引言
電場對光譜的影響被稱為斯塔克效應或電致色變效應,它已在電子斯塔克光譜學中得到廣泛利用。類似的效果也可以在振動光譜中觀察到,即電場會擾動化學鍵振動模式的基態和激發態,從而導致其吸收能發生轉移,該效應被稱為振動斯塔克效應(VSE),并被應用于蛋白質和其他生物系統、電界面、溶質-溶劑相互作用等研究中。VSE可以幫助我們在分子水平上深入了解材料的靜電性質,這在生物學,化學和材料科學領域中是具有普遍意義的重要話題。具體來講,它能夠幫助我們理解電場在化學鍵非諧性,材料中的能帶結構,鍵合和催化過程以及酶的過渡態穩定化等研究中的影響,而這在蛋白質設計和蛋白質工程及其在生物催化中的應用非常重要。
振動斯塔克光譜(VSS)是一種直接測量凝聚態物相VSE的實驗方法,它可以定量給出振動模式對外部電場的敏感性,并用斯塔克調諧率來表示,單位是cm-1/(MV/cm)。一般情況下中紅外波段的VSS譜可以通過傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測得。然而,FTIR光譜儀所使用的紅外光源一般亮度較低,再考慮到VSS信號的低靈敏度和冷凍樣品的各向同性等因素,要得到一個較好的VSS光譜,通常需要較長的測量時間,而電場的長時間施加無疑會增加樣品介電擊穿的幾率。
新動態
幸運的是,近期IRsweep公司及斯坦福大學Jacek Kozuch團隊利用微秒時間分辨超靈敏雙光梳紅外光譜儀-IRis-F1(Dual-comb spectrometer, DCS)成功克服了這一問題[1]。他們利用雙光梳光譜儀測量了氟苯的斯塔克光譜,并發現在測量時間縮短250倍的情況下,DSC方法仍可獲得與FTIR方法相媲美的定性和定量數據。對氟苯的斯塔克調諧率估算結果顯示,DCS方法測得數值((0.81±0.09)cm-1/(MV / cm))和之前報道測量數值0.84 cm-1/(MV / cm)相吻合,并且相較傳統FTIR方法測得數值((0.89±0.15)cm-1/(MV / cm))更加。更進一步,在數據信噪比(SNR)方面,DCS表現也更勝一籌。該應用成功證明IRis-F1雙光梳光譜儀所用的DSC技術可以通過其高速、短時和高亮度的特點將振動斯塔克光譜的應用領域加以拓展,并且其0.328cm-1的譜采樣率相較于傳統FTIR也更具優勢。
圖文導讀
圖1:雙梳光譜儀(Dual-comb spectrometer, DCS)配置圖
圖2:振動斯塔克效應電場觸發示意圖和測量參數
圖3:主要測量結果:DSC方法在1.536 s的測量時間下得到了與FTIR方法384 s測量時間相一致的結果,估算出的塔克調諧率也與之前報道相一致
相關參考
2. 微秒時間分辨超靈敏紅外光譜儀:http://www.qd-china.com/products2.aspx?id=471