基本介紹
- 中文名：二維紅外光譜
- 外文名：2D-IR (Two-Dimensional Infrared Spectroscopy)
- 領域：超快時間分辨光譜
- 歷史：始於上世紀九十年代
基本原理,特徵及套用領域,
基本原理
簡單地說，二維紅外光譜通過監測分子的某個振動模式的振動譜帶在一段超快時間間隔的起始時刻與終止時刻的紅外振動頻率的相關度來監測分子的超快動態變化。通過獲得在不同時間間隔的一系列二維紅外光譜，我們可以線上監測分子體系的動態變化。二維紅外光譜是一種頻率相關譜，橫軸與縱軸為振動頻率，彩色等高線反映相關度。一般來說，一個頻率軸的信息由干涉與傅立葉變換得到，另一個頻率軸的信息由紅外光柵單色器以及MCT檢測器得到。
由於採用了干涉的信號檢測手段，二維紅外光譜包含各頻率光的相位信息，一般來說譜圖的藍色區域代表相消干涉產生的信號，紅色區域代表相長干涉產生的信號。藍色區域一般對應分子的1-2能級躍遷，紅色區域對應0-1能級躍遷。一維紅外吸收譜線中不同的頻率對應著不同的化學結構與化學環境。對於複雜的化學體系，尤其是溶液或者膠體，體系中往往共存著能量差距很小的多種化學結構與環境，在室溫下這些化學環境可以克服能壘進行極為快速的交換。通過將常見的靜態一維紅外光譜擴展成二維紅外光譜，我們不僅能獲得分子在頻率域上的吸收譜線，還能知道不同吸收頻率所對應的化學結構之間進行超快變換的動態結構信息。
特徵及套用領域
由於分子結構與其化學鍵的紅外振動頻率密切相關，二維紅外光譜能提供關於複雜化學體系的超快結構動態變化、分子超快振動耦合及振動動力學、以及振動馳豫過程等信息，反映的是在飛秒至皮秒時間軸上的分子結構動態信息。
作為一種涵蓋連續波段的相關譜圖，超快二維紅外光譜顯著區別於傳統的泵浦-探測(pump-probe)技術，兼具極高的時間及頻率解析度。又因為紅外輻射的能量不會擾動室溫平態下化學體系的熱力學平衡，二維紅外光譜極其適用於線上監測平衡態體系下的精細化學結構在皮秒時間尺度上的動態變化，比如室溫下水分子氫鍵網路的超快結構漲落，蛋白質在水中的超快構象變換，測量碳碳單鍵的旋轉速率，單分子層的構象動態，溶劑溶質間氫鍵的生成與斷裂，兩相界面上溶劑分子的動態排布等等。
由於分子內化學鍵之間能量傳遞的動態信息也反映了分子的結構，二維紅外光譜也被套用於輔助X射線衍射技術解析蛋白質的靜態結構。隨著近年的發展，二維紅外技術還被套用於非平衡態體系的動態監測，例如T-jump 2D-IR與UV-pump 2D-IR，分別是套用高強度紅外雷射脈衝的熱效應以及紫外雷射脈衝的高光子能量觸發非平衡態化學事件，隨後再進行二維紅外觀測的四階光譜技術。
