tài)吸收相同的光譜形狀，但符號相反。SE信號源于激發(fā)態(tài)物種在探測脈沖作用下產(chǎn)生的受激輻射。這些物種的輻射會導(dǎo)致探測器接收到更多光信號，等效于在這些波長處吸收減弱。SE信號的光譜形狀與物種的自發(fā)輻射光譜相似，但符號為負且具有不同的頻率權(quán)重。

除了提供激發(fā)態(tài)物種的信息外，TA光譜可能包含多種偽影和無關(guān)特征，這些會扭曲底層動力學(xué)并干擾吸收帶的歸屬。數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析中對這些偽影的不當處理可能導(dǎo)致應(yīng)用錯誤的光物理模型，從而得出誤導(dǎo)性結(jié)論。因此，本實驗方案的第一部分重點闡述如何在數(shù)據(jù)采集后正確處理TA數(shù)據(jù)集。該部分目標是為TA光譜初學(xué)者提供一套操作指南，幫助其建立對數(shù)據(jù)嚴格預(yù)處理和分析的直觀理解與認知。

完成數(shù)據(jù)集處理后，可使用多種復(fù)雜程度和嚴謹程度的工具與模型對光譜進行擬合與解釋。本實驗方案第二部分的目標是指導(dǎo)讀者應(yīng)用單波長擬合與全局分析方法，并提供判斷這些模型適用性的依據(jù)。商用軟件如Ultrafast systems公司的Surface Xplorer(免費下載和使用)現(xiàn)已廣泛用于TA數(shù)據(jù)處理。此外，學(xué)術(shù)研究者開發(fā)了其他開源替代方案，例如Glotaran。Glotaran是一款專為時間分辨光譜與顯微數(shù)據(jù)進行全局和目標分析而設(shè)計的免費軟件，其作為R-package TIMP14的圖形用戶界面(GUI)。用戶也可通過Python等編程語言自行編寫分析代碼。這些擬合軟件和編程方案各具優(yōu)勢，均為重要工具。本研究僅以其中一種軟件展示可視化分析過程，詳細討論各類擬合軟件已超出本文范圍。

本文提供完整操作指南：(1)瞬態(tài)吸收(TA)數(shù)據(jù)處理，(2)使用單波長動力學(xué)和全局分析擬合TA數(shù)據(jù)，(3)數(shù)據(jù)導(dǎo)出及模型適配。隨文附有代表性TA數(shù)據(jù)供讀者練習(xí)使用(補充文件1和補充文件2)。數(shù)據(jù)來源于乙醇溶液中165 μM濃度的(1,4-Bis[2-(5-phenyloxazolyl)] benzene)(POPOP)樣品，在330 nm激發(fā)波長下采集，時間范圍覆蓋-5 ps至5.5 ns。另包含在相同實驗條件下采集的純乙醇"空白"樣品數(shù)據(jù)(時間范圍-5 ps至5 ps)，用于擬合前的數(shù)據(jù)預(yù)處理(步驟1)。實驗采用超快瞬態(tài)吸收光譜儀采集，樣品置于2 mm光程比色皿中并持續(xù)攪拌。數(shù)據(jù)處理和擬合流程基于支持*.ufs格式的Surface Xplorer軟件(以下簡稱"擬合程序")。配套提供其他格式向*.ufs轉(zhuǎn)換的程序。雖然本操作指南細節(jié)基于Surface Xplorer軟件，但所述步驟可適用于任何商業(yè)或自研軟件包。此外，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果可通過這些替代軟件包進一步導(dǎo)出和擬合。支持信息文件(補充文件3)提供了關(guān)于擬合方法的額外建議。

流程正文

1.擬合數(shù)據(jù)準備

圖3：數(shù)據(jù)首次加載時的主菜單界面。通常情況下，在該擬合軟件中，當鼠標懸停在窗口上方時，窗口右下角會彈出選項框。這些選項框允許調(diào)整光標與窗口的交互模式，包括移動選擇區(qū)域、縮放或平移窗口。同時提供調(diào)整窗口X軸和Y軸刻度精度的選項，以及切換顯示模式從線性到對數(shù)的功能。坐標軸也可設(shè)置為鎖定或解鎖狀態(tài)：鎖定時軸保持指定的縮放級別或數(shù)值范圍;解鎖時軸范圍將自動切換以顯示完整數(shù)據(jù)集。其他選項包括調(diào)整數(shù)字顯示格式和網(wǎng)格線顏色設(shè)置(若存在網(wǎng)格)。

1.1 將樣品數(shù)據(jù)集(SAMPLE dataset)加載到擬合軟件中。數(shù)據(jù)將顯示為圖3所示形式。

圖4：執(zhí)行散射光扣除的曲面菜單界面。

1.2當實驗的光學(xué)檢測窗口內(nèi)存在散射的激發(fā)光時，啟用Subtract Scattered Light功能(圖4)。若數(shù)據(jù)中無散射的激發(fā)光，直接進入步驟1.5。

注意：散射光通常在激發(fā)波長位于光學(xué)窗口范圍內(nèi)時出現(xiàn)。其表現(xiàn)為激發(fā)波長(或某些衍射階次、OPA產(chǎn)生的波長)處尖銳的負信號(漂白特征)，且該信號不隨時間變化。

1.3點擊Surface菜單，選擇Subtract Scattered Light選項(圖4)。新窗口將彈出。

圖5：散射光扣除設(shè)置界面——設(shè)定平均光譜范圍。

在彈出窗口中，通過arrow按鈕設(shè)置平均背景光譜的數(shù)量(圖5)，以執(zhí)行背景校正。初始推薦使用10條光譜進行平均，可根據(jù)需要調(diào)整數(shù)值。點擊Accept執(zhí)行扣除操作(進入步驟1.7)。

注意：背景光譜取自數(shù)據(jù)集中最早的時間點光譜，并按時間順序向后擴展所需的背景光譜數(shù)量以實現(xiàn)背景信號的平均化;然而，使用過多背景光譜將開始納入包含目標信號的光譜，因此不要使用過多背景光譜。對于長時間窗口數(shù)據(jù)，散射特征可能不會出現(xiàn)在數(shù)據(jù)時間窗口的末端。如果時間窗口超過相機積分時間，或根據(jù)TA實驗的構(gòu)建方式存在其他原因，可能會出現(xiàn)這種情況。為修正此問題，可使用補充文件3中描述的設(shè)定時間范圍選項。

1.4對于光學(xué)窗口內(nèi)無散射光的實驗數(shù)據(jù)，點擊Surface菜單，然后點擊Subtract Background選項。

1.5在彈出窗口中，點擊右下角的箭頭按鈕設(shè)置“Number of Spectra”為10，并點擊Accept。

注意：此選項中的背景光譜功能與“扣除散射光”(Subtract Scattered Light)選項相同。初始使用10條光譜可提供良好的平均效果?？墒褂酶喙庾V，但需注意不要過多，以避免納入包含目標信號的光譜。Surface Xplorer用戶手冊描述了“扣除散射光”與更基礎(chǔ)的“扣除背景”校正方法的差異。針對不同偽影需應(yīng)用適當?shù)男Ｕ绞健?/p>

圖6：設(shè)置裁剪范圍界面。

1.6光學(xué)窗口邊緣區(qū)域的數(shù)據(jù)可能因探測光譜的形狀或樣品對白光的過度吸收而導(dǎo)致信噪比(SNR)極低。這些區(qū)域的噪聲數(shù)據(jù)會使分析更加困難。移除光譜中這些無用的部分：點擊光譜界面左下角的end wavelengths，輸入新的波長值(參考圖6)，然后按下回車鍵。選擇一個波長范圍以去除窗口邊緣的噪聲數(shù)據(jù)。對于提供的示例數(shù)據(jù)，波長范圍應(yīng)設(shè)為340-680 nm。

圖7：裁剪數(shù)據(jù)集界面。裁剪后的數(shù)據(jù)將被永久刪除。

1.7將光譜窗口的波長范圍最終調(diào)整至所需區(qū)域。點擊Surface菜單，選擇Crop選項(參考圖7)。隨后將彈出窗口。

1.8點擊OK。點擊File菜單，選擇Save File As，然后點擊OK。關(guān)閉當前數(shù)據(jù)集。

注意：裁剪時需謹慎，因為該功能將沿波長和時間延遲軸同時裁剪數(shù)據(jù)，刪除所有其他數(shù)據(jù)。確保時間延遲窗口包含需要保留的數(shù)據(jù)部分。此外，強烈建議將裁剪后的數(shù)據(jù)保存為新的、正確標注的文件，以保持原始數(shù)據(jù)矩陣完整作為備份。

1.9對在飛秒或皮秒時間尺度采集的數(shù)據(jù)，必須應(yīng)用啁啾校正(chirp correction)。打開僅包含溶劑或基底(無樣品)的空白實驗數(shù)據(jù)曲面(data surface)，該空白實驗應(yīng)使用與目標數(shù)據(jù)相同的實驗裝置。此樣本作為"空白"實驗運行。對"空白"數(shù)據(jù)執(zhí)行與樣品數(shù)據(jù)相同的操作步驟(從步驟1.2到步驟1.8)。

注意：強烈建議此類"空白"實驗在與樣品相同的條件下進行，但采用更短的時間窗口(例如約?5 ps至5 ps)以確保時間零點附近存在足夠多的數(shù)據(jù)點。該"空白"實驗應(yīng)僅包含溶劑或底物，具體取決于樣品類型，并用于建立啁啾校正曲線。直至當前步驟的"空白"實驗制備需遵循與樣品數(shù)據(jù)相同的背景校正和裁剪操作。若未運行"空白"實驗，可在數(shù)據(jù)集上直接進行啁啾校正。

1.10啟動啁啾校正過程。在熱圖界面模塊(左上角)中，點擊十字準線(crosshair)并將垂直線組分拖動至光譜的藍色端。從光譜窗口起始端的藍色波長范圍開始操作。點擊Kinetics菜單，選擇Fit Solvent Response選項。

注意：擬合溶劑響應(yīng)操作應(yīng)僅針對時間零點后不產(chǎn)生任何信號的"空白"樣品進行。若將此擬合功能應(yīng)用于包含目標分子或材料的數(shù)據(jù)集，程序會錯誤地對信號數(shù)據(jù)而非儀器響應(yīng)函數(shù)(IRF)進行擬合。對于"空白"樣品而言，唯一存在的信號應(yīng)是由交叉相位調(diào)制產(chǎn)生的相干偽影，該現(xiàn)象僅在泵浦光與探測光束重疊區(qū)域出現(xiàn)，因此可通過"擬合溶劑響應(yīng)"選項獲取可擬合的啁啾曲線軌跡。當缺乏配套"空白"校正數(shù)據(jù)時，需手動標注基線特征點，具體操作詳見補充文件3。

圖8：溶劑響應(yīng)擬合界面及擬合結(jié)果示例(紅色曲線為擬合曲線，藍色點為原始數(shù)據(jù))。

1.11新的"擬合溶劑響應(yīng)"窗口將彈出。點擊Fit按鈕(見圖8)。擬合過程將通過高斯函數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù)生成儀器響應(yīng)函數(shù)(IRF)模型。點擊Save按鈕，隨后點擊x關(guān)閉窗口。

注意：紅色擬合曲線應(yīng)在整個時間范圍內(nèi)(尤其是時間零點附近的0.1-2.0 ps區(qū)域)與數(shù)據(jù)點(藍色空心方塊)高度吻合。擬合的成功率取決于時間零點附近的數(shù)據(jù)點密度，這可通過采用更短的"空白"實驗時間延遲窗口(例如?5 ps至5 ps)并保留足夠數(shù)據(jù)點來實現(xiàn)。若擬合結(jié)果與數(shù)據(jù)點不匹配，勾選"Add Gaussian (R0)"選項框后重新擬合。此功能將在一階和二階導(dǎo)數(shù)基礎(chǔ)上疊加高斯函數(shù)總和，更精確地擬合該波長處IRF特征形狀。若溶劑響應(yīng)擬合仍無法捕捉IRF信號，需更換其他波長進行嘗試。

1.12重復(fù)執(zhí)行此過程(步驟1.10-1.11)至少五次，因為需要五個數(shù)據(jù)點來有效校正啁啾效應(yīng)。這些點應(yīng)盡可能均勻分布在整段光譜窗口內(nèi)，但某些溶劑/基底在特定光譜區(qū)域可能因?qū)嶒灄l件差異而無法產(chǎn)生可觀測信號。可根據(jù)實際需求增補數(shù)據(jù)點以獲得理想擬合效果。當所有操作完成后，關(guān)閉當前"空白"數(shù)據(jù)集即可。

注意：一旦用戶點擊Save按鈕，每個保存的數(shù)據(jù)點會立即以新行形式寫入工作文件夾中的Excel文件。若出現(xiàn)誤保存的數(shù)據(jù)點，可通過刪除Excel文件中對應(yīng)行的方式將其移除。

圖9：啁啾校正界面，使用"空白"樣品數(shù)據(jù)。

1.13重新打開已裁剪并扣除背景的數(shù)據(jù)集。點擊Surface菜單，隨后選擇Chirp Correction選項。這將打開一個包含三個窗口和右下角菜單的新界面(見圖9)。

圖10：啁啾校正結(jié)果與數(shù)據(jù)集的疊加顯示界面。

1.14 添加剛剛創(chuàng)建的啁啾校正。點擊Add from file選項，選擇以"fit coefficients"結(jié)尾的Excel文件，然后點擊OK。此時啁啾校正擬合曲線會以帶X標記的黑色線條形式顯示在左上窗口(圖10)。

注意：啁啾校正以實線形式顯示;線上的X標記是溶劑響應(yīng)擬合過程中生成的校正點?？赏ㄟ^調(diào)整十字準線位置后點擊Add手動添加校正點，也可通過選中已有標記后點擊Remove進行刪除。右下角列表中的數(shù)值可直接手動修改以進一步優(yōu)化校正效果。若需要，可通過點擊Save to file按鈕將當前校正方案保存為文件供后續(xù)重復(fù)使用。

1.15點擊Preview chirp correction按鈕。此操作將臨時應(yīng)用當前啁啾校正。觀察左上窗口中的校正效果，確保數(shù)據(jù)已實現(xiàn)時間域展平且無殘留曲率。

(1)若校正結(jié)果滿意，點擊Apply & Exit按鈕。若不滿意，重復(fù)步驟1.10-1.14，選擇更多(或不同)波長進行校正擬合直至獲得滿意結(jié)果。

注意：應(yīng)用啁啾校正會將時間零點調(diào)整為預(yù)覽中展平后的校正線?？赡艽嬖跁r間零點與"空白"數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)曲面之間的時序錯位。

1.16點擊File菜單，然后點擊Save File As選項。輸入適當?shù)奈募员砻饕褢?yīng)用啁啾校正。隨后點擊OK。

1.17數(shù)據(jù)執(zhí)行背景扣除后，部分散射特征可能未被完全移除。這些特征會影響擬合并導(dǎo)致錯誤的擬合結(jié)果。定位數(shù)據(jù)中需要移除的此類特征。散射特征最容易在負時間區(qū)域被識別。

(1)在左上熱圖窗口中，點擊并拖動十字準線至負時間區(qū)域。保持在負時間區(qū)域內(nèi)，使用十字準線確定散射特征起始和結(jié)束的波長位置。記錄散射特征對應(yīng)的波長范圍(對于示例數(shù)據(jù)集，該特征范圍為654 nm至672 nm)。

注意：判斷某個特征是否需要移除時，可通過上下拖動時間軸上的水平十字準線來觀察該特征的光譜范圍。散射特征通常具有非常嘈雜的單波長動力學(xué)軌跡，因此也可通過動力學(xué)軌跡驗證特征的光譜范圍。

1.18從較短(藍色端)波長(即654 nm)開始，在光譜上點擊right-end wavelength(左下圖塊)，輸入特征范圍較短端的數(shù)值。

1.19點擊Surface菜單，選擇Crop功能進行數(shù)據(jù)裁剪。在彈出菜單中點擊OK確認操作。使用唯一文件名保存裁剪后的數(shù)據(jù)，建議文件名注明數(shù)據(jù)所屬區(qū)域(推薦使用Blue或Left標識)。關(guān)閉當前文件。

1.20打開1.16步驟中應(yīng)用過啁啾校正的文件。繼續(xù)定位特征的較長(紅色端)波長范圍，在光譜上點擊left-end wavelength(左下圖塊)，輸入特征范圍較長端的數(shù)值。

1.21點擊Surface菜單，選擇Crop功能進行數(shù)據(jù)裁剪。在彈出菜單中點擊OK確認操作。使用唯一文件名保存裁剪后的數(shù)據(jù)，建議文件名注明數(shù)據(jù)所屬區(qū)域(推薦使用Red或Right標識)。

1.22通過點擊File菜單，然后選擇Combine Multiple Surfaces功能來合并這兩個文件。在彈出的新窗口中，選擇數(shù)據(jù)的兩側(cè)(即Right和Left或Blue和Red)。使用Ctrl+點擊的方式依次選中每個文件。確認"File Name:"框中已顯示兩個文件后，點擊右下角的OK按鈕。當進度條完成后，數(shù)據(jù)合并操作即已完成。

注意：可通過此方式合并任意數(shù)量的文件。數(shù)據(jù)可在時間軸和波長軸的多個截斷點處進行拼接。

1.23點擊File菜單，選擇Save File As功能，并為文件命名時添加唯一標識符表明其為合并數(shù)據(jù)(推薦使用Combined或Composite標識)。確認后點擊OK保存文件。

注意：關(guān)于如何從原始數(shù)據(jù)窗口保存數(shù)據(jù)以備后續(xù)顯示和繪圖的說明，請參見第3節(jié)。熱圖(左上圖塊)中的數(shù)據(jù)應(yīng)呈現(xiàn)為圖18所示形態(tài)，現(xiàn)已可進行擬合分析。圖18所示代表性光譜的可視化方法詳見步驟3.1.2。

審核編輯 黃宇