Seri TAS - Prinsip Dasar Spektroskopi Serapan Sementara

Spektroskopi serapan sementara (TAS) mengacu pada kelas teknik yang mencakup berbagai fungsi. Pada dasarnya, ini memperluas kemampuan penyerapan kondisi tunak dengan menambahkan resolusi waktu. Mirip dengan bagaimana penyerapan kondisi tunak mencakup wilayah spektral yang berbeda, TAS dapat dikategorikan berdasarkan rentang spektralnya: UV-Vis-NIR (IR), THz transien, gelombang mikro transien, dan spektroskopi sinar-X transien. Setiap rentang cocok untuk menyelidiki proses eksitasi yang berbeda. Misalnya, UV-Vis-NIR TAS berfokus pada transisi dan dinamika elektronik yang diinduksi foto; TAS IR tengah mendeteksi sinyal getaran ikatan kimia; Spektroskopi THz sementara dapat menangkap evolusi pembawa muatan bebas yang diinduksi foto dalam semikonduktor atau bahan logam. Dari sudut pandang teknis, meskipun penerapannya berbeda-beda, prinsip intinya tetap sama. Artikel ini akan fokus pada spektroskopi UV-Vis-NIR dan THz sementara untuk membantu pembaca memahami esensi TAS.

 

Istilah 'pump-probe' sering kita jumpai dalam penelitian ilmiah. 'Pompa' berarti eksitasi, sedangkan 'probe' mengacu pada pengamatan yang tertunda. Sampel dieksitasi dan kemudian diperiksa pada penundaan waktu yang berbeda untuk mencatat evolusi proses fisik atau kimia dari waktu ke waktu. Bergantung pada skala waktu, TAS mencakup TAS femtodetik (fs ke ns), TAS nanodetik (sub-ns ke µs), dan fotolisis flash (puluhan ns hingga detik). Resolusi waktu yang lebih singkat memerlukan instrumen yang lebih canggih, seperti laser femtosecond, sedangkan fotolisis flash hanya memerlukan lampu xenon dan deteksi yang terjaga keamanannya.

 

Selain itu, spektroskopi serapan transien biasanya menyelidiki perubahan sinyal serapan dalam sebagian besar material. Namun, sinyal refleksi permukaan juga dapat dideteksi dengan melakukan spektroskopi refleksi transien. Berbeda dengan penyerapan transien, spektroskopi refleksi transien lebih sensitif terhadap dinamika akibat foto yang terjadi pada permukaan atau antarmuka sampel. Kami akan memperkenalkan teknik ini secara lebih rinci nanti di seri ini. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan kemajuan teknologi yang berkelanjutan, fungsi spektroskopi serapan transien juga telah diperluas dan ditingkatkan. Misalnya, dengan menggabungkan serapan sementara dengan mikroskop, spektroskopi sementara pada skala mikro-nano dapat diwujudkan. Melalui pemindaian spasial sampel atau sinar laser, pencitraan sementara pada tingkat mikro/nano juga dapat dicapai. Selain itu, dengan menggabungkan kondisi seperti suhu rendah, medan listrik/magnet, atau tekanan tinggi, pengukuran penyerapan transien dapat dilakukan dalam berbagai lingkungan. Teknik terpadu ini telah secara signifikan memperluas cakupan penerapan spektroskopi serapan transien.

 

Prinsip Dasar Spektroskopi Serapan Sementara

Sebelum menggunakan spektroskopi serapan transien secara efektif, pertama-tama kita harus memahami prinsip dasarnya—apa sebenarnya yang diukur oleh teknik ini? Intinya, spektroskopi serapan transien dapat mendeteksi proses fotofisika atau fotokimia yang terjadi ketika suatu material tereksitasi oleh cahaya, asalkan proses fotofisika atau fotokimia ini menghasilkan sinyal respons yang sesuai dalam rentang deteksi spektral. Kita akan mulai dengan proses penyerapan bahan dalam keadaan tunak untuk menjelaskan prinsip dasar pembangkitan penyerapan sementara. Pada bagian berikutnya, kami akan memperkenalkan dasar fisik penyerapan transien dengan menggunakan molekul organik dan titik kuantum semikonduktor sebagai contoh, untuk mengilustrasikan jenis proses keadaan tereksitasi yang dapat diamati dengan teknik ini.

 

Pembangkitan dan Pengumpulan Sinyal Penyerapan Sementara

Spektroskopi serapan transien merupakan perpanjangan dari serapan keadaan tunak. Inti dari pembangkitan sinyal serapan sementara terletak pada kemampuan sampel dalam menyerap foton. Menurut hukum Lambert-Beer, ketika cahaya dengan panjang gelombang tertentu (λ) melewati sampel, penurunan intensitas menunjukkan penyerapan pada panjang gelombang tersebut (mengabaikan efek hamburan) (Gambar 1). Untuk sampel larutan, serapannya (A) dihitung sebagai berikut:

Gambar 1. Penyerapan dan perhitungan keadaan tunak berdasarkan Hukum Lambert-Beer

Di mana:

• I(λ) ₁: intensitas cahaya setelah melewati sampel

• I(λ) ₀: intensitas cahaya sebelum sampel

• α(λ): koefisien serapan molar pada panjang gelombang λ

• C: konsentrasi molar

• l : panjang jalur melalui sampel

 

Dalam rentang spektral Vis-NIR yang khas, serapan biasanya mencerminkan transisi elektronik dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Spektroskopi serapan sementara mendeteksi perubahan serapan yang disebabkan oleh pembentukan, relaksasi, atau transformasi keadaan tereksitasi akibat eksitasi cahaya (pompa). Perubahan tersebut diperoleh dengan membandingkan spektrum sebelum dan sesudah eksitasi. Prinsip dasar proses pengumpulan ini diilustrasikan pada Gambar 2.

Gambar 2. Prinsip dasar deteksi penyerapan transien. Probe cahaya putih mengukur perubahan serapan pada waktu tunda yang berbeda setelah eksitasi oleh pulsa pompa, sehingga memungkinkan pengamatan dinamika transien.

Singkatnya, TAS memancarkan dua pulsa laser yang disinkronkan: pulsa pompa untuk merangsang sampel, dan pulsa probe (misalnya cahaya putih broadband) untuk mendeteksi penyerapannya. Pencacah mekanis ditempatkan di jalur pancaran pompa untuk mengurangi tingkat pengulangannya. Hal ini memungkinkan pulsa probe untuk merekam secara bergantian:

• Spektrum serapan sampel yang tidak tereksitasi (tidak dipompa)

• Spektrum serapan setelah eksitasi (dipompa), pada waktu tunda terkontrol t

Misalnya, jika lampu pompa dan lampu probe adalah laser dengan frekuensi pengulangan 1 kHz, memotong lampu pompa akan mengurangi frekuensi pengulangan lampu pompa menjadi 500 Hz, sedangkan frekuensi pengulangan lampu probe tetap pada 1 kHz. Hasilnya, di antara spektrum serapan yang dikumpulkan oleh probe, 500 Hz mewakili spektrum serapan ketika sampel tidak tereksitasi, dan 500 Hz mewakili spektrum serapan ketika sampel tereksitasi. Sinyal spektroskopi serapan transien dapat dihitung menggunakan rumus berikut:

dimana I _0-pump = I _0-unpump . Oleh karena itu, sinyal serapan sementara ∆A dapat diperoleh dengan membandingkan intensitas cahaya setelah melewati sampel dalam keadaan tereksitasi dan tidak tereksitasi. Dengan memperkenalkan waktu tunda t antara pompa dan probe, sinyal serapan sementara dapat mengungkapkan perubahan serapan ΔA(λ, t) yang bergantung pada waktu setelah eksitasi.

Selain itu, sinyal serapan transien juga dapat direpresentasikan dalam transmitansi (T), yang menggambarkan perubahan transmitansi sebagai:

Pada kondisi ∆A<<1, ∆T/T≈-∆A×ln10, yang berarti perubahan transmitansi berbanding terbalik dengan sinyal serapan transien.

 

Kesimpulan

Pada bagian di atas, kami memperkenalkan secara singkat prosedur dasar spektroskopi serapan transien dan prinsip-prinsip yang mendasarinya. Silakan pantau terus untuk informasi lebih lanjut.

 

(Hak cipta dilindungi undang-undang. Jika Anda perlu mengutip, harap sebutkan sumbernya)