基于液体束光电子影像技术的水合电子激发态动力学研究

Hydrated electron plays an important role in physical chemistry, bio-chemistry and life science. However, its excited-state dynamics was under debate over the past decades. Very recently, after the developing of photoelectron spectroscopy of liquid beam, one can study the dynamics in liquid phase under vacuum for the first time. Using this advanced technique, the decay dynamics of excited-state hydrated electron was revealed and thus the debate was settled. However, in the initial stage (<75fs), it is mostly likely that the decay of the excited-state wavepacket proceed along with its internal conversion process. Since the photoelectron will red shifted both in excited-state wavepacket decays and the internal conversion process, it’s hard to tell whether they proceed sequentially or parallelly only using the photoelectron spectroscopy of liquid beam. Therefore, we propose to reveal this puzzle using photoelectron imaging spectroscopy of liquid beam with time-resolution as high as 40fs. More importantly, photoelectron imaging provide angular distribution of the electron in addition to its kinetic energy distribution. Since the ground state is an s state and the excited state is a p state, the angular distribution of the photoelectrons will be different between these two states. With this new information, we can determine whether these two channels proceed sequentially or parallelly. Besides, we also plan to study the decay dynamics of excited solvent electron in different solvents, such as methanol and ethanol. This study will provide deeper understanding of the nature of hydrated electron.

水合电子在物理化学、生物化学以及生命科学中具有极其重要的作用。然而，其激发态的特性在过去的几十年里一直存在争议。近年来，随着液体束光电子能谱技术的引入，人们首次能够在真空环境中对液相动力学进行研究,并成功的解决了水合电子激发态演化的模型之争。然而，在极短时间尺度内（<75fs），水合电子激发态波包的演化与内转换过程极可能同时进行。由于在这两个过程中光电子能谱的峰值大小和移动趋势相似，因此，仅利用光电子能谱无法进行区分。鉴于此，本项目拟采用时间分辨率约40fs的液体束光电子影像技术来解答此疑惑。更高的时间分辨率将提供更加准确的时间常数，更重要的是光电子影像技术能够同时提供光电子能量和角度分布的信息。利用水合电子激发态和基态的光电子角度分布的不同，我们将呈现更全面的激发态演化机理。同时，我们还将讨论不同溶液对电子激发态动力学的影响，研究其溶剂效应。本课题的开展将提高人们对水合电子本质的认识。

近些年来，随着人们发现溶液中的剩余电子可能导致DNA 的断裂从而造成人类遗传基因的遗失以来，水合电子的各种特性再次成为研究的焦点和热点。在本项目中，我们采用时间分辨的光电子能谱技术/影像技术对水合电子的基态以及激发态的动力学机理进行研究。为了形成稳定的水合电子的液体束，我们首先对液体束装置进行了测试，并在常温下获得了稳定的液体束。随后，我们利用NOPA技术，实现了各种波长的泵浦-探测飞秒激光光源。为了测试该光源的可用性（如波长，脉宽等），同时校准和检验我们的光电子影像装置，我们将该飞秒泵浦-探测光源引入光电子影像装置，对有机小分子的光解离/光电离机理做了检验性的研究。我们分别研究了氯丙烯、苯、间二氯苯三种体系在不同泵浦波长下的光解离/电离机理，并从光电子影像分布中获得了中间态的解离过程与飞秒激光波长的依赖关系，相关结果发表在Acta Phys. –Chim. Sin. 31, 1662-1666 (2015)，Acta Phys.-Chim. Sin. 33, 500-505 (2017)和Acta Phys. Sin., 66, 157801 (2017)上。在项目执行后期，我们使用NO气体来校准液体束光电子能谱装置的光电子平动能的分辨率。在266nm飞秒激光的作用下，得到光电子平动能的分辨率在4eV时为2%。我们采用NaI水溶液来制备水合电子，并利用液体束光电子能谱装置，我们获得了水合电子的形成机理及其特性，该成果尚在整理发表中。该项目的开展为液相光电子能谱方法在国内的建立打下了坚实基础，同时，提高了人们对水合电子特性的认识，为后续开展水合电子与DNA相互作用的研究打下了坚实的基础。在此基金的支持下，本项目共发表高质量SCI论文3篇，CSCD论文2篇。