飞秒瞬态吸收光谱技术及应用

王野,张嵩*,张冰

(1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院,波谱与原子分子物理国家重点实验室,湖北 武汉 430071;2 中国科学院大学,北京 100049)

0 引言

原子构成了分子,进而组成了各种宏观物质。由于其结构、性质,以及行为的复杂性和差异性,物质分子最终表现出来的功能也不一样。人们对物质在分子水平上的认知主要来自两个方面:一个是空间尺度上,一个是时间尺度上。对于分子在空间尺度上的认知主要来自对分子结构的解析,而在时间尺度上的解析则主要是对分子各种动力学行为的探测。例如,光合作用是维持地球上各种生命活动的最重要的反应之一,同时光合细菌也是地球上最早出现的生命之一。对于该反应,在空间结构上,人们已经解析了紫色光合细菌光反应中心的晶体结构,这是世界上第一个膜蛋白晶体结构[1]。Deisenhofer、Huber 和Michel 因此获得1988 年的诺贝尔奖。但紫色光合细菌是如何实现光合作用的,还需要进一步了解光系统中光诱导电荷分离和能量传递过程[2-4]。在光系统II 中,外部捕光色素吸光后,紧接着会发生一系列从捕光色素到反应中心的能量传递过程[5-7]。这些分子间的能量传递行为都在超快时间尺度上完成,需要利用具有更高时间分辨率的光谱学技术。随着激光光谱技术的进步,人类能看到的物体越来越小,能看到的分子运动越来越快,值得一提的是2005 和2018 年诺贝尔物理学奖分别授予了基于飞秒激光的光梳技术和啁啾脉冲放大技术,这些技术的快速发展使得人类对微观世界的认识也越来越深入。

飞秒时间分辨光谱技术对于理解物理和化学中的最基本过程起到了非常重要的促进作用[8-10]。自从实现气体和凝聚态分子动力学的直接实验观察[11,12],超快光谱已经广泛应用到多个学科中,成为活跃的研究领域。全世界的科学家利用超快光谱技术开展了大量的科学研究并取得了丰硕的成果[13-27]。1999 年,Zewail 教授因使用飞秒(10-15s)化学技术观察到分子中的原子在化学反应中如何运动而获得诺贝尔化学奖。超快光谱学经过几十年的发展,研究对象已经从简单的双原子分子扩展到复杂的有机分子和生物分子,这也使得人类对基本的物理、化学过程有了更深层次的理解。2020 年,科学家报导了人类能测量的最短时间为光子穿过氢分子所花费的平均时间(247×10-21s),这项技术可以帮助科学家更好地理解物理和化学过程[28]。

时间分辨瞬态光谱技术可以用于研究量子态的演化以及态态之间相互作用等动力学过程。研究超快光物理/化学过程的常用技术主要是监测激发态的布居及其光谱特征随时间的变化,如分子电离光谱、光电子能谱、瞬态吸收、二维红外光谱、拉曼光谱和荧光上转换等[29-31]。在时间分辨电离光谱中,通过测量离子信号随时间的变化,可以得到态-态相互作用以及态寿命的相关信息;通过对产生的光电子的探测可得到时间分辨的光电子能谱与影像,进而得到电子电离时出射的能量和角度分布等信息。时间分辨光电子谱和光电子影像都是通过探测产生的光电子实现的,荧光的方法则通过测量物质发射出的荧光的瞬态变化获得激发态的动力学信息,但只能应用于能产生荧光的物种。瞬态光谱则利用吸收特性测量瞬态吸收光谱的变化,记录了激发态发射、激发态吸收和基态漂白的总和。二维红外光谱和拉曼光谱通过对分子振动频率的测量,揭示分子结构变化的过程。

目前,超快光谱技术已经用于研究包括发生在表面、溶液、高分子、光电材料和生命科学中的各种动态过程。本文结合近些年本课题组在分子激发态动力学研究中的主要工作[32-55],详细介绍了时间分辨瞬态光谱技术原理,及超快光谱在一些研究领域的应用,包括分子内电子弛豫过程、分子间相互作用机制,以及质子、电荷转移、能量传递、分子结构动力学等研究所取得的成果,最后对超快光谱方法的发展进行了展望。

1 实验方法与装置

由量子力学可知,分子的能级跃迁伴随着光子的吸收与发射,这一点是利用飞秒时间分辨泵浦-探测技术研究分子动力学过程的理论基础。飞秒泵浦-探测技术是飞秒超短脉冲技术与泵浦-探测技术的结合。随着超短激光脉冲技术的发展,人们对分子中态与态的转化、化学键的生成与断裂等超快过程的跟踪与探测已成为可能。

1.1 飞秒泵浦-探测技术

分子的动力学过程主要涉及到分子的核运动,通常发生在极短的时间尺度内(10-15～10-9s)。要准确地探测这些超快过程,必须要有飞秒量级的时间分辨率技术-飞秒泵浦-探测技术。飞秒泵浦-探测技术主要利用光的传播特性,通过改变两束光的光程差来调节光到达样品的时间差,从而实现飞秒尺度的时间分辨。其中一束飞秒脉冲作为泵浦光将处于基态的分子体系激发到电子激发态,分子的激发态不稳定的,会以辐射(荧光、磷光等)和无辐射(内转换、系间交叉等)等形式弛豫;使用经过一定时间延迟的第二束飞秒激光作为探测光对分子激发态衰变进行探测。为了能实时跟踪观测这些布居数变化过程,通过精密控制泵浦激光脉冲与探测激光脉冲的光程差实现飞秒或皮秒量级的延迟时间。通常在精密位移平台上安装一个回射器,改变平台光程差,可以获得Δt=2Δx/c的延迟时间,其中c为光速,Δx为光程差,如图1 所示。目前的精密位移平台技术通常利用步进电机控制精密螺纹杆,带动精密位移平台运动,可以达到μm 量级位移扫描精度(1 μm 的光程差相当于延迟时间3.3 fs),在这个机械精度上可以实现飞秒级别的时间分辨。此外,更先进的压电陶瓷技术可以实现nm 量级的精度控制。

图1 泵浦-探测技术示意图[56]Fig.1 Schematic diagram of pump-probe technology[56]

1.2 飞秒瞬态吸收光谱

作为超快光谱技术之一,飞秒瞬态吸收光谱技术是重要的超快动力学研究手段,其将飞秒时间分辨泵浦-探测技术和吸收光谱相结合,已广泛应用于生物、物理、化学、材料等方面的研究[57-59]。吸收光谱技术基于Lambert-Beer 定律,研究物质在有光通过时对不同波长光的吸收强度,并通过吸收峰的位置和强度来得到分子能级结构相关的信息。分子的吸收峰对应于分子内电子的跃迁。对于处于基态的分子,其吸收光谱反映了基态电子的跃迁,即S0→Sn;对于激发态分子,其吸收光谱则反映了激发态电子的跃迁,通常为S1→Sn或T1→Tn。不同于基态的是,电子激发态不能稳定存在,会快速跃迁回到基态,因此探测激发态的吸收光谱与基态的方法不同,需要一种超快时间分辨的技术,即瞬态吸收光谱技术。在瞬态吸收的实验中,先用一束泵浦光将被测分子激发到激发态上,另一束探测光探测处于激发态的待测样品分子在某一延迟时间Δt上的光谱性质。记录所有不同Δt下的吸收光谱,则可以获得完整的待测样品分子随时间变化的激发态吸收光谱,经过进一步处理与分析得到其激发态的动力学信息。

本课题组实验中使用相干公司的飞秒激光器作为光源。激光器输出中心波长为800 nm、脉宽为30 fs,重复频率为1 kHz、输出功率为1 W 的飞秒激光,再经6:4 的分束镜分为两束,其中60%的光束经过BBO 晶体,通过倍频、合频或非共线光参量放大等非线性效应技术,产生实验中所需的特定波长激光,作为泵浦光;另一束40%的基频光由CaF2晶体产生超连续的白光作为探测光。实验中泵浦光可实现200～800 nm 波段连续调节,针对不同分子体系选择不同的频率激发,而探测光的波长范围为340～780 nm。将安装在位移延迟平台的回射器放置在探测光的光路中,来调节泵浦光与探测光之间的延迟时间。延迟平台能调节的最大延迟时间可达1.5 ns,调节精度为1 μm。泵浦光经过样品后,为防止被光谱仪接收产生背景信号,使用挡板阻断其传播;在探测光到达样品之前由分束片将其分为两束,其中一束和泵浦光在空间上重合,作为探测信号的信号光,另一束则照射在未被泵浦光照射的部分,作为参考光,用来对比有无泵浦光照射的区域光谱的差异。探测光经过样品后,进入到光谱仪和CCD 探测器中。CCD 采集到的光信号按图2 中所示公式进行计算,收集处理后最终得到二维光谱。整个装置由控制软件系统进行自动化运行,探测的光密度水平可达到10-4量级。

1.3 飞秒瞬态吸收光谱信号提取和分析

通过飞秒时间分辨的瞬态吸收光谱技术可以获得激发态的吸收随时间演化的信息。实验中得到的光谱信号往往不是单一的吸收信号,而是由多个不同信号叠加而来,其中包括激发态吸收(ESA)、基态漂白(GSB)和受激辐射(SE)等等,如图2 所示。值得一提的是,除了以上这些样品本身所产生的信号,实验中往往还会探测到一些假信号,其中包括交叉相位调制(CPM)、双光子吸收(TPA)和受激拉曼散射(SRS)等过程[60-64],在数据分析和提取时需要做进一步排除和修正。由这些假信号的形成原理可知,它们一般形成于泵浦-探测的时间零点附近,因此会对短寿命的动力学过程的探测产生影响。一方面,为了更加准确地分析样品分子的动力学过程,有必要设法减轻或去除这些假信号;另一方面,由于假信号只形成于时间零点附近,可用于确定泵浦-探测的时间零点,测量时间分辨率优化光路以及改善和优化其他实验条件。

图2 飞秒瞬态吸收光谱原理Fig.2 Principle of femtosecond transient absorption spectroscopy

实验中所用的探测光为超连续白光,光谱范围为340～780 nm,包含了不同频率的组分。光在传播的过程中,不同频率的光在介质中的折射率不同,即传播速度不同。这使得白光存在群速度色散现象[65],即不同频率的组分并不在脉冲的同一时间点上,而是有先有后。正因如此,探测光和泵浦光无法在时间上达到绝对的重合。在光谱上,这表现为不同波长的时间零点不同,如果将各波长下的时间零点连接起来,得到的并不是一条垂直于时间轴的直线,而是一条倾斜的曲线,这称为“零点漂移”现象。为了排除白光的这种啁啾效应对光谱造成的影响,在对实验数据进行处理时必须对零点漂移进行修正[66]。对信号演化信息的提取,通常需要建立数学模型来对实验数据进行拟合。拟合主要分为单波长下的信号拟合以及对所有波长下的信号进行的全局拟合,具体拟合方式的选取取决于光谱信号的特点及信号的复杂程度,同时也要考虑分子弛豫过程的动力学模型。

2 光谱应用

2.1 光敏药物产品中的电荷转移过程

药物可用于预防、治疗、诊断人体疾病,有目的地调节人体生理功能,同时药物的研究与开发对人类生命健康和发展具有重要意义。一些外源性物质(如通过血液传输的药物)与光相互作用会引起机体组织的光敏性或光毒性反应。由于机体组织内光敏药物分子的物理化学性质有较大差异,需要深入认识药物分子激发态衰变过程和发生损伤的分子反应机制,在分子层面上研究其中的光物理和光化学过程,揭示这类反应发生的动力学机理。

在过去的十年中,有相当多的研究致力于理解生物基质存在下光激发药物产品的单分子失活途径[67-71]。蒽醌及其衍生物是金丝桃素的发色团的组成部分,它自然存在于圣约翰草和其他金丝桃属植物中。金丝桃素作为一种光敏剂用于癌症的光动力治疗,显示出光诱导的抗病毒和抗肿瘤活性。此外,蒽醌作为光子核酸酶与DNA 发生反应时,可以在特定的位点上切割单链或双链DNA[72-75]。Bergeron 等[74]报道了在DNA 中蒽醌和胸腺嘧啶之间形成的新链间交叉链。Zhong 等[76]讨论了飞秒动力学对蒽环类抗生素功能的影响。早期研究表明受激的醌类与DNA 的反应通过两个独立的氧化途径:从核酸主链的脱氧核糖组分中进行抽氢反应和从邻近的碱基中发生转移电子过程[77]。蒽醌分子的不同取代基和取代位点会对其电子结构及光物理和光化学性质有显著影响。Ryu[78]和Sun[79]等分别利用双光子激发荧光上转换和飞秒瞬态吸收光谱的方法确定了1-羟基蒽醌的激发态分子内质子转移(ESIPT)过程的时间小于50 fs。而在350 nm 光照射下,氨取代蒽醌衍生物可以催化DNA 裂解[80-82]。值得注意的是,Carmieli[83]指出蒽醌衍生物会经过快速的系间交叉产生长寿命三重态,能够氧化嘌呤碱基。

基于蒽醌的药物通过在相应位点结合特定基团可以实现不同功能,1-羟基蒽醌和1-氨基蒽醌是最简单的两类蒽醌衍生物体系,取代基团分别具有质子化和电荷转移性质。本课题组通过瞬态光谱和理论计算研究了1-羟基蒽醌和1-氨基蒽醌光激发后激发态弛豫动力学过程[35,39,79]。对于这两个体系,瞬态光谱都表现出两个明显的光谱带,1-羟基蒽醌的实验结果表明受激辐射带出现比激发态吸收带滞后。通过延迟时间分析方法,确定质子转移的时间仅为32 fs。量化计算结果表明第一激发态S1和第二激发态S2在沿分子内质子转移坐标的演化过程中能级排序和轨道属性都发生了变化,经过锥形交叉形成新的和态。分子从S2态经过锥形交叉向和态弛豫形成两种质子转移通道,且前者占主导。态内转换到S′1态的时间为238 fs,随后态的高振动态发生16 ps 的分子间能量弛豫。最后质子化异构体分子通过辐射回到基态,时间为300 ps。此外,异构体的基态很不稳定,很快会回到初始构型的基态。而在1-氨基蒽醌中,由于N 原子的电负性比O 原子强,因此更能吸引电子在其周围,不易发生键的断裂和质子转移,更多表现为电荷转移。计算结果也表明S1态具有电荷转移的性质,在S1势能面上NH2基团会相对于蒽醌环发生扭转并且电荷转移性质进一步加强,形成扭转的电荷转移态。当NH2和蒽醌环扭转角为40°时,S1和T2态能级发生交叉;当扭转角为60°时,S1态存在3300 cm-1的势垒[84];当NH2蒽醌环扭转角接近90°时,S1态达到其能量最低值,和S0态形成锥形交叉。通过实验结果分析得到,沿NH2扭转坐标演化,由于势能面存在势垒,扭转电荷转移的时间为5 ps,振动冷却和发射荧光的时间分别为28 ps 和550 ps。图3 表示了1-羟基蒽醌和1-氨基蒽醌分别在质子化坐标和扭转电荷转移坐标下的动力学过程,表明特定位点结合不同基团后,所经历的快速弛豫过程具有明显的差异性。

图3 蒽醌衍生物体系的质子转移和电荷转移机制。(a)1-羟基蒽醌质子转移机制;(b)1-氨基蒽醌电荷转移机制[79]Fig.3 Proton transfer and twisted intermolecular charge transfer(TICT)mechanisms of anthraquinone derivatives.The proton transfer mechanism of 1-hydroxyanthraquinone and TICT mechanism of 1-aminoanthraquinone are shown as(a)and(b),respectively[79]

1-羟基蒽醌和1-氨基蒽醌都具有平面化的分子结构。1-羟基蒽醌会发生分子内O-H···O 质子化过程,其H···O 的键长为0.17 nm;而1-氨基蒽醌中的氨基具有吸电子特性,同时也具有N-H···O,H···O 键长为0.188 nm。这与1-羟基蒽醌的H···O 键长相当,但其氢键作用要弱很多,这与2-氨基蒽醌和2-氨基蒽中观察到的现象一致。总之,不同的位点结合特定的基团所形成的衍生物会发生明显不同的光物理过程,这对于设计与合成蒽醌类药物具有重要的指导作用。

此外,本课题组进一步研究了电荷转移过程对药物分子体系光激发后的弛豫过程的影响[37,42]。9-蒽醛是一种蒽衍生物,可用作医药中间体。基于上述研究工作,Zhou 等[42]研究了9-蒽醛经400 nm 光激发后在不同极性环境中的无辐射过程,阐明超快电荷转移和后续ISC 过程对蒽醛类药物中生物体的影响。9-蒽醛在光激发后发生了明显的电荷转移过程,极性环境的差别导致电荷转移的速率显著不同,在乙醇和环己烷环境中测定电荷转移时间分别为110 fs 和230 fs。随后分子通过系间交叉进入三重态,而这个过程不受极性环境影响。在氧氟沙星体系中,分子被330 nm 激光激发至第一激发态后发生超快无辐射弛豫。其中,电荷转移和系间交叉过程是主要的弛豫过程[37]。实验中,电荷转移时间确定为1.4 ps。在随后的弛豫过程中系间交叉过程的量子产率为0.33,而电荷转移和三重态吸收的量子产率分别为0.29 和0.38,这些经电荷转移三重态布居的高量子产率将对生物体中的氧化过程产生重要影响。

2.2 分子间氢键和色散相互作用

在液相环境中,最常见的非共价相互作用是氢键和范德华相互作用,它们既可作为分子内作用力,也可作为分子间作用力。这些非共价相互作用参与了蛋白质、DNA 等生物大分子三维结构的形成,决定了这些生物大分子的功能[85,86]。维多利亚水母的绿色荧光蛋白,由于分子氢键引起的激发态质子转移产生生物发光,被广泛使用于基因表达标记。Fang 等[87]利用飞秒受激拉曼光谱揭示产生蛋白质荧光的质子转移所涉及的分子骨架运动,观察到色团Tyr66 羟基构型与酚盐构型之间不断进行转换。值得一提的是,分子与环境的强相互作用会对分子的激发态动力学产生明显的影响,现有研究已表明氢键会影响电子转移、内转换、荧光猝灭等过程[88-91]。而形成氢键复合物的主要相互作用是氢键,次级相互作用是色散力,两者共同影响氢键复合物的结构和稳定性[59]。此外,氢键还在环境污染方面有着重要的作用,它在许多环境污染过程中起到主导作用,而环境污染是本世纪主要难题之一[92]。实际上,许多涉及氢键的反应都与激发态相关,而色散力在分子与环境的相互作用中是最常见的,也是无处不在的作用力,但色散力很弱,特别是在小分子体系中,远远比不上氢键的强度,因此经常被忽略。已有的研究表明,芳香族分子在质子化溶剂中易形成分子间OH-O 和OH-π 两种氢键结构,而这两种氢键结构的偏好由色散力决定。色散力的大小如何影响氢键复合物结构以及其动力学行为是亟待解决的问题。

二苯并呋喃(Dibenzofuran,DBF)分子属于杂环芴的衍生物,在分子对称轴上含有一个氧原子。多氯二苯并呋喃(PCDFs)是DBF 的衍生物,属于二苯并二恶英类分子,对人体有害,被认为是污染物[93]。PCDFs 是燃烧过程以及其他工业过程的副产物,可长期存在于环境当中,并且还会沿着食物链进行大量的生物富集[94-96],因此在环境污染与治理的问题上,PCDFs 备受关注,但至今科学家仍未找到有效的解决方法。研究DBF 的激发态动力学,以及氢键环境对DBF 动力学过程的影响对治理二恶英的环境污染有一定帮助。本课题组研究了紫外激光照射后DBF 分子在不同溶剂环境中的动力学行为。在267 nm波长激发后,S2态首先在Franck-Condon 区布居,并保持与基态同样的平面分子结构。在不同溶剂环境中,DBF 分子均存在＜450 nm 和＞550 nm 的两个激发态吸收(ESA)信号,该信号随时间缓慢衰减并一直保持到实验所能探测到的最大延迟时间。提取DBF 在1,4-二氧六环、甲醇、乙醇和异丁醇中的瞬态吸收光谱中长波组分衰减曲线,如图4 所示。对瞬态光谱数据进行全局拟合可得到衰减相关差分谱。DBF的S2态在四种溶剂中均有如下失活过程:(1)内转换至S1态,时间为10 ps 左右。(2)S1态的振动弛豫,时间在几十ps。(3)S1态到三重态的系间交叉过程,时间在ns 量级。在质子化溶剂当中,由于氢键的相互作用,溶质分子更容易将能量转移至溶剂,因此S1态的振动弛豫过程会加快。并且由于氢键的作用,质子化溶剂中会产生氢键复合物,实验中在甲醇及乙醇溶剂中均观察到S*态的形成,也印证了这一点。实验中并未观察到异丁醇中中间态S*的形成,这是异丁醇与DBF 分子间较弱的氢键不足以维持复合物稳定性导致的结果。此外,由于质子溶剂的Kamlet 参数增大,S1和S*态之间的能隙增大,S*态的布居时间将变长。

图4 DBF 分子的激发态衰减机制示意图[56]Fig.4 Schematic diagram of excited state relaxation mechanism of DBF molecule[56]

范德华相互作用包括色散力、诱导力与取向力,其中诱导力和取向力都依赖于分子的极性,而色散力不依赖于分子极性,存在于任何分子之间,且会随着分子体积增大而增大。对大部分分子来说,范德华相互作用主要是色散力[97-99]。利用瞬态吸收光谱研究了色散力诱导的结构偏好对二苯醚(Diphenyl ether)激发态动力学的影响。在质子溶剂(甲醇、叔丁醇)和非质子溶剂(环己烷、1,4-二氧六环)中,二苯醚被267 nm 布居到S1态后发生振动能转移过程,时间尺度为1 ps 左右,然后通过50 ps 的内转换弛豫到基态和ns 量级的系间交叉或荧光过程衰减。当二甲醚分子处于非质子溶剂中时,只存在色散力,系间交叉时间会随着溶剂极性增强而增大;而当二甲醚分子处于质子化溶剂中时,在同时受到色散力和氢键相互作用的情况下,会形成OH-π 和OH-O 复合结构。在质子化溶剂中,复合结构的偏好受溶剂的色散力影响。当二苯醚在质子化溶剂中被激发时,原来处于O 原子上的电子会转移到苯环上,使得苯环形成氢键的能力增强,因此会有OH-O 到OH-π 结构的重排过程存在,时间约为1 ps。在甲醇溶剂中,二苯醚分子激发态的弛豫过程与非质子溶剂中弛豫过程相差不大,而甲醇中复合物仅以OH-π 结构存在,说明OH-π 结构对二苯醚激发态的弛豫过程没有太大影响。而在叔丁醇中,复合结构以OH-π 和OH-O 两种形式存在,二苯醚的S1态内转换过程明显加快,因此可判断OH-O 复合结构可以促进二苯醚分子的内转换过程,可断定色散力诱导的氢键复合物的结构偏好会影响二苯醚分子的激发态动力学过程。二苯醚在不同溶剂中产生的色散力诱导氢键复合物偏向机制如图5 所示。

图5 二苯醚的超快动力学过程示意图[56]Fig.5 The diagram of ultrafast dynamics relaxation processes in diphenyl ether[56]

2.3 有机发光材料的发光

有机发光材料的发光颜色、发光强度和发光寿命等特性,是可以通过分子结构设计来改变和调节的,在电致发光、有机激光器、传感器和生物成像等领域有广泛的应用。而具有热激活延迟荧光(TADF)特性的有机材料是近年来发展迅速的一类功能材料。自Uoyama 等[100]2012 年报道高性能TADF-OLED 器件以来,关于设计和合成新型TADF 发光原的报道越来越多,这些发光原具有不同的分子结构,应用于不同的领域。激发态质子转移(ESPT)是化学和生物系统中最基本的过程之一[87-89]。在过去的几十年中,由于ESPT 系统在荧光探针、生物成像、白光发光材料和有机光电材料方面的巨大潜力,其实验和理论研究引起了人们的广泛关注。ESPT 与荧光性质有关,通常发生在超快时间尺度上或低于100 fs。对这些超快过程的实验研究需要飞秒时间分辨光谱技术,如稳态和飞秒时间分辨吸收光谱、荧光光谱和振动光谱等。

Wu 等[40]将热激活延迟荧光的分子设计策略整合到ESIPT 分子中,以改善其ΦPLS并延长其荧光寿命。采用对称的D-π-A-π-D 分子结构(其中D 和A 分别代表电子供体和受体),以电子供体吩恶嗪或9,9-二甲基-9,10-二氢吖啶、具有ESIPT 特性的电子受体单元β-二酮和亚苯基π-桥为特征,设计了PXZPDO 和DMACPDO 分子。两种分子均表现出由分子内氢键维持稳定的唯一的烯醇式,并表现出一种独特的动态ESIPT 特性,通过瞬态吸收分析证实了这一特性。根据它们的紫外-可见吸收光谱,在400 nm 激光脉冲的激发下,PXZPDO 和DMACPDO 可以从基态激发到S1态。PXZPDO 和DMACPDO 在整个探测波长上都显示出两个主要的瞬态吸收(TA)带,如图6 左侧光谱图所示;PXZPDO 和DMACPDO在＜500 nm 的范围内均表现出较强的TA 带,而在500～600 nm 的范围内,PXZPDO 和＞550 nm 的范围内则表现出弱TA 带。值得注意的是,在300 fs 内,以470 nm 的PXZPDO 蓝色为中心的TA 带移动到460 nm。对于甲苯中的PXZPDO,结合5840 cm-1的大斯托克斯位移,可以预期在PXZPDO 的S1状态上可能发生ESIPT 过程。这些结果与DFT 模拟结果具有很好的一致性,即在PXZPDO 的S1态下,PT 过程会导致较小的能量差。同样,DMACPDO 的S1态也经历了500 fs 范围内的ESIPT 过程,这些快速发生的时间尺度与Chou 等之前的报告一样,超快ESPIT 过程在o-HBDI 和PBT-NHTs 中分别小于25 fs 和150 fs。PXZPDO 和DMACPDO 的飞秒瞬态吸收光谱表现出双指数衰减的动力学特征,其衰减过程由快速和缓慢时间组分组成。对于PXZPDO,快组分为3.1 ps,慢组分在μs 量级;对于DMACPDO,快组分为1.8 ps,慢组分同样在μs 量级。根据能隙定律,单重态和三重态之间的小能隙有利于高效的ISC。显然,PXZPDO 和DMACPDO 小于0.2 eV 的能隙差可以很容易地为ISC 过程打开通道。从这个意义上讲,两个分子的快衰减成分可能是由于从S1到T1的快ISC 过程,而它们的μs 成分可能属于其三重态的失活过程。此外,测量了两个分子在甲苯中的纳秒时间分辨瞬态吸收(ns-TA)光谱。PXZPDO 和DMACPDO 分别在390～510 nm 和420～460 nm 范围内显示出明显的正吸收信号,这归属为三重态的吸收。两个分子的fs-TA 和ns-TA 光谱中这些吸收区域的一致性清楚地表明,ESIPT 过程直接与PXZPDO 和DMACPDO的ISC 过程耦合。此外,在两个分子的ns-TA 光谱中,基态漂白只在400 nm 以下观察到。结果表明,400～500 nm 区域的基态漂白对两种分子的吸收光谱没有显著影响。有趣的是,两个分子的ns-TA 光谱都显示出强烈的负信号,主要峰值接近其在甲苯中的荧光发射,伴随着μs 的尺度寿命。这表明,三重态通过RISC 过程促进了两个分子的荧光发射。ESIPT 和ISC 过程之后,在两个分子中发生了三重态到单重态的RISC 过程,从而导致不同的延迟荧光发射。实验发现ESIPT 发光材料的动态质子转移特性能够有效提升TADF 发光通道中三重态激子上转换到单重态能级这一关键步骤的效率,从而进一步提升材料的发光特性。

图6 新型ESIPT 材料飞秒及纳秒瞬态光谱、动力学过程及器件外量子效率-亮度曲线[40]Fig.6 Femtosecond and nanosecond transient spectra,kinetic processes and external quantum efficiency-luminance curves of novel ESIPT materials[40]

除了热激活延迟荧光,其他材料的发光特性也吸引了大量关注,尤其是纳米粒子、聚集诱导发光等新型材料。2016 年Nature 上发表新闻评论,指出具有聚集诱导发光粒子、量子点、上转换粒子和聚合物点等特性的新型发光材料的出现一同带来了纳米光学革命[101]。碳纳米点、上转换、聚集诱导等发光材料具有可设计性、毒性低、光学性质独特、水分散性好、易制备、易于官能化等优点,在检测、能量转换、生物成像、药物传递和治疗等领域具有广阔的应用前景。在很大程度上,量子产率(QY)和发射波长决定着这些材料分子的应用前景。然而因为光致发光机制仍然不明确,控制发光分子的发光特性非常困难。对于碳点,本课题组提出羰基和π-电子系统的强耦合方案,改变C-dots 的电子态,并进一步影响发射波长[43,44,53]。通过测量瞬态光谱获得电子弛豫路径,研究表明当羰基含量降低后,由于羰基可能改变n→π*型的电子跃迁,其能量低于π →π*型,导致C-dots 的PL 发生蓝移。另一方面,C=C 含量的增加提高了π-电子系统的离域程度,从而减小了C-dots 的能隙,进一步导致了C-dots 发射波长的红移。QY依赖于导致非辐射复合的羰基。因此,当羰基含量降低时,C-dots 的QY 值较高,并且可以通过调节π-电子体系的范围和羰基含量来调节发射波长。这项工作促进了具有理想发射和QYs 的荧光碳基纳米材料的工程化,这将提供对C-dots 发光的深入了解。对于上转换发光体系,本课题组详细研究了发光机制和溶剂化效应,阐明分子间相互作用为影响发光产率的关键因素[33,34,49]。总之,发光特性的固有机制就是辐射和非辐射跃迁之间的竞争,可以通过一些分子空间结构和电子结构的特殊设计,调节分子间和分子内的相互作用,最终调控发光材料的发光特性和产率。

2.4 其它应用

飞秒瞬态吸收光谱技术是被广泛使用的超快谱学方法,近些年也被用于生物学、化学、材料科学等多个领域,如新型纳米材料的发光机制、光合作用的研究、DNA 光损伤机制和防晒霜分子防晒机制、光致变色反应等研究。

由于光照,自然界的很多生命过程都涉及到激发态。长时间暴露在紫外线下皮肤会产生自由基,然后导致DNA 受到光损伤,同时人体免疫系统会受到影响,患上黑色素瘤、基底细胞癌鳞状细胞癌等[102]。研究人员已设计出可以减轻紫外线造成损害的光保护化合物,防晒霜被认为是防止紫外线辐射光损伤最重要的保护工具之一[103-105],这些化合物可以通过各种非辐射通道将能量弛豫。文献[106-110]揭示了氧苯酮的能量消耗机制,氧苯酮是商业防晒霜中的一种常见成分。在紫外光照射下,被激发的氧苯酮从初始烯醇互变异构体转移到基态,然后沿非绝热坐标经碰撞弛豫回到初始烯醇互变异构体将能量耗散。目前合成的小分子化合物防晒霜虽然能很好地抵御紫外线辐射,但由于防晒霜的成分各种各样,有些防晒霜成分会对人体或对环境造成一定的破坏。很多防晒霜分子在排入环境后最后汇入大海,对珊瑚进行漂白,严重影响珊瑚的生态功能[111]。因此,人类致力于从自然中寻找更好的防晒霜分子,如植物暴露在阳光下的时间要长得多,但它们的生命活动并没有受到严重影响。近年来有很多关于无害的新型防晒霜分子的合成,以及其防护机理方面的研究[112-114]。利用瞬态吸收光谱技术,可以探测这些防晒霜分子在吸收紫外线后激发态能量的弛豫路径,并由此分析其防护机理以及是否对环境友好,不同的溶剂性质会对其防护效果及光稳定性有怎样的影响等问题[110,115]。

此外,一些光开关和材料在特定波长激发后会表现出结构或功能性质的极大改变[116,117],在很多领域都有应用,包括光致变色、存储器存储、逻辑器件、分子马达、机械操作、光触发化学传感器等[118-126]。利用瞬态吸收光谱技术,可以更好地理解变色反应的机制、颜色变化的来源,以及反应过程中正向异构与反向异构的量子产率及其影响因素等等[127,128]。沿激发态弛豫途径的异构化反应和逆反应为控制开关的双向性提供了一种方法,可用于特定的应用。二芳基乙烯的衍生物就是一种被广泛研究的变色材料,其异构化过程源于分子中心的开环和闭环。Sotome 等[128]最近应用飞秒瞬态吸收方法研究了其开环反应量子产率的影响和决定因素。研究表明二芳基乙烯的衍生物DMPT (1,2-bis (2,4-dimethyl-5-phenyl-3-thienyl)perfluorocyclopentene)的光诱导的开环过程经历了多个电子态的弛豫过程,而开环的量子产率与电子态的势垒相关。通过与其他二芳基乙烯衍生物的研究结果对比发现,不同衍生物的异构化产率相差很大,表明DMPT 分子的开环产率除了受到势垒影响外,还与逆开环异构体演化的分支比相关。现在,越来越多的分子可以合成和设计成光开关体系,理解其光物理动力学以及如何利用结构来操纵其对于光响应材料的合成设计至关重要。

总之,飞秒瞬态吸收光谱技术不仅可以探究分子的动力学过程,还可以对一些表观层面的现象做更加深入的理解和阐释,这对技术发展和实际应用起到推动性作用。

3 结论和展望

飞秒瞬态吸收光谱是目前广泛用于研究凝聚相体系的超快动力学光谱学方法之一。基于飞秒泵浦-探测技术实时观测液相中的超快动力学过程,可以帮助人们了解液相分子的光物理/光化学机制,更为凝聚相体系超快动力学过程的研究赋予了特殊的意义,有望揭示自然界中许多现象的物理机制。先前的工作表明光激发后氢键会发生很大的变化,弱氢键和光的相互作用有助于加深对氢键本质的理解。分子激发态上的氢键研究变得越来越重要,并在很大程度上决定了分子和超分子体系中的光物理、光化学和光生物进程。展望未来,人们将进一步研究气相和凝聚相激发态上的氢键结构及动力学。通过激发态氢键对各种光物理和光化学反应的影响,包括电子跃迁、内转换、系间交叉、荧光淬灭或增强、磷光、溶剂化或水合化过程、光异构以及光致变色等的研究,阐明激发态质子或氢转移、分子内电荷转移、光解和光催化等微观过程。激发态氢键的知识可以应用到许多重要的领域,包括荧光探针、光驱动分子和超分子机器、光敏蛋白、DNA 的光损伤和光修复以及自然或人工光合作用。本课题组研究了一些光敏药物分子电荷转移机制,然而这些都基于单分子层次,在今后的研究中仍需关注药物分子在生物基质作用下的动力学行为,这有助于了解药物分子对生物的响应过程,也有利于药物的开发和设计。现在光动疗也是一个重要的研究领域,仍需对其内在物理本质进行进一步研究。

另一方面,飞秒瞬态吸收光谱已经是一种非常成熟的技术。将来需要在更短的时间尺度对分子运动过程进行探测,甚至是对电子的行为进行研究。随着超快激光技术的发展,人们已经实现了阿秒脉冲激光的输出。阿秒脉冲激光的出现是激光发展过程中重要的里程碑之一,目前阿秒脉冲激光已被应用于物理、化学、生物等众多领域的研究工作中,并且成功用于测量和控制内壳层束缚电子运动等过程。将阿秒脉冲和吸收光谱结合产生阿秒时间分辨的吸收光谱技术,使人们对物质结构的视野从分子层面拓展到了原子的内部[87-89,97-101,129-131]。此外,人们可以将超短脉冲波段扩展至深紫外甚至是X 射线。最近十年,短脉冲XUV 和X 射线源得到了迅速发展,使人们能够利用从纳秒到阿秒时间分辨率的超快XUV 和X 射线光谱学来研究核和电子动力学[132,133]。近年来,将超快光谱技术与显微镜相结合来绘制化学动力学的动态空间图也引起了人们的极大兴趣。现有的实验信息大多从超快时间分辨测量中获得,而且是对探测空间整体结构的平均结果。现在发展起来的超快瞬态吸收显微成像(TAM)将飞秒瞬态吸收技术与激光扫描显微镜技术相结合,同时具有高时间分辨和高空间分辨的能力,已成为研究纳米颗粒、薄膜中载流子扩散和电荷转移的一种新方法[134-137]。近期公布的化学理论与机制发展规划概述已经指出激发态动态学及化学反应动态调控都是化学学科的优先发展领域[138],这需要发展飞秒时间分辨的先进激光光谱技术,同时结合各种不同的光谱学方法,全面了解分子动力学行为。随着激光光谱技术的迅速发展,超快光谱学将应用到更多交叉学科的研究领域,这对实验技术和理论研究也提出了新的挑战。