THÔNG TIN TÀI LIỆU
++ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - QUÁCH TRUNG ĐÔNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG NƯỚC LÊN PHỔ PHÁT TẦN SỐ TỔNG QUANG HỌC (SFG) CỦA D-GLUCOSE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2014 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - QUÁCH TRUNG ĐÔNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG NƯỚC LÊN PHỔ PHÁT TẦN SỐ TỔNG QUANG HỌC (SFG) CỦA D-GLUCOSE CHUYÊN NGÀNH : QUANG HỌC Mã số : 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒNG CHÍ HIẾU Hà Nội, 2014 z LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Hồng Chí Hiếu người hướng dẫn trực tiếp tận tình giúp đỡ, bảo tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy tồn thể nghiên cứu sinh, học viên cao học sinh viên thuộc Bộ mơn Quang lượng tử nhiệt tình giúp đỡ, tham gia nghiên cứu, trao đổi tài liệu, dụng cụ thí nghiệm đóng góp ý kiến suốt q trình học tập, nghiên cứu Bộ mơn Tôi xin trân trọng cảm ơn cán bộ, chuyên viên phòng ban nhà trường Khoa Vật lý hướng dẫn, tạo điều kiện để tơi nhanh chóng hồn thành thủ tục bảo vệ Cuối cùng, tơi xin gửi lịng biết ơn đến gia đình người thân ln ủng hộ, tin tưởng động viên tơi suốt q trình học tập công tác Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2014 Học viên cao học Quách Trung Đông z MỤC LỤC PHỤ LỤC 1: DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT i PHỤ LỤC 2: DANH MỤC HÌNH VẼ .ii PHỤ LỤC 3: DANH MỤC BẢNG BIỂU iv MỞ ĐẦU CHƯƠNG – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Cơ sở quang học phi tuyến 1.1.1 Tương tác ánh sáng với vật chất 1.1.2 Độ phân cực phi tuyến độ cảm phi tuyến 1.2 Một số tượng quang học phi tuyến bậc hai 1.2.1 Hiện tượng chỉnh lưu quang học phát hoà ba bậc hai 1.2.2 Q trình trộn ba sóng, điều kiện tương hợp pha .6 1.3 Phát tần số tổng quang học SFG 10 1.3.1 Phương trình Maxwell quang học phi tuyến 10 1.3.2 Cường độ sóng tần số tổng 13 1.3.3 Điều kiện gần tương hợp pha 15 1.3.4 Quang học phi tuyến bề mặt 17 1.4 Một số nghiên cứu quang phổ học dao động D-glucose 22 CHƯƠNG – THỰC NGHIỆM 29 2.1 Tổng quan D-glucose 29 2.1.1 Cấu trúc hoá học D-glucose .29 2.1.2 Các đặc trưng vật lý D-glucose 32 2.2 Chuẩn bị mẫu 32 2.3 Các thiết bị thí nghiệm 33 z 2.3.1 Hệ laser pico giây Nd:YAG .33 2.3.2 Laser Nd:YAG module PL2251A 34 2.3.3 Khối nhân đôi tần số H500 .35 2.3.4 Máy phát tham số quang học PG500/DFG 36 2.3.5 Giá mẫu 36 2.3.6 Máy đơn sắc MS3504 nhân quang điện PMT .37 2.3.7 Phần mềm SFG spectrometer 38 2.4 Sơ đồ đo phổ tần số tổng D-glucose 38 2.4.1 Bố trí hệ đo .38 2.4.2 Quy trình thí nghiệm đo phổ tần số tổng D-glucose 41 CHƯƠNG – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Phổ SFG mẫu D-glucose 0% H2O 44 3.2 Phổ SFG mẫu D-glucose với hàm lượng nước thêm vào khác 46 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 z PHỤ LỤC 1: DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT SFG: Sum frequency generation FT – IR: Fourier transform infrared spectroscopy OFC: Optical frequency converter OPA: Optical parametric amplifier OPO: Optical parametric oscillator SPDC: Spontaneous parametric down-converter PMT: Photomultiplier tube CDS: Correlated double sample i z PHỤ LỤC 2: DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ phân cực môi trường vào điện trường dừng mơi trường quang học tuyến tính phi tuyến Hình 1.2: Quá trình tương tác ba photon mơi trường phi tuyến bậc hai Hình 1.3: Điều kiện tương hợp pha .8 Hình 1.4: Các thiết bị phát thông số OFC, OPA, OPO SPDC .9 Hình 1.5: Ảnh hưởng độ lệch vector sóng lên phát tần số tổng 15 Hình 1.6: Giản đồ biểu diễn vật liệu quang phi tuyến bậc hai dạng đơn tinh thể đồng (a) vật liệu cực tuần hoàn (b) với trục dương c đảo chiều theo chu kỳ Λ 16 Hình 1.7: So sánh biến đổi khơng gian biên độ trường sóng tạo thành tương tác phi tuyến với ba điều kiện tương hợp pha khác 16 Hình 1.8: Ví dụ phát hồ ba bậc hai phản xạ bề mặt vật liệu quang phi tuyến bậc hai (a) vật liệu quang phi tuyến đối xứng tâm (b) 17 Hình 1.9: Sự tạo thành sóng hịa ba bậc hai truyền qua phản xạ mặt phân cách (a) định nghĩa vector điện, từ trường cho trường hợp P vng góc với mặt phẳng tới (b) 19 Hình 1.10: Phổ Raman dung dịch D-glucose với nồng độ 22% 50% theo Mathlouthi Luu .23 Hình 1.11: Phổ FT-Raman dung dịch α-D-glucose “khô” “ướt”theo Joanna Goral 24 Hình 1.12: Phổ FT-Raman dung dịch β-D-glucose “khô” “ướt”theo Joanna Goral 25 Hình 1.13: Phổ cường độ tần số tổng mode dao động hóa trị C-H theo Miyauchi cộng 26 Hình 1.14: Phổ FT-IR D-glucose khô vùng CH [2] 27 ii z CHƯƠNG – THỰC NGHIỆM Hình 2.1: Cấu trúc Glucose 30 Hình 2.2: Các đồng phân tuần hồn khơng đối ảnh D-glucose .31 Hình 2.3: Cơ chế tạo mẫu D-glucose ẩm 33 Hình 2.4: Hệ đo SFG hãng EKSPLA (Lithuania) đặt Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật lý, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 34 Hình 2.5: Đầu phát laser Nd:YAG mã hiệu PL 2250 hãng EKSPLA 35 Hình 2.6: Thiết kế quang học bên khối nhân tần H500 36 Hình 2.7: Giá mẫu gắn với motor bước 37 Hình 2.8: Sự tạo thành tín hiệu SFG 39 Hình 2.9: Bố trí hệ đo SFG 40 Hình 2.10: Ảnh chụp thực tế hệ quang học bàn đặt mẫu phép đo tần số tổng D-glucose .41 CHƯƠNG – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.1: Giản đồ miêu tả tổ hợp trạng thái phân cực khác chùm khả kiến (1), chùm hồng ngoại (2) tín hiệu SFG thu (3) 43 Hình 3.2: Phổ tần số tổng mẫu D-glucose khơ theo bốn cấu hình phân cực khác 44 Hình 3.3: Phổ Raman α-D-glucose thu Corbett cộng [9] 45 Hình 3.4: Phổ SFG mẫu D-glucose ban đầu theo nồng độ nước thêm vào khác 46 Hình 3.5: Phổ Raman β-D-glucose thu Corbett cộng [9] .47 Hình 3.6: Tính biến đổi quay D-glucose tác dụng nước 47 Hình 3.7: Hình chiếu Newman α-D-glucose β-D-glucose nhìn từ C(6) đến C(5) dạng tinh thể Nhóm C(6)H2OH có cấu hình gt gg [13] .48 Hình 3.8: Đồ thị dựng lại phổ Raman α-D-glucose β-D-glucose từ kết nghiên cứu Corbett cộng [9] .49 Hình 3.9: Phổ SFG mẫu D-glucose thêm nước sau sấy khô 50 iii z PHỤ LỤC 3: DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 1.1: Các đỉnh dao động D-glucose khô vùng CH [2] 28 CHƯƠNG – THỰC NGHIỆM Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng PMT .37 CHƯƠNG – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bảng 3.1: Các mode dao động D-glucose khô vùng CH 45 Bảng 3.2: Các mode dao động D-glucose ướt vùng CH 49 iv z Luận văn thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Ngày nay, phát triển không ngừng công nghệ sinh học khoa học vật liệu yêu cầu phải có cơng cụ thiết bị để sử dụng cho việc phân tích Trong bối cảnh đó, hiệu ứng phát tần số tổng (SFG) quang học bậc hai quan tâm nhiều ưu điểm vượt trội độ nhạy đơn lớp nguyên tử, tính định hướng cao so với phương pháp phổ dao động quang học bậc FT-IR Raman [3,4] SFG thực chất hiệu ứng quang học phi tuyến bậc hai có đặc điểm bị cấm vật liệu có cấu trúc đối xứng tâm phát mạnh cấu trúc đối xứng tâm bị phá vỡ bề mặt, giao diện vật liệu cấu trúc có tính chirality (đối xứng bàn tay) [3] Kỹ thuật SFG ứng dụng thành công để nghiên cứu cấu trúc dao động bề mặt động học bề mặt giao diện khác Các mode dao động hoạt động bề mặt phân tử mặt phân cách cộng hưởng với tín hiệu SFG định hướng phân cực tia laser bơm phù hợp với định hướng mode dao động phân tử Vì vậy, ta thu thông tin định hướng, xếp phân tử bề mặt giao diện [4] Các phân tử hữu thường có cấu trúc chirality, SFG cơng cụ hữu dụng việc nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang phân tử hữu [3,4] Năm 2006, Miyauchi đồng nghiệp sử dụng kính hiển vi với kỹ thuật SFG để quan sát thủy sinh Chara fibrosa [6] Các tác giả so sánh phổ SFG Chara fibrosa với phổ SFG saccharide tinh khiết amylopectin, amylose, glucose β-cyclodextrin phát amylopectin thành phần nhụy Chara fibrosa Kết nghiên cứu chứng minh khả ứng dụng SFG việc nghiên cứu phân tử hữu Đối tượng nghiên cứu đề cập đến luận văn D-glucose Đây carbohydrate quan trọng bậc tự nhiên mặt sinh học, hấp thụ trực tiếp vào máu thơng qua q trình tiêu hố Glucose sử dụng nguồn cung cấp lượng trung gian trao đổi chất cho tế bào sản phẩm q trình quang hợp nhiên liệu cho q trình hơ hấp tế bào Do vai trò đặc biệt nên nhiều nghiên cứu Glucose thực Tuy Quách Trung Đông z Chuyên ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học Nắp đậy Mẫu bột Buồng tạo mẫu Nước cất lần (~220C) Hình 2.3: Cơ chế tạo mẫu D-glucose ẩm 2.3 Các thiết bị thí nghiệm 2.3.1 Hệ laser pico giây Nd:YAG Để thu phổ SFG mẫu D-glucose khô ướt, hệ quang phổ kế SFG tập đoàn EKSPLA (Vilnius, Lithuania) sử dụng (hình 2.4) Đây hệ quang học đồng bộ, đại với thiết bị có độ tin cậy xác cao, chuyên dùng để nghiên cứu vật liệu y sinh Hệ gồm khối phận phát laser pico giây Nd:YAG modul PL2250, nhân tần H500, phát tham số quang PG500/DFG, máy quang phổ MS3504 linh kiện quang học phụ trợ khác Quách Trung Đông 33 z Chuyên ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 2.4: Hệ đo SFG hãng EKSPLA (Lithuania) đặt Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật lý, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên 2.3.2 Laser Nd:YAG module PL2251A Nguồn kích thích cho hệ đo laser xung Nd:YAG mã hiệu PL2250 (hình 2.5) hoạt động chế độ mode-locked có bước sóng 1064 nm, chu kỳ xung 30 ps, tần số lặp lại 50 Hz, lượng xung 50 mJ, đường kính chùm tia cỡ mm PL2250 gồm có tủ điện rời đầu laser kết nối với cách linh hoạt Ngoài ra, điều khiển cầm tay gắn vào bảng điều khiển laser Tủ điện bao gồm thành phần cần thiết cho việc khởi chạy làm lạnh đầu laser nguồn điện PS5050 làm lành PS1222CO Tủ kết nối trực tiếp với nguồn điện Qch Trung Đơng 34 z Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 2.5: Đầu phát laser Nd:YAG mã hiệu PL 2250 hãng EKSPLA 2.3.3 Khối nhân đôi tần số H500 Khối nhân tần H500 dùng để chuyển đổi xạ laser PL2250 thành chùm hoạ ba bậc hai Khối có thiết kế đầu tiện lợi để lấy xạ 532 nm 1064 nm tuỳ thuộc theo phép đo cụ thể (hình 2.6) Chùm lối vào chia thành hai phần nhờ gương M1, phần đưa trực tiếp ngồi thơng qua gương M6, phần cịn lại qua phát hoà ba bậc hai SHG Chùm hoà ba bậc hai tạo thành sau chia thành hai phần nhờ gương M8 đưa nhờ gương M2, M3 M7 Quách Trung Đông 35 z Chuyên ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 2.6: Thiết kế quang học bên khối nhân tần H500 2.3.4 Máy phát tham số quang học PG500/DFG PG500/DFG máy phát tham số quang tạo tần số hiệu dựa kết hợp tinh thể quang học BBO tinh thể AgGaS2 tinh thể GaSe Khi bơm chùm chùm hoạ ba bậc ba laser pico giây Nd:YAG, thiết bị mở rộng khoảng bước sóng từ vùng khả kiến đến hồng ngoại (0.68 – 10 μm) PG500/DFG thiết kế để sử dụng với laser Nd:YAG mode-locked mã hiệu PL2250 Khả tinh thể BBO cho phép chuyển đổi bước sóng từ 680 nm đến 2.3 μm, với hiệu suất ấn tượng lượng lối ổn định Trong đó, tinh thể AgGaS2 cung cấp xung xạ mạnh khoảng từ 2.3 – 10 μm với hiệu suất tốt 2.3.5 Giá mẫu Mẫu đo đặt giá đỡ gắn với motor bước tinh chỉnh từ 00 đến 3600, bước nhảy 10 Ngoài khả vi chỉnh tay theo ba chiều x – y – z, giá cịn điều chỉnh tự động thơng qua điều khiển kết nối với máy tính nhằm đảm bảo độ xác cao Việc sử dụng giá đỡ mẫu mang lại nhiều lợi ích, hạn chế sai số phù hợp với nhiều phép đo khác (hình 2.7) Qch Trung Đơng 36 z Chun ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 2.7: Giá mẫu gắn với motor bước 2.3.6 Máy đơn sắc MS3504 nhân quang điện PMT Máy đơn sắc MS3504 sử dụng hai cách tử với số vạch 2400 3600 vạch với kích thước cách tử 70x70x10 Máy có dải làm việc từ 190 nm đến 653 nm với độ phân giải 0.06 Đầu thu tín hiệu có thành phần ống nhân quang (photomultiplier tube – PMT) PMT1 kiểu R7899 PMT2 kiểu R374 tập đồn Hamamatsu Các thơng số đặc trưng hai PMT trình bày bảng 2.1 Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng PMT R7899 R374 Độ nhạy cathode (μA/lm) Cực tiểu 70 80 Đặc trưng 95 150 1250 1250 Ngắn 300 nm 185 nm Dài 650 nm 850 nm Đỉnh 420 nm 420 nm Điện cực đại từ anode đến cathode Bước sóng Quách Trung Đông 37 z Chuyên ngành Quang học Luận văn thạc sĩ khoa học Tín hiệu điện từ PMT thu nhận mạch CDS (Correlated Double Sample) gồm hai khuếch đại kết nối đồng MS3504 có độ phân giải cao, độ ồn thấp, tuỳ theo mục đích sử dụng dùng PMT1 PMT2 để thu tín hiệu tốt Ngồi ra, hệ cịn có thiết bị quang học (kính lọc, thấu kính …) đặt lối vào để lọc nhiễu bảo vệ máy 2.3.7 Phần mềm SFG spectrometer SFG spectrometer phần mềm điều khiển hoạt động cho tất khối phận hệ đo SFG Phần mềm có giao diện trực quan, dễ thao tác Phần mềm có số chức sau: a Cửa sổ “Energy chart”: hiển thị lượng xung laser tạo thành, xung bơm cho PG500 xung thu nhận từ PMT b Cửa sổ “SFG or SHG plot”: cho phép thu phổ vùng bước sóng tuỳ chọn c Cửa sổ “SFG or SHG time dependant plot”: cho phép hiển thị tín hiệu SFG chu kỳ thời gian tuỳ chọn Đồ thị thể phụ thuộc tín hiệu 2.4 Sơ đồ đo phổ tần số tổng D-glucose 2.4.1 Bố trí hệ đo Như trình bày phần sở lý thuyết, SFG trình kết hợp Điều kiện tương hợp pha cần thoả mãn (hình 2.8): \ = ±\ ¡ + \¡ Hoặc \
Ngày đăng: 16/03/2023, 09:09
Xem thêm: