ns t i t ut de spectroscopie de fluorescence et...

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


77 −

=∆ τω

pompe sans


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)

~

pompe-sonde polarimétrique

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


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


� ∆ 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


∆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



± 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 40α��PUDG�

��0��0

4x10-3

3

2

1

0

anal

yzed

inte

nsity

(ar

b.un

.)

-40 -20 0 20 40α��PUDG�

montage expérimental

5 kHz150 fs200 Jµ

BBO crystal

variabledelay line


450-700 nm)λ=

pump( = 400 nm)λ

Sapphire plate


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


450-700 nm)λ =

Pump( λ = 400 nm)

Sapphire plateTi:Sa regenerativeamplifier

GFP aqueous solution(spinning cell)


pompe sans


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

ns t i t ut de spectroscopie de fluorescence et...

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