ns t i t ut de spectroscopie de fluorescence et...
Post on 15-Sep-2018
222 Views
Preview:
TRANSCRIPT
IPC
MS
,N S T I T U T D E 3H Y S I Q U E E T &H I MI E D E S 0A T É R I A U X D E 6 T R A S B O U R G
spectroscopie de fluorescence et d’absorptionaspects expérimentaux
Luca Guidoni
UMR 7504 IPCMS/GONLO, Strasbourg
Spectroscopie femtoseconde
molécules, polymères, protéines …
semiconducteurs
métaux
VXLYL�GHV�UpDFWLRQV�SKRWRFKLPLTXHV����SKRWR�FUpDWLRQ�GH�SRUWHXUV��VSLQV����SODVPRQV��WUDQVSRUW�EDOLVWLTXH����
SURWRW\SH�GH�WHFKQLTXH�H[SpULPHQWDOH���VSHFWURVFRSLH�SRPSH�VRQGH
pompe
sonde retard τ(chemin optique)
échantillon
pompe sans
pompe sanspompe avec
777
77 −
=∆
pompe sans
pompe sanspompe avec
555
55 −
=∆
�WUDQVIHUW�GH�SRSXODWLRQV�HQWUH�pWDWV�H[FLWpV
FKDQJHPHQWV�GH�FRQIRUPDWLRQ���GpWHFWLRQ�GHV�YLEUDWLRQV�PROpFXODLUHV
6\VWqPHV�PROpFXODLUHV��VXLYL�GHV�SURFHVVXV�GH�UHOD[DWLRQ
S0
S1
pompe sonde
éner
gie
Coordonné de vibration
pompe sonde (émission stimulée)
pompe
fluorescence(emission spontanée)
/D�UKRGRSVLQH�HW�VRQ�FKURPRSKRUH��UpWLQDO�8Q�H[HPSOH�HPEOpPDWLTXH
T. Kobayashi, T. Saito, H. Ohtani, Nature ���� 531(2001)
300 600 fs
8QH�WHFKQLTXH�FRPSOpPHQWDLUH
F. Wang, G. Dukovic, L.E. Brus, and T.F. Heinz, Phys. Rev. Lett. ��� 177401 (2004)
1DQRWXEHV�GH�FDUERQH�LVROpVPpODQJH���������GH�WXEHV�VHPLFRQGXFWHXUV��IOXRUHVFHQWV��HW�PpWDOOLTXHVIOXRUHVFHQFH�UpVROXH�HQ�WHPSV���VpSDUDWLRQ�GHV�GHX[�FRQWULEXWLRQV�LPSRVVLEOH�SDU�VSHFWURVFRSLH�SRPSH�VRQGH�
IOXRUHVFHQFH�UpVROXH�HQ�WHPSV�GHV�QDQRWXEHV�GH�FDUERQH.HUU�JDWLQJ�GDQV���PP�GH�&6�
Plan :¤ spectroscopie pompe-sonde principe de la mesure (gain, bleaching, absorption induite…) polarisation nonlinéaire régimes cohérent et incohérent aspects liés à la polarisation
¤ mise en œuvre expérimentale dynamique électronique et de spin dans les métaux transfert de proton dans la protéine GFP
¤ fluorescence résolue en tempsméthodes électroniques et optiques
¤ mise en œuvre expérimentale isomérisation de la bactériorhodopsine dynamique d ’émission de la PYP
¤ perspectives
approche formelle
polarisation nonlinéaire d’ordre 3détection selon N6 ; ,S>>,V
⇓ (+permutations)
pompe
sonde retard τ(chemin optique)
échantillon
VSS (((3 *)3()3( χ≈
contributions au signal mesuré (ordre temporel)
¤ populations (niveau excité)
¤ diffraction sur réseau (τ ≡ 0)
¤ polarisation perturbée (τ < 0)
SSV ((( *
*SVS (((VSS ((( *
NS
NV détecteur
terme de population 1 : échantillons optiquement minces
exemple d’un système moléculaire dilué (excitation électronique)
pompe sans
pompe sanspompe avec),( 777
77 −
=∆ τω
( ))3(),( 377 ℑ∝∆∝∆
"ατωNS
NV détecteur
0<∆77
0>∆77
S0
S1
SN
absorption induite
bleachingd’absorption
émissionstimulée
S0
S1
SN
émissionspontanée
pompe-sonde fluorescence
sélectivité S1 → S0nécessite « port » optique
terme de population 2 : échantillons optiquement épais
mesures indépendantes → évolution (spectro)temporelle de Q et N
pompe sans
pompe sanspompe avec),( 777
77 −
=∆ τω
pompe sans
pompe sanspompe avec),( 555
55 −
=∆ τωNS
NV détecteur Tdétecteur R
exemple : évolution temporellede la fonction diélectrique ε
film d ’Ag (~20 nm)pompe 1.45 eVsonde 2.9 eV
N. Del Fatti HW�DO� Phys. Rev. B �� 16956 (2000)
~
aspects polarimétriques 1 : régime cohérent
propagation sonde
sonde
pompe
θη
∑jkl
l*PkPj
(3)ijkl
(3)i )(E)(E)(E ),,-;( = )(P P ωωωωωωωω χ S
y)x,(i
P
c =
E -
z
E 2
(3)i
2
22
i2
2L
2
i2
=4�W�WF
SS∂
∂π∂
∂ε∂
∂
polarisation nonlinéaire
1122
~~
12211122
~~
)2(
χαεε
χχαεε
3/\
3/[
,,
+=
++=
pompe linéaire (effet Kerr optique)
aspects polarimétriques 2 : populationsmagnéto-optique
diffusion rotationnelle (déclin d’anisotropie d ’émission)
Θ
azimutellipticité
Θ( ) ( )
η ΜΜ
sonde
STATIQUE
retardτ
pompe
sonde
DYNAMIQUE
effet FARADAY (transmission) effet KERR magnéto-optique (réflexion)
molécules en solution (polymères, verres ....) : orientation aléatoire des dipôlessélection à l ’excitation (pompe polarisée linéairement)
par
perp
magic
SHUSSDULVRPDJLF 6666 2+=∝
SHUSSDU
SHUSSDUDQLVR 66
6662+
−=
pompe
sonderetard τ(chemin optique)
échantillon
sonde transmise (T)
détecteur
"analyseur"0°
90°
54°4'
mise en oeuvre expérimentale 1 : généralités
¤ continuum spectral par automodulation de phase (≈1 µJ Al2O3, CaF2)¤ NOPA, OPA infrarouges : autres domaines spectraux (pompe et/ou sonde)¤ correction du chirp résiduel sonde par caractérisation+ transformation plan λ,τ¤ cellule tournante pour étudier photocycles longs et éliminer effets photobleaching¤ détection différentielle avec référence avancée (τ ≈ -1 ns)
5 kHz150 fs200 µJ
BBO crystal
variabledelay line
probe(spectral continuum,
450-700 nm)λ =
Pump( λ = 400 nm)
Sapphire plateTi:Sa regenerativeamplifier
GFP aqueous solution(spinning cell)
peltier-cooledCCD array
magic-anglepolariser
mise en oeuvre expérimentale 2 : polarimétrie
¤ modulateurs photo-élastiques: état de polarisation modulé à ~50 kHz η et θ mesurées par démodulation à f et 2f
¤ double modulation profitable pour éliminer drifts lents (réglages mécaniques)
¤ autre méthode possible : différentielle par pont optique
θ ηF F , , T(tra nsmission)
θ η , , R (réfléxion)K K
pompe modulée
sondepolarisée linéairement
modulateursphoto-élastiques
¤ photo-élastiques l'échantillon
¤ technique de double modulation
DSUqVCoPt sur Saphir(aimantationperpendiculaire)
0
expériences en configuration dégénérée(80 MHz 20 fs)
pump (400 nm)
probe(450-750 nm)
Kerranalyzer angle α
Faradayanalyzer angle α
to spectrometerand cooled CCD
to spectrometerand cooled CCD
polarimétrie spectrotemporelle (5kHz 150 fs)
dynamique d ’aimantation dans lesmétaux ferromagnétiques
Jean-Yves Bigot, Éric Beaurepaire, Valérie Halté, Peter N. Saeta
exemple #1
dynamique électronique dans les métaux
énergie du photon
τ = 0 ¤ thermalisation électron - électron (≈ 100 fs)
¤ relaxation électron - phonon (≈ 1 ps)
¤ diffusion de la chaleur (≈ 1 ns )
et l ’ordre magnétique ??
Modèle à deux bains
)(
)()()(
OHO
O
OHH
HH
*W&
W3*W&
Θ−Θ=∂Θ∂
+Θ−Θ−=∂Θ∂Θ
Accessible par spectroscopie pompe-sonde G. Eesley, Phys. Rev. Lett. ��, 2140 ( 1983)
800
700
600
500
400
300
Tem
pera
ture
(K
)
543210-1Delay (ps)
3�W�ΘO��
ΘH
expérience pompe-sonde magnéto-optique
non magnétique magnétique
=)()3( W3
cohérent incohérent cohérent population de spin(anisotropie) dynamique des charges dépendant du spin ? (polarimétrique)
)()3( W3SDLU ),()3( W03LPSDLU+
7��������������7����������������������7���������������7�
tenseur diélectrique dépendant du temps(matériau isotrope polaire ; rétard τ�!!�7�)
quatre observables réelles indépendantes
but : séparation des éléments diagonauxet non-diagonaux
−=100
01
01~
~
~)1( 4L
4L[[εε
une expérience complète
Al2O3 (εsub)
GGsub
CoPt3 (εxx , 4)
M
méthode matricielle multicouches :
5��7��Θ.�Θ) �I(G , εxx , 4�, εsub , Gsub )~ ~
quatre observables réelles obtenues à partir des six mesures simultanées
∆R(τ) , ∆T(τ) Re ∆εxx(τ) ; Im ∆εxx(τ)
Re ∆εxx(τ) ; Im ∆εxx(τ)
Re ∆4(τ) ; Im ∆4 (τ) ∆θ/θ , ∆η/η
~5��Θ. , ∆5�5��∆Θ.�~
~7��Θ)��∆7�7���∆Θ)�~
τ = 0
montage expérimental (oscillateur 20 fs)
Mesures en deux états rémanents opposés
⇓
accès aux composantes impaires du tenseur
θ ηF F , , T(tra nsmission)
θ η , , R (réfléxion)K K
pompe modulée
sondepolarisée linéairement
modulateursphoto-élastiques
¤ photo-élastiques l'échantillon
¤ technique de double modulation
DSUqVCoPt sur Saphir(aimantationperpendiculaire)
0
Thermalisation électronique 54 fs
dynamique des éléments diagonaux (dynamique des charges)
1.2x10-3
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
∆ε
/ ε
43210-1
delay (ps)
� ∆ ε[[ / ε[[ ∆ ε[[ / ε[[
Données expérimentales (transmission et réflectivité differentielles)
Dynamique calculée de l’élément du tenseur
-6x10-4
-4
-2
0
2
∆7��
�7�����
� ∆�5���5
43210-1delay (ps)
� ∆�5���5� ∆�7���7
-6x10-4
-4
-2
0
2
∆7��
�7�����
�� ∆�5���5
150750-75delay (fs)
� ∆�5���5� ∆�7���7
Électron-phonon 410 fs
dynamique des éléments nondiagonaux
Données expérimentales (Faraday)
élément du tenseur nondiagonal
-10x10-3
-8
-6
-4
-2
0∆Θ
/ Θ
43210-1time delay (ps)
∆θ) / θ)� ∆η) / η)
0000
0
[\
[\
[\
[\
[\
∆+∆=∆
∆+∆=∆
=
’’
’’
’’
’’
’
’
’
’
~~
αα
εε
αα
εε
αε
contributions des chargeset des spins mélangées
-10x10-3
-8
-6
-4
-2
0
∆ ε
/ ε
43210-1time delay (ps)
� ∆ ε[\ / ε[\ ∆ ε[\ / ε[\
variations relatives 1 ordre degrandeur plus importantes(par rapport au cas diagonal)
propriétés des éléments nondiagonaux
-10x10-3
-8
-6
-4
-2
0
∆T���T
43210-1time delay (ps)
∆T���T��∆T���T
Variation relative de 4 (Aimantation)
0LL4[[[[
[\εα
εε
~~
== [[
Lεα~
indépendant du temps
⇓
4�ne dépend que de l’aimantation
dynamique au temps courts
Données expérimentales (Faraday) variations relatives de Q
¤ contraste magnéto-optique “anormale” pendant la thermalisation électronique
¤ le processus de désaimantation est terminé après 150 fs
¤ la dynamique au temps longs de 0 suit la température électronique
-10x10-3
-8
-6
-4
-2
0
∆Θ /
Θ
200150100500-50time delay (fs)
∆θ) / θ)� ∆η) / η)
200150100500-50time delay (fs)
-10x10-3
-8
-6
-4
-2
0
∆T���T
∆T���T�� ∆T���T�
150100500-50 fs
motivations :
¤ compréhension du comportement aux temps courts (métaux)
¤ semiconducteurs ferromagnétiques
Ellipsométrie résolue en temps par analyseur tournant
pump (400 nm)
probe(450-750 nm)
Kerranalyzer angle α
Faradayanalyzer angle α
to spectrometerand cooled CCD
to spectrometerand cooled CCD
± 0
magnéto-optique spectro-temporelle
mesures en deux états rémanents opposés ± 0
statique Résolu en temps
)](2)()(2[ 00222
0200
20 000000 ,, ηηθθηθηθθθαα +±++++±−=±
4x10-3
3
2
1
0
anal
yzed
inte
nsity
(ar
b.un
.)
-40 -20 0 20 40��PUDG�
���0�������0
4x10-3
3
2
1
0
anal
yzed
inte
nsity
(ar
b.un
.)
-40 -20 0 20 40��PUDG�
montage expérimental
5 kHz150 fs200 Jµ
BBO crystal
variabledelay line
probe(spectral continuum,
450-700 nm)λ=
pump( = 400 nm)λ
Sapphire plate
peltier-cooledCCD array
polarizer
analyzer R
analyzer T
échantillon: alliage de CoPt sur Al2O3 (enregistrement M.O.)
sonde large (continuum spectrale) par automodulation de phase
perspectives
¤ caractérisation complète du tenseur (diagonal et nondiagonal)
ε�τ,λ,0�¤ application aux semiconducteurs ferromagnétiques (gap visible)
réponse magnéto-optique résolue en temps
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
∆ Θ
/ Θ
6420 pump-probe delay τ (ps)
Faraday 620 nm Kerr 620 nm Faraday 530 nm Kerr 530 nm
dynamique des états excités de laProtéine Fluorescente Verte (GFP)
Pascal Didier, Etienne Weiss, Jean-Yves Bigot
exemple #2
La protéine GFP
Le chromophore GFP
¤ naturellement produite par des organismes marins (meduses)¤ marqueur LQ�YLYR très répandu en biologie cellulaire (ADN cloné)¤ plusieurs « mutants » disponibles : QRXYHOOH�pWXGH�VXU�PXWDQW�89¤ masse moléculaire ≈ 27000 a.u. (238 acides aminés)
R-*
R-
505nm470nm508nm495nm
I*
I
RH*
RH
400nm 480nm
Excited State Proton Transfer
-H+
+H+
?
protonated form
O
N
OH
N
anionic form
N
N
O
O-
mécanisme d ’émission proposé(1)
650600550500450400350 λ (nm)
����&KDWWRUDM��DO��3URF��1DWO��$FDG��6FL�86$���������������
����&UHHPHUV��DO��1DW�6WUXFW��%LRO��������������
���
Expériences résolues en temps
quantité mesurée : transmission différentielle
5 kHz150 fs200 µJ
BBO crystal
variabledelay line
probe(spectral continuum,
450-700 nm)λ =
Pump( λ = 400 nm)
Sapphire plateTi:Sa regenerativeamplifier
GFP aqueous solution(spinning cell)
peltier-cooledCCD array
pompe sans
pompe sanspompe avec),( 777
77 −
=∆ τλ
exemple de données spectro-temporelles (GFPuv)
Raman eaubande de fluorescence
forme protonée
absorption induite(résiduelle)
solution aqueuse en celluletournante (540 µg/µl) ; volume 500 µl
����
����
����
'7�7
���������������ZDYHOHQJWK��QP�
�1HXWUDO�8QUHOD[HG�DQLRQLF
1HXWUDO8QUHOD[HG�DQLRQLF
����QP����QP ����QP
a��QV
(637$ ,
�+�
�+�
Single Value Decomposition
transfert de proton dans le mutant GFPuv
¤ comportement dynamique différent par rapport à la GFPwt (naturelle) : mono-exponentiel; absence de contributions « instantanées »
¤ homogénéité du mutant GFPuv permet d ’isoler le processus de ESPT mesure de son temps caractéristique
¤ grande sensibilité à la qualité de repliement des échantillons ….
��[����
���������
'7�7
���������'HOD\��SV�
��*)3XY�JDLQ�����QP���������������W|��SV
�*DLQ�DPSOLWXGH
'7�7
fluorescence résolue en temps
¤ τ = 0 population électronique induite par la pompe
¤ temps d ’arrivée des photons spontanés→dynamique de désexcitation de S1
¤ « porte » synchronisée avec impulsion: électronique ( qq ps) ou optique (fs)
doubleur
ligne àretard
échantillon "port"
spectromètre
S0
S1
SN
émissionspontanée
méthodes électroniques
résolution temporelle ~1 ps(attention au jitter !!)
images spéctrotemporelles
sensibilité et dynamiquemodestes
simplicité
Streak camera
doubleur échantillon
monochromateur
détecteur de photons uniques (PM, APD)
TDCstart stopphotodiode
histogramme
TRSPC
résolution temporelle ~30-50 ps
bonne sensibilité
mono-longueur d’onde
les « portes » optiquessomme de fréquences dans un cristal nonlinéaire
polarimétrie (effet Kerr optique) regain d ’intérêt
avantages:pas de « fond »dispersion réduitebon rendement
désavantages:bande spectrale réduite(accord de phase)
avantages:sans accord de phase
désavantages:abs. 2 photons (fluo)faible transmissiondispersion
doubleur
ligne àretard
échantillon
BBO(~100 m)µ spectromètre
Θ filtres
sonde
pompe
θη
polariseur / analyseur croisés
verres ou cristaux à fort χ (3)
hors résonance
fluo
R. Nakamura and Y. Kanematsu Rev. Sci. Instrum. ��� 636 (2004)
photo-isomérisation du rétinal(bases de Schiff en solution)
G.G. Zgrablic Zgrablic, K., K. Voitchovsky Voitchovsky, , S.S. Haacke Haacke (maintenant (maintenant àà Strasbourg!) Strasbourg!)
exemple #1
•• τ1 is DOO�WUDQV back conversion no viscosity effect>75 % no isomerization
Multi - exponential decay
0HWKDQROW�� �����������IVW�� �����±�����SVW�� �����±�����SV
2FWDQROW�� �����������IVW�� �����±�����SVW�� �����±�����SV
��ττ22 & & ττ3 3 due todue to isomerization isomerization
Fluorescence résolue en temps de laprotéine PYP
exemple #2
H. Hanada HW�DO. J. of Lumin. ��� 593 (2001)N. Mataga HW�DO�� Chem. Phys. Lett. ��� 220 (2002)
polarimétrie Kerr (résolution 300fs)
somme de fréquences (résolution 110 fs)
vibration cohérentes observées par spectroscopie de fluorescence
spectroscopies femto de fluorescence et d’absorption techniques stroboscopiques simples et flexibles
accès aux dynamiques rapides de différents systèmes
techniques plus sophistiquées (écho de photon, mélange àquatre ondes ...) → plus de renseignements
Conclusions
en évolution rapide¤ résolution spatiale¤ dynamique de nano-objets uniques (molécules ??)¤ dynamique d’objets biologiques LQ�YLYR
top related