让超快光谱技术“飞入寻常实验室”——低成本、易操作的瞬态吸收新方案

人物：Troian-Gautier教授

        发生反应的两个分子需先扩散形成‌碰撞络合物‌（encounter complex），此乃激发态电子转移的先决条件——该机制即‌动态淬灭‌。针对短寿命激发态体系，可使分子在基态预缔合（pre-association），从而规避扩散步骤，由此产生‌静态淬灭‌（淬灭过程发生于超快时间尺度）。

        电子转移后生成的自由基对被束缚于‌溶剂笼‌中。这些自由基能否突破溶剂笼制约形成独立溶剂化自由基（在化学与生物学领域具重要价值），其核心决定因素尚未明晰。此难题正是Troian-Gautier教授团队的核心研究方向。

        课题组证实：‌笼逃逸效率‌直接决定光驱动化学反应的总体产率。因此，通过超快瞬态吸收光谱等技术深入解析预缔合体系的笼逃逸过程，不仅能深化基础理论认知，更将推动‌光氧化还原催化‌、‌光化学疗法‌及‌太阳能燃料制备‌等依赖光诱导电子转移的关键领域发展。

        此类‌光电极‌的开发旨在制备可持续太阳能燃料，包括质子制氢、CO₂还原产物及卤化物氧化形成的卤素等。采用的研究方法在学界已趋成熟，其机理类似于‌静态淬灭机制‌，核心差异在于光敏剂被锚定于金属氧化物（作为淬灭剂）表面。

        光激发下，受激光敏剂可向金属氧化物导带注入电子，由此产生电流并形成氧化态光敏剂驱动燃料合成。

        基于储量丰富元素的光敏剂面临的主要挑战在于其激发态寿命通常极短，无法通过‌纳秒级瞬态吸收光谱‌监测。更重要的是，电子注入后发生的‌电子回传‌（注入电子向氧化态光敏剂的反向转移）过程既快速又高效，显著降低系统整体效能。

        通过‌超快瞬态吸收光谱技术‌，该课题组实现了上述过程的实时监测，并正在开发抑制此类有害复合路径的新策略。

        光化学领域长期由钌(II)、铱(III)、锇(II)等过渡金属基光敏剂主导，其卓越性能可精准调控。然而原料稀缺性日益引发关注——尤其在资助机构及衍生评审委员会层面。

        相较之下，工业界受此影响较弱，因‌成本效益比‌始终是其核心评估指标。典型案例如催化转化器采用铂、钯、铑等稀缺元素，凭借其高效转化有毒气体为CO₂的能力，使性能优势明显高于成本代价。

        学术界则具备引领储量丰富元素‌转型的独特优势。该领域先驱已奠定坚实基础，构建了指导后续发展的设计准则。Troian-Gautier教授课题组正致力于开发铁基新型光敏剂，顺应此转型方向。

        Felix Glaser博士的研究标志着重大突破：其开发的‌铁-蒽二元分子体系‌展现出11.5微秒的非辐射激发态寿命。该体系不仅能驱动单线态氧(¹O₂)生成，更显著提升‌笼逃逸效应‌。尽管存在超长激发态寿命，‌超快瞬态吸收光谱技术‌成功解析了导致寿命突破性提升的激发态全景机制。

图1. 左图：储量丰富元素的新型光敏剂在515 nm脉冲激发后的时间演化轨迹；右图：特征物种关联光谱及各组分相对浓度分布。

        近期，该课题组联合Jaroslav Hruby（哈瑟尔特大学）与Anna Ermakova（哈瑟尔特大学暨比利时皇家空间高层物理研究所），启动‌空间光化学应用研究计划‌，拟于2026年夏季在国际空间站开展实验。此项多学科交叉研究旨在开发‌金刚石基量子传感器‌，通过协同实验室研发的光敏剂与模型淬灭剂，揭示失重环境对激发态电子转移及pH动态响应的作用机制。预期成果将为天体化学过程提供关键理论依据。

        该课题组针对不同研究方向部署了多种光谱技术体系：纳秒级紫外-可见瞬态吸收光谱、纳秒时间分辨红外光谱、时间相关单光子计数技术及（光谱）电化学方法。这些技术可解析激发态动力学与弛豫路径，包括纳秒早期时域的界面/双分子电子转移光化学过程。然而，尽管纳秒尺度对理解效率控制因素具有价值，多数关键过程实际发生于飞秒至皮秒量级——这正是Troian-Gautier课题组当前无法监测的时域盲区。

        为解决此局限，团队与Alejandro Cadranel专业团队协作开展‌超快瞬态吸收光谱测量‌。此举实属必要，因该技术需严格遵循洁净室规范，依赖专用光学平台与精密实验排布，对环境扰动高度敏感。此类超快设备通常需‌专职技术专家‌全程操作，以保障最优测量条件并实时排除突发故障。

        Troian-Gautier教授对此评价：“全球诸多实验室正面临此类共性技术壁垒——超快瞬态吸收光谱因操作复杂性被视为‘特种’技术，研究者常耗费大量精力于设备调试而非获取有效数据。但此刻迎来转折点！Light Conversion公司推出的HARPIA-LIGHT桌面级瞬态吸收光谱系统，实为本领域真正的技术革命。”

        研究团队部署 HARPIA-LIGHT 系统后，成功实现对超快时域激发态动力学的精准测量。该系统突破性地支持两大前沿研究方向：

一、观测预结合光敏剂-猝灭剂对的激发态电子转移过程
二、研究基于储量丰富元素的光敏剂在金属氧化物薄膜界面展现的激发态反应性。

        HARPIA-LIGHT 核心配置双波段激发光源（343 nm 与 515 nm），可激活绝大多数光敏剂。其时间分辨率覆盖 290 fs至7.5 ns的超宽动态范围，配合460-910 nm 宽谱探测能力，精准捕获瞬态产物的特征演化轨迹。

         “作为亲自参与设备开箱的见证者，我确认其安装过程极其便捷——两小时内完成安装校准并投入测试。更令人惊喜的是，在短期内就有7位不同经验水平的操作者均成功获取有效数据，并利用内置专业软件完成建模分析。这在传统超快光谱系统中是不可想象的。”Troian-Gautier教授强调。

Troian-Gautier教授研究团队合影（从左至右）：Felix Glaser博士、Ana Karem Vega Salgado博士、Céline Bourgois、Noémie Chantry工程师，以及Light Conversion公司研发项目经理、HARPIA-LIGHT系统设计者Kipras Redeckas。Ludovic Troian-Gautier教授负责掌镜拍摄。

        超快电子/能量转移过程主导激发态演化，研究团队借助 HARPIA-LIGHT 系统实现高效观测‌。该团队开展了针对铁光敏剂的专项研究——其吸收峰位于 515 nm 附近且激发态寿命短暂的特性，与系统性能高度契合。研究人员观察到铁光敏剂在与猝灭剂预结合状态下的激发态电子转移现象，成功规避了溶液化学中常见的扩散过程主导机制。此外，团队还研究了铁基二元体系（光敏剂与能量受体共价连接），并通过负载于金属氧化物薄膜的铁光敏剂观测到罕见的激发态反应性，由此推动研究策略的革新。

         “若无 HARPIA-LIGHT 系统，这一切不可能实现。凭借该系统在超短时域获取的实验数据，我们揭示了铁光敏剂的核心作用机制。这不仅深化了对电子转移路径的理解，更推动我们转向开发更高效体系的研究方向，”Troian-Gautier 教授强调。

         ‌“我确信 HARPIA-LIGHT 台式瞬态吸收光谱系统具备成为畅销仪器的核心特质：它不仅服务专业用户，更为初涉领域的科研人员提供支持。其优异的时间分辨率、安装便捷性与操作友好性，使该设备成为复杂实验平台的理想替代方案。”

台式瞬态吸收光谱系统-HARPIA-LIGHT介绍

产品描述

        HARPIA-LIGHT瞬态吸收光谱系统在单盒设计中结合了可访问性，多功能性和良好的性能。基于经验丰富的飞秒激光技术，它可以在飞-纳秒时间尺度上对瞬态事件进行准确的测量和分析。HARPIA-LIGHT在提供高测量灵敏度，高时间分辨率和宽光谱覆盖方面表现优异。尽管体积很小，HARPIA-LIGHT拥有一个工业级飞秒激光器和一个具有智能化的、用户友好的数据采集软件的光谱仪。人性化界面配合标准化操作流程确保设备顺畅运行，有效提升工作效率。用户只需放置样品并单击按钮，即可实现对所有信息的即时访问。此外，HARPIA-LIGHT具有灵活的偏振控制，7.5 ns延迟线和智能化的分析算法，为进一步的数据评估提供了广泛的选择。

典型应用方向

☑电子与质子转移

DCM激光染料在HARPIA-LIGHT获得的溶液中的光谱动力学

测量条件：
✔脉冲重复频率：60kHz
✔泵浦波长：343 nm
✔3s/光谱（每个delay）

关于光量科技