导读：科研人员已经成功观察到人工光合作用中的电荷转移和内部分子相互作用的过程。这项新的研究有助于发展高效的人工光合作用，TR-ATR光谱技术有助于研究生物、化学反应过程。
来自osaka university与Tokyo institute of technology的研究人员直接观察到人工光合作用中持续时间约为ps量级的电荷转移与内部分子相互作用的过程。利用在太赫兹波段的泄露全反射光谱技术，研究人员揭示了在以triethanolamine（TEOA）作为还原剂的溶剂中的人工光合作用材料的人工光合作用过程，他们的研究成果发表在scientific reports 期刊上。
人工光合作用，或光催化作用就是主要利用CO2在光照条件下产生化学能的过程，这种化学能被认为是下一代清洁能源。特别地，使用铼化合物的光催化反应更加高效。为了制作高效的光催化反应分子，有必要去了解光合作用在ps时间内的过程。然而，不可能在光合作用过程中观察到所有反应的现象。
研究人员利用time-resolved attenuated total reflection（TR-ATR）成像技术去获得有关光合作用过程中电荷的转移和分子相对位置改变的信息。吸收光后的光催化分子使CO2转变为CO，变到更高的能级。研究人员去观察在光合作用中氧化剂TEOA的电荷是如何转移到铼。
由于使用的是太赫兹波，它的频率比可见光和近红外光低，在太赫兹波段下可以揭示分子内部的振动。这样就允许研究人员观察TEOA分子的电荷是如何转移到铼化合物中的。
然而，在研究光催化过程中，大部分溶剂对太赫兹波段的电磁波都有很强的吸收，很难去观察在TEOA溶剂中的铼,因此，该研究小组将泄露全内反射光谱技术和时域太赫兹光谱技术结合一起形成了太赫兹波段的TR-ATR技术。
Fig.1
另外，为了实现较高的时间分辨能力的测量，研究人员结合pump probe spectroscopy技术和TR-ATR技术，观察TEOA分子的移动以及在光催化反应过程中在皮秒时间内它的电荷是如何转移的。使用pump probe spectroscopy 技术，一个中心波长为400nm的光脉冲激发样品，在一段延迟时间后，利用太赫兹脉冲探测样品。在光激励后，可以通过三步达到皮秒分辨精度的过程去揭示分子内部相互作用的过程：
- 由开始到9皮秒，由于吸收了光，铼化合物的温度快速升高，还有铼离子向TEOA分子中的热传递，但是，在激发态后温度就降下来了。
- 从10到14皮秒，由于TEOA分子的旋转，铼离子与TEOA分子之间的距离不断地减小。
- 在14皮秒之后，电荷由 TEOA转移到铼。由于库仑力的作用这些带电分子距离逐渐变大，最终分离开。
Osaka university的教授Kimura说：“使用太赫兹波有助于我们观察还原剂在光合作用过程中所起的作用。在太赫兹波段的TR-ATR光谱技术有助于发展高效的光合作用。通过光谱技术观察两个分子之间的距离以及电荷转移的动态过程的这一技术同样有助于研究在生物和化学领域的各种反应过程”。
[1] Phuong Ngoc Nguyen, Hiroshi Watanabe, Yusuke Tamaki, Osamu Ishitani, Shin-ichi Kimura. Relaxation dynamics of Re(CO)2(bpy){P(OEt)3}2 in TEOA solvent measured by time-resolved attenuated total reflection terahertz spectroscopy. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-019-48191-4.
[2] Osaka University. "Terahertz waves reveal hidden processes in ultrafast artificial photosynthesis."ScienceDaily. ScienceDaily, 12 September 2019.www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190912094712.htm.
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