圖1：本文所述飛秒寬帶瞬態吸收儀器的示意圖。

摘要

瞬態吸收光譜(Transient Absorption, TA)是一種強大的時間分辨光譜技術，通過檢測材料體系吸收光譜的變化來追蹤激發態過程的演化。早期的TA技術僅限于專業實驗室使用，但隨著商業一體化系統的不斷發展，這項技術正日益普及全球科研團隊?，F代TA系統能夠生成具有高能量和時間分辨率的大型數據集，這些數據集富含光物理信息。然而，由于存在多個激發態特征峰和儀器偽影，TA光譜的處理、擬合和解釋往往具有挑戰性。在采集、處理和擬合TA數據時，需要仔細考慮諸多因素，以降低對哪種模型或擬合參數組合最能準確描述數據的判斷的不確定性。數據預處理和擬合的目標是在保留有效數據進行分析的前提下，盡可能消除這些干擾因素。本方法旨在為初學者提供TA數據處理和準備的操作規程，并簡要介紹單波長擬合和全局壽命分析等典型擬合程序和模型。文中將詳細解析數據預處理中常見的技術難題及其解決方法，隨后討論這些基礎擬合方法的局限性及技術挑戰。

緒論

瞬態吸收光譜(TA)是一種時間分辨光譜技術，通過檢測樣品在光脈沖激發后吸收光譜隨時間的變化，監測光激發物種的動態演化過程。由于TA屬于吸收型光譜技術，能夠識別并追蹤經歷輻射躍遷(即通常會發射光子的狀態)和非輻射躍遷(通常表現為非熒光性狀態，通過內轉換、系間竄越或參與光化學反應)的激發態信號。根據激發光源和檢測方法的具體配置，TA可覆蓋從飛秒到微秒以上的動力學時間尺度，以及紫外到遠紅外的光譜范圍，使其成為多功能光譜工具。過去數十年間，TA光譜儀的商業化進程顯著推進，使更多實驗室和研究機構能夠應用這一強大技術。

現代TA系統能夠生成具有高能量分辨率和時間分辨率的大型數據集。這些數據通常以二維矩陣形式呈現，記錄透射率或吸光度差值隨波長和相對于激發光脈沖的時間延遲的動態變化。這種數據集既可呈現為二維熱圖，也可轉化為三維地形圖。隨著研究人員嘗試通過完整數據集構建最優擬合模型來描述目標體系，數據解讀的復雜度顯著提升。

雖然TA技術可覆蓋紫外至遠紅外的寬譜段和飛秒至微秒的時間尺度，但本文聚焦其最廣泛應用形式：基于飛秒脈沖激光的紫外-可見寬帶光譜。該儀器的典型結構示意圖見圖1。實驗通過從激光器中分束出兩束脈沖實現：其中一束稱為"泵浦"脈沖，用于激發樣品;另一束稱為"探測"脈沖，進入機械延遲裝置，通過改變脈沖傳輸距離調節泵浦與探測脈沖間的時間延遲。

單波長的探測脈沖經藍寶石或氟化鈣(CaF?)晶體后被轉換為超連續白光，該白光脈沖通過樣品后，由電荷耦合器件(CCD)等寬帶探測器記錄全譜信息。通過對比有無泵浦光激發時的白光探測信號，即可獲得樣品吸收光譜的瞬態變化ΔA(t)。關于檢測原理的詳細說明可參考這篇重要綜述。

圖2：TAS數據的模擬及其對TA信號的貢獻。(A)模擬基態吸收光譜(藍色虛線)和激發態光譜(紅色虛線，相對于基態光譜紅移)的高斯曲線。兩光譜的差譜(紫色實線)即為TA觀測的差分信號。為說明目的，基態與激發態光譜間的差異被人為放大。(B)POPOP在330 nm激發后1.04 ps的代表性TA差分光譜。虛線表示POPOP的基態吸收和穩態發射。高亮區域顯示TA中常見的特征：基態漂白(GSB)、受激輻射(SE)和激發態吸收(ESA)。

在所有TA光譜技術中，ΔA(t)光譜是通過計算在兩個光脈沖之間設定的特定時間延遲t下，探測光的基態吸收(Aprobe)與泵浦-探測光共同作用時的激發態吸收(Apump+probe)的差值得獲得。

(1)

注意，Aprobe等同于樣品穩態吸收光譜且與時間無關;實驗的時間分辨率源于泵浦與探測脈沖間的延遲，該延遲通過Apump+probe(t)體現。這些數據的模擬結果如圖2A所示。

與穩態吸收光譜不同，TA光譜由于采用方程1的差值計算方式，可呈現正負特征。正特征源于泵浦脈沖產生的新吸收物種，可能代表激發態生色團、三重態、幾何重排、溶劑化效應或激發態光產物。在討論部分將提供用于識別這些特征并將其歸屬至化學物種的一般性指導原則。負特征可能來源于基態漂白(GSB)或受激輻射(SE)(圖2B)。GSB是由于樣品吸收泵浦脈沖后基態分子數量減少所致。當基態分子被激發到激發態后，它們不再在原本基態吸收光的區域吸收光，因此探測脈沖在該區域的吸收減弱，導致方程1的差值為負。GSB的特征表現為具有與基態吸收相同的光譜形狀，但符號相反。SE信號源于激發態物種在探測脈沖作用下產生的受激輻射。這些物種的輻射會導致探測器接收到更多光信號，等效于在這些波長處吸收減弱。SE信號的光譜形狀與物種的自發輻射光譜相似，但符號為負且具有不同的頻率權重。

除了提供激發態物種的信息外，TA光譜可能包含多種偽影和無關特征，這些會扭曲底層動力學并干擾吸收帶的歸屬。數據預處理和分析中對這些偽影的不當處理可能導致應用錯誤的光物理模型，從而得出誤導性結論。因此，本實驗方案的第一部分重點闡述如何在數據采集后正確處理TA數據集。該部分目標是為TA光譜初學者提供一套操作指南，幫助其建立對數據嚴格預處理和分析的直觀理解與認知。

完成數據集處理后，可使用多種復雜程度和嚴謹程度的工具與模型對光譜進行擬合與解釋。本實驗方案第二部分的目標是指導讀者應用單波長擬合與全局分析方法，并提供判斷這些模型適用性的依據。商用軟件如Ultrafast systems公司的Surface Xplorer(免費下載和使用)現已廣泛用于TA數據處理。此外，學術研究者開發了其他開源替代方案，例如Glotaran。Glotaran是一款專為時間分辨光譜與顯微數據進行全局和目標分析而設計的免費軟件，其作為R-package TIMP14的圖形用戶界面(GUI)。用戶也可通過Python等編程語言自行編寫分析代碼。這些擬合軟件和編程方案各具優勢，均為重要工具。本研究僅以其中一種軟件展示可視化分析過程，詳細討論各類擬合軟件已超出本文范圍。

本文提供完整操作指南：(1)瞬態吸收(TA)數據處理，(2)使用單波長動力學和全局分析擬合TA數據，(3)數據導出及模型適配。隨文附有代表性TA數據供讀者練習使用(補充文件1和補充文件2)。數據來源于乙醇溶液中165 μM濃度的(1,4-Bis[2-(5-phenyloxazolyl)] benzene)(POPOP)樣品，在330 nm激發波長下采集，時間范圍覆蓋-5 ps至5.5 ns。另包含在相同實驗條件下采集的純乙醇"空白"樣品數據(時間范圍-5 ps至5 ps)，用于擬合前的數據預處理(步驟1)。實驗采用超快瞬態吸收光譜儀采集，樣品置于2 mm光程比色皿中并持續攪拌。數據處理和擬合流程基于支持*.ufs格式的Surface Xplorer軟件(以下簡稱"擬合程序")。配套提供其他格式向*.ufs轉換的程序。雖然本操作指南細節基于Surface Xplorer軟件，但所述步驟可適用于任何商業或自研軟件包。此外，數據處理的結果可通過這些替代軟件包進一步導出和擬合。支持信息文件(補充文件3)提供了關于擬合方法的額外建議。

流程正文

1.擬合數據準備

圖3：數據首次加載時的主菜單界面。通常情況下，在該擬合軟件中，當鼠標懸停在窗口上方時，窗口右下角會彈出選項框。這些選項框允許調整光標與窗口的交互模式，包括移動選擇區域、縮放或平移窗口。同時提供調整窗口X軸和Y軸刻度精度的選項，以及切換顯示模式從線性到對數的功能。坐標軸也可設置為鎖定或解鎖狀態：鎖定時軸保持指定的縮放級別或數值范圍;解鎖時軸范圍將自動切換以顯示完整數據集。其他選項包括調整數字顯示格式和網格線顏色設置(若存在網格)。

1.1 將樣品數據集(SAMPLE dataset)加載到擬合軟件中。數據將顯示為圖3所示形式。

圖4：執行散射光扣除的曲面菜單界面。

1.2當實驗的光學檢測窗口內存在散射的激發光時，啟用Subtract Scattered Light功能(圖4)。若數據中無散射的激發光，直接進入步驟1.5。

注意：散射光通常在激發波長位于光學窗口范圍內時出現。其表現為激發波長(或某些衍射階次、OPA產生的波長)處尖銳的負信號(漂白特征)，且該信號不隨時間變化。

1.3點擊Surface菜單，選擇Subtract Scattered Light選項(圖4)。新窗口將彈出。

圖5：散射光扣除設置界面——設定平均光譜范圍。

在彈出窗口中，通過arrow按鈕設置平均背景光譜的數量(圖5)，以執行背景校正。初始推薦使用10條光譜進行平均，可根據需要調整數值。點擊Accept執行扣除操作(進入步驟1.7)。

注意：背景光譜取自數據集中最早的時間點光譜，并按時間順序向后擴展所需的背景光譜數量以實現背景信號的平均化;然而，使用過多背景光譜將開始納入包含目標信號的光譜，因此不要使用過多背景光譜。對于長時間窗口數據，散射特征可能不會出現在數據時間窗口的末端。如果時間窗口超過相機積分時間，或根據TA實驗的構建方式存在其他原因，可能會出現這種情況。為修正此問題，可使用補充文件3中描述的設定時間范圍選項。

1.4對于光學窗口內無散射光的實驗數據，點擊Surface菜單，然后點擊Subtract Background選項。

1.5在彈出窗口中，點擊右下角的箭頭按鈕設置“Number of Spectra”為10，并點擊Accept。

注意：此選項中的背景光譜功能與“扣除散射光”(Subtract Scattered Light)選項相同。初始使用10條光譜可提供良好的平均效果?？墒褂酶喙庾V，但需注意不要過多，以避免納入包含目標信號的光譜。Surface Xplorer用戶手冊描述了“扣除散射光”與更基礎的“扣除背景”校正方法的差異。針對不同偽影需應用適當的校正方式。

圖6：設置裁剪范圍界面。

1.6光學窗口邊緣區域的數據可能因探測光譜的形狀或樣品對白光的過度吸收而導致信噪比(SNR)極低。這些區域的噪聲數據會使分析更加困難。移除光譜中這些無用的部分：點擊光譜界面左下角的end wavelengths，輸入新的波長值(參考圖6)，然后按下回車鍵。選擇一個波長范圍以去除窗口邊緣的噪聲數據。對于提供的示例數據，波長范圍應設為340-680 nm。

圖7：裁剪數據集界面。裁剪后的數據將被永久刪除。

1.7將光譜窗口的波長范圍最終調整至所需區域。點擊Surface菜單，選擇Crop選項(參考圖7)。隨后將彈出窗口。

1.8點擊OK。點擊File菜單，選擇Save File As，然后點擊OK。關閉當前數據集。

注意：裁剪時需謹慎，因為該功能將沿波長和時間延遲軸同時裁剪數據，刪除所有其他數據。確保時間延遲窗口包含需要保留的數據部分。此外，強烈建議將裁剪后的數據保存為新的、正確標注的文件，以保持原始數據矩陣完整作為備份。

1.9對在飛秒或皮秒時間尺度采集的數據，必須應用啁啾校正(chirp correction)。打開僅包含溶劑或基底(無樣品)的空白實驗數據曲面(data surface)，該空白實驗應使用與目標數據相同的實驗裝置。此樣本作為"空白"實驗運行。對"空白"數據執行與樣品數據相同的操作步驟(從步驟1.2到步驟1.8)。

注意：強烈建議此類"空白"實驗在與樣品相同的條件下進行，但采用更短的時間窗口(例如約?5 ps至5 ps)以確保時間零點附近存在足夠多的數據點。該"空白"實驗應僅包含溶劑或底物，具體取決于樣品類型，并用于建立啁啾校正曲線。直至當前步驟的"空白"實驗制備需遵循與樣品數據相同的背景校正和裁剪操作。若未運行"空白"實驗，可在數據集上直接進行啁啾校正。

1.10啟動啁啾校正過程。在熱圖界面模塊(左上角)中，點擊十字準線(crosshair)并將垂直線組分拖動至光譜的藍色端。從光譜窗口起始端的藍色波長范圍開始操作。點擊Kinetics菜單，選擇Fit Solvent Response選項。

注意：擬合溶劑響應操作應僅針對時間零點后不產生任何信號的"空白"樣品進行。若將此擬合功能應用于包含目標分子或材料的數據集，程序會錯誤地對信號數據而非儀器響應函數(IRF)進行擬合。對于"空白"樣品而言，唯一存在的信號應是由交叉相位調制產生的相干偽影，該現象僅在泵浦光與探測光束重疊區域出現，因此可通過"擬合溶劑響應"選項獲取可擬合的啁啾曲線軌跡。當缺乏配套"空白"校正數據時，需手動標注基線特征點，具體操作詳見補充文件3。

圖8：溶劑響應擬合界面及擬合結果示例(紅色曲線為擬合曲線，藍色點為原始數據)。

1.11新的"擬合溶劑響應"窗口將彈出。點擊Fit按鈕(見圖8)。擬合過程將通過高斯函數的一階和二階導數生成儀器響應函數(IRF)模型。點擊Save按鈕，隨后點擊x關閉窗口。

注意：紅色擬合曲線應在整個時間范圍內(尤其是時間零點附近的0.1-2.0 ps區域)與數據點(藍色空心方塊)高度吻合。擬合的成功率取決于時間零點附近的數據點密度，這可通過采用更短的"空白"實驗時間延遲窗口(例如?5 ps至5 ps)并保留足夠數據點來實現。若擬合結果與數據點不匹配，勾選"Add Gaussian (R0)"選項框后重新擬合。此功能將在一階和二階導數基礎上疊加高斯函數總和，更精確地擬合該波長處IRF特征形狀。若溶劑響應擬合仍無法捕捉IRF信號，需更換其他波長進行嘗試。

1.12重復執行此過程(步驟1.10-1.11)至少五次，因為需要五個數據點來有效校正啁啾效應。這些點應盡可能均勻分布在整段光譜窗口內，但某些溶劑/基底在特定光譜區域可能因實驗條件差異而無法產生可觀測信號?？筛鶕嶋H需求增補數據點以獲得理想擬合效果。當所有操作完成后，關閉當前"空白"數據集即可。

注意：一旦用戶點擊Save按鈕，每個保存的數據點會立即以新行形式寫入工作文件夾中的Excel文件。若出現誤保存的數據點，可通過刪除Excel文件中對應行的方式將其移除。

圖9：啁啾校正界面，使用"空白"樣品數據。

1.13重新打開已裁剪并扣除背景的數據集。點擊Surface菜單，隨后選擇Chirp Correction選項。這將打開一個包含三個窗口和右下角菜單的新界面(見圖9)。

圖10：啁啾校正結果與數據集的疊加顯示界面。

1.14 添加剛剛創建的啁啾校正。點擊Add from file選項，選擇以"fit coefficients"結尾的Excel文件，然后點擊OK。此時啁啾校正擬合曲線會以帶X標記的黑色線條形式顯示在左上窗口(圖10)。

注意：啁啾校正以實線形式顯示;線上的X標記是溶劑響應擬合過程中生成的校正點。可通過調整十字準線位置后點擊Add手動添加校正點，也可通過選中已有標記后點擊Remove進行刪除。右下角列表中的數值可直接手動修改以進一步優化校正效果。若需要，可通過點擊Save to file按鈕將當前校正方案保存為文件供后續重復使用。

1.15點擊Preview chirp correction按鈕。此操作將臨時應用當前啁啾校正。觀察左上窗口中的校正效果，確保數據已實現時間域展平且無殘留曲率。

(1)若校正結果滿意，點擊Apply & Exit按鈕。若不滿意，重復步驟1.10-1.14，選擇更多(或不同)波長進行校正擬合直至獲得滿意結果。

注意：應用啁啾校正會將時間零點調整為預覽中展平后的校正線。可能存在時間零點與"空白"數據和數據曲面之間的時序錯位。

1.16點擊File菜單，然后點擊Save File As選項。輸入適當的文件名以表明已應用啁啾校正。隨后點擊OK。

1.17數據執行背景扣除后，部分散射特征可能未被完全移除。這些特征會影響擬合并導致錯誤的擬合結果。定位數據中需要移除的此類特征。散射特征最容易在負時間區域被識別。

(1)在左上熱圖窗口中，點擊并拖動十字準線至負時間區域。保持在負時間區域內，使用十字準線確定散射特征起始和結束的波長位置。記錄散射特征對應的波長范圍(對于示例數據集，該特征范圍為654 nm至672 nm)。

注意：判斷某個特征是否需要移除時，可通過上下拖動時間軸上的水平十字準線來觀察該特征的光譜范圍。散射特征通常具有非常嘈雜的單波長動力學軌跡，因此也可通過動力學軌跡驗證特征的光譜范圍。

1.18從較短(藍色端)波長(即654 nm)開始，在光譜上點擊right-end wavelength(左下圖塊)，輸入特征范圍較短端的數值。

1.19點擊Surface菜單，選擇Crop功能進行數據裁剪。在彈出菜單中點擊OK確認操作。使用唯一文件名保存裁剪后的數據，建議文件名注明數據所屬區域(推薦使用Blue或Left標識)。關閉當前文件。

1.20打開1.16步驟中應用過啁啾校正的文件。繼續定位特征的較長(紅色端)波長范圍，在光譜上點擊left-end wavelength(左下圖塊)，輸入特征范圍較長端的數值。

1.21點擊Surface菜單，選擇Crop功能進行數據裁剪。在彈出菜單中點擊OK確認操作。使用唯一文件名保存裁剪后的數據，建議文件名注明數據所屬區域(推薦使用Red或Right標識)。

1.22通過點擊File菜單，然后選擇Combine Multiple Surfaces功能來合并這兩個文件。在彈出的新窗口中，選擇數據的兩側(即Right和Left或Blue和Red)。使用Ctrl+點擊的方式依次選中每個文件。確認"File Name:"框中已顯示兩個文件后，點擊右下角的OK按鈕。當進度條完成后，數據合并操作即已完成。

注意：可通過此方式合并任意數量的文件。數據可在時間軸和波長軸的多個截斷點處進行拼接。

1.23點擊File菜單，選擇Save File As功能，并為文件命名時添加唯一標識符表明其為合并數據(推薦使用Combined或Composite標識)。確認后點擊OK保存文件。

注意：關于如何從原始數據窗口保存數據以備后續顯示和繪圖的說明，請參見第3節。熱圖(左上圖塊)中的數據應呈現為圖18所示形態，現已可進行擬合分析。圖18所示代表性光譜的可視化方法詳見步驟3.1.2。

審核編輯 黃宇