Nghiên cứu đơn lớp Langmuir của Arachidic Acid (AA) trong dung dịch thay đổi độ pH bằng kĩ thuật quang phổ học dao động tần số tổng (SFG)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Hồng NGHIÊN CỨU ĐƠN LỚP LANGMUIR CỦA ARACHIDIC ACID (AA) TRONG DUNG DỊCH THAY ĐỔI ĐỘ PH BẰNG KĨ THUẬT QUANG PHỔ HỌC DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG (SFG) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Hồng NGHIÊN CỨU ĐƠN LỚP LANGMUIR CỦA ARACHIDIC ACID (AA) TRONG DUNG DỊCH THAY ĐỔI ĐỘ PH BẰNG KĨ THUẬT QUANG PHỔ HỌC DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG (SFG) Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60440109 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ANH TUẤN Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS Nguyễn Anh Tuấn, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, đưa ra những ý kiến đóng góp quý báu và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn Th.S Nguyễn Duy Thiện – Trung tâm Khoa học Vật liệu và TS. Đỗ Minh Hà – Khoa sinh học, những người đã giúp đỡ em về hóa chất và các dụng cụ phục vụ cho chế tạo mẫu thí nghiệm. Em xin cảm ơn tới tất cả các thầy cô, tập thể cán bộ bộ môn Quang lượng tử, các thầy cô trong Khoa Vật Lý, và các thầy cô Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức cơ bản và chuyên môn trong suốt quá trình học tập tại trường. Chân thành cảm ơn chị Bùi Thị Hoa – giảng viên Khoa sinh học, chị Nguyễn Thị Huệ - Nghiên cứu sinh tại bộ môn Quang lượng tử và chị Trần Quỳnh Hương – Học viên cao học tại bộ môn Quang lượng tử, những người đã giúp đỡ em trong quá trình thực nghiệm. Xin chân thành cảm ơn phòng Sau đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tổ chức đào tạo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân và toàn thể bạn bè luôn sát cánh, động viên giúp đỡ em vượt qua khó khăn trong suốt thời gian qua. Xin chân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 201 Học viên Trần Thị Hồng i MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv CÁC KÝ HIỆU & TỪ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƠN LỚP LANGMUIR VÀ KỸ THUẬT QUANG PHỔ HỌC DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG BỀ MẶT 3 1.1 Tổng quan về đơn lớp Langmuir 3 1.1.1 Đơn lớp Langmuir và nền tảng lịch sử về đơn lớp Langmuir 3 1.1.1.1 Đơn lớp Langmuir 3 1.1.1.2 Nền tảng lịch sử về đơn lớp Langmuir 5 1.1.2 Sức căng bề mặt, áp suất bề mặt và sơ đồ trạng thái của đơn lớp Langmuir 7 1.1.3 Sự phá vỡ đơn lớp Langmuir 11 1.1.4 Vật liệu hình thành đơn lớp Langmuir 12 1.2 Cơ sở quang học phi tuyến bậc hai 13 1.2.1 Nguồn gốc của hiện tượng quang học phi tuyến bậc hai 13 1.2.2 Phương trình Maxwell trong môi trường phi tuyến bậc hai 14 1.2.3 Kỹ thuật quang phổ học dao động tần số tổng hồng ngoại - khả kiến 17 1.2.3.1 Giới thiệu các quá trình phi tuyến bậc hai 17 1.2.3.2 Sự đối xứng tinh thể 19 1.2.3.3 Sự phát tần số tổng từ một bề mặt 20 1.3 Quang phổ dao động hồng ngoại của phân tử 24 Chương 2 QUY TRÌNH TẠO MẪU VÀ HỆ ĐO TÍN HIỆU SFG TỪ ĐƠN LỚP LANGMUIR 28 2.1 Chế tạo mẫu đơn lớp Langmuir AA 28 2.1.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 28 2.1.2 Quy trình tạo mẫu 28 ii 2.2 Hệ đo tín hiệu tần số tổng EKSPLA - SF41 29 2.2.1 Laser Nd: YAG pico giây loại PL2251A 30 2.2.1.1 Cấu tạo 31 2.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của đầu phát laser PL2251A 31 2.2.2 Bộ phát họa ba H500 37 2.2.2.1 Cấu tạo 38 2.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động 38 2.2.3 Bộ phát tham số quang học PG501/DFG 39 2.2.3.1 Cấu tạo: 40 2.2.3.2 Nguyên tắc hoạt động 40 2.2.4 Giá đỡ mẫu phân tích 46 2.2.5 Máy đơn sắc MS3504 47 2.2.6 Sơ đồ kích thích thu tín hiệu SFG 48 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 3.1 Khảo sát các mode dao động của các phân tử đơn lớp AA/ nước tinh khiết 53 3.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ pH của môi trường nước bên dưới đơn lớp lên cấu trúc của đơn lớp Langmuir ……… ………………………………… …….56 KẾT LUẬN 68 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các mode dao động tương ứng với số sóng của các nhóm phân tử Bảng 2.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật tiêu chuẩn của laser PL2251A Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật bức xạ lối vào bộ phát họa ba H500 Bảng 2.4 Thông số kĩ thuật lối ra bộ phát họa ba H500 Bảng 2.5 Thông số kĩ thuật của xung laser bơm cho PG 501/DFG Bảng 2.6 Thông số kĩ thuật của lối ra PG501/DFG Bảng 2.7 Các dải bước sóng tương ứng với các tinh thể trong PG501/DFG Bảng 2.8 Các bước sóng sử dụng đối với ống nhân quang điện PMT1 và PMT2 Bảng 2.9 Thông số kỹ thuật thực nghiệm của xung bơm khả kiến và hồng ngoại iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đơn lớp Langmuir tại mặt phân cách không khí/nước Hình 1.2 Sự tương tác của các phân tử trên mặt phân cách không khí/nước ảnh hưởng đến sức căng bề mặt Hình 1.3 Đường đẳng nhiệt thể hiện sự liên hệ giữa áp suất bề mặt (Π) và diện tích bề mặt (A), [22]. Hình 1.4 Hướng nghiêng NN (bên trái) và NNN (bên phải) của các chuỗi alkyl trong các phân tử hoạt tính bề mặt. Các đường thẳng là các chuỗi hidrocacbon của các phân tử. Mỗi hình cầu là một nhóm chức. Hình 1.5 Các cơ chế sụp đổ của đơn lớp Langmuir Hình 1.6 Công thức cấu tạo và mô hình của AA Hình 1.7 Giản đồ Feynman cho các quá trình phi tuyến bậc hai: (a) phát tần số tổng, (b) phát họa ba bậc hai, (c) quá trình chuyển đổi về phía tần số thấp (down conversion). Hình 1.8 Sơ đồ bố trí phép đo SFG, ω 1 là tần số chùm khả kiến cố định, ω 2 là tần số chùm hồng ngoại có bước sóng điều chỉnh được, ω SFG là tần số tín hiệu tần số tổng, phân cực P song song với mặt phẳng tới, phân cực S vuông góc với mặt phẳng tới. Hình 1.9 Chuyển dời bức xạ tần số tổng Hình 1.10 Các mode dao động của nhóm -CH 2 và -CH 3 Hình 1.11 Phổ hồng ngoại của các nhóm chức, nhóm nguyên tử Hình 2.1 Sơ đồ quang học của laser PL2251A Hình 2.2 Giản đồ thời gian hoạt động của laser PL2251 Hình 2.3 Bảng điều khiển từ xa laser Hình 2.4 Sơ đồ quang học của bộ nhân tần H500 v Hình 2.5 Sơ đồ quang học của PG 501/DFG Hình 2.6 Sơ đồ dao động tham số của tinh thể BBO1 Hình 2.7 Sơ đồ khuếch đại tham số của tinh thể BBO2 Hình 2.8 Bảng điều khiển từ xa của PG501/DFG Hình 2.9 Sơ đồ khối của giá đỡ mẫu phân tích Hình 2.10 Sơ đồ quang học hệ phát tần số tổng Hình 3.1 Phổ SFG của đơn lớp AA /nước tinh khiết với 3 cách kết hợp PPP, PSP, SSP. Hình 3.2 Đường đẳng nhiệt của áp suất bề mặt theo diện tích/số phân tử của đơn lớp axit pentadecanoic [18]. Hình 3.3 Phổ SFG của axit pentadecanoic với các cấu hình phân cực khác nhau: (a) S - VIS, P – IR, (b) P – VIS, S – IR, (c) P – VIS, P – IR, [18]. Hình 3.4 Phổ SFG của đơn lớp Langmuir AA/ nước (pH = 2 ÷ 12) với số sóng từ 2800 cm -1 ÷ 3600 cm -1 , cách kết hợp phân cực SSP. Hình 3.5 Phổ SFG của đơn lớp Langmuir AA/ nước (pH = 2 ÷ 12)với số sóng từ 1300 cm -1 ÷ 1900 cm -1 , cách kết hợp phân cực SSP. Hình 3.6 Phổ SFG của đơn lớp Langmuir AA/ nước (pH <7) với số sóng từ 2800 cm -1 ÷ 3600 cm -1 , cách kết hợp phân cực SSP Hình 3.7 Sự liên kết các phân tử nước: dạng lỏng (bên trái), dạng tinh thể băng – cấu trúc lục giác (bên phải) [25]. Hình 3.8 Sự định hướng của các phân tử nước bên dưới đơn lớp pH < 7 Hình 3.9 Phổ SFG của đơn lớp Langmuir AA/ nước (pH < 7) với số sóng từ 1300 cm -1 ÷ 1900 cm -1 , cách kết hợp phân cực SSP. Hình 3.10 Phổ SFG vùng dao động OH của đơn lớp Langmuir AA / nước (7 ≤ pH ≤ 11) với số sóng từ 2800 cm -1 ÷ 3600 cm -1 , cách kết hợp phân cực SSP. vi Hình 3.11 Phổ SFG của đơn lớp Langmuir AA/ nước (7 ≤ pH ≤ 11) với số sóng từ 1300 cm -1 ÷ 1900 cm -1 , cách kết hợp phân cực SSP. Hình 3.12 Sự định hướng của các phân tử nước bên dưới đơn lớp pH = 7. Hình 3.13 Sự định hướng của các phân tử nước bên dưới đơn lớp pH ~ 11. Hình 3.14 Phổ SFG của đơn lớp Langmuir trên nước tinh khiết có pH =11 và pH =12, dải hồng ngoại từ 2800 cm -1 ÷ 3600cm -1 (cách kết hợp SSP). Hình 3.15 Phổ SFG của đơn lớp Langmuir trên nước tinh khiết có pH =11 và pH =12, dải hồng ngoại từ 1300 cm -1 ÷ 1900cm -1 (cách kết hợp SSP). vii CÁC KÝ HIỆU & TỪ VIẾT TẮT AA –Arachidic Acid BBO – Beta Barium Borate BCH – Buồng cộng hưởng DFG – Difference frequency Generation – Sự phát tần số hiệu IR – Infrared KD * P – Deuterated Potasssium Dedeuterium Phosphate LE – Liquid – expand LC – Liquid – condensed OPO – Optical Parametric Osccillator – Dao động tham số quang OPA – Optical Parametric Amplifier – Khuếch đại tham số quang OPG – Optical Parametric Generation – sự phát tham số quang SFG – Sum frequency Generation SHG – Second Harmonics Generation – Sự phát họa ba bậc hai SF – tín hiệu tần số tổng VIS – Visible [...]... chất nền lên cấu trúc của đơn lớp Langmuir hiện nay chưa được nghiên cứu rộng rãi [17, 31] Chính vì vậy, chúng tôi thực hiện đề tài: Nghiên cứu đơn lớp Langmuir của Arachidic Acid (AA) trong dung dịch thay đổi độ pH bằng kĩ thuật quang ph học dao động tần số tổng (SFG) Mục đích của đề tài: Nghiên cứu các lý thuyết liên quan đến đơn lớp Langmuir và kĩ thuật quang ph dao động tần số tổng hồng ngoại - khả... thực nghiệm các mode dao động của đơn lớp Langmuir AA và sự ảnh hưởng của độ pH của môi trường nước bên dưới đơn lớp lên cấu trúc của đơn lớp Langmuir sử dụng kĩ thuật quang ph dao động tần số tổng hồng ngoại - khả kiến Ngoài ph n mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, bản luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1 – Tổng quan về đơn lớp Langmuir và kỹ thuật quang ph học dao động tần số tổng bề mặt Chương... nhau Dao động của một ph n tử xảy ra khi các nguyên tử trong một ph n tử chuyển động tuần hoàn, 24 khi đó ph n tử đó có chuyển động dịch chuyển hồng ngoại và chyển động quay Tần số của chuyển động tuần hoàn chính là tần số dao động, và các tần số chủ yếu của các dao động của ph n tử có ph m vi từ nhỏ hơn 1012 đến xấp xỉ 1014 Tần số dao động ph thuộc vào số lượng các hạt nhân và các lực liên kết Một ph n... hiệu SFG từ đơn lớp Langmuir Chương 3 – Kết quả và thảo luận 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƠN LỚP LANGMUIR VÀ KỸ THUẬT QUANG PH HỌC DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG BỀ MẶT 1.1 Tổng quan về đơn lớp Langmuir 1.1.1 Đơn lớp Langmuir và nền tảng lịch sử về đơn lớp Langmuir 1.1.1.1 Đơn lớp Langmuir Đơn lớp Langmuir là một đơn lớp đơn ph n tử được hình thành trên mặt ph n cách không khí/chất lỏng Sự hình thành đơn lớp có thể... với dao động hoạt động hồng ngoại: ( * Chuyển động dao động của ph n tử nhiều nguyên tử rất ph c tạp Để đơn giản, người ta thường ph n một chuyển động ph c tạp thành một số hữu hạn các dao động đơn giản hơn gọi là dao động riêng Các dao động riêng của ph n tử có thể được kích thích bởi các bức xạ điện từ một cách chọn lọc, đối với các ph n tử có mô men lưỡng cực μ thì chỉ những dao động nào làm thay đổi. .. theo trục liên kết của hai nguyên tử, gọi là dao động kéo dãn (stretching) hay dao động hóa trị Kết quả của dao động này làm thay đổi độ dài liên kết của các nguyên tử trong ph n tử Ở ph n tử có 3 nguyên tử trở lên, ngoài dao động kéo dãn làm thay đổi độ dài liên kết còn có loại dao động có thể làm thay đổi góc giữa liên kết được gọi là dao động biến dạng Người ta còn ph n biệt dao động kéo giãn đối... lại thông tin hóa học thông qua ph dao động của các ph n tử Không có kĩ thuật nào có thể nghiên cứu cấu trúc của các ph n tử nước bên dưới đơn lớp Gần đây, quang ph học hồng ngoại cũng đã có 6 nhiều tiến bộ dùng để nghiên cứu các bề mặt chất lỏng, nhưng kĩ thuật này không thật sự đặc trưng bề mặt bởi vì độ sâu dò chỉ cỡ μm Đầu những năm 1980, kĩ thuật quang ph học tần số tổng (SFG) và họa ba bậc... xạ hồng ngoại Một ph n tử với N nguyên tử có 3N-6 mode dao động riêng đối với nguyên tử phi tuyến và 3N-5 mode dao động đối với nguyên tử tuyến tính Trong trường hợp ph n tử đối xứng do một số dao động suy 25 biến có tần số như nhau nên tổng số các dao dộng riêng thực tế sẽ nhỏ hơn tổng số các dao động cơ bản tính theo công thức lý thuyết Dao động của ph n tử gồm hai nguyên tử là dao động kéo giãn dọc... ph n tử liên quan đến các tần số hồng ngoại, các đỉnh xuất hiện trong ph tần số tổng sẽ tương ứng với tần số dịch chuyển hồng ngoại của các nhóm dao động đó Ph hồng ngoại của một hợp chất hóa học được coi như “dấu vân tay” Do đó ta cần ph i xét đến ph hồng ngoại của các nhóm chức đặc trưng như là một căn cứ để nhận dạng chúng 1.3 Quang ph dao động hồng ngoại của ph n tử Một ph n tử được hình thành... góc của tia tần số tổng Từ ph ơng trình (1.34) ta thấy: khi ωIR quét trên một vùng ph nào đó thì góc bức xạ SFG cũng thay đổi Khi tần số hồng ngoại ph hợp với tần số cộng hưởng dao động ph n tử ( ), thì tín hiệu tần số tổng sẽ được tăng cường cộng hưởng Sự tăng cường cộng hưởng cung cấp thông tin ph về các dịch chuyển dao động đặc trưng bề mặt Các tổ hợp ph n cực của các tia đầu vào và đầu ra cho ph p . hiện đề tài: Nghiên cứu đơn lớp Langmuir của Arachidic Acid (AA) trong dung dịch thay đổi độ pH bằng kĩ thuật quang ph học dao động tần số tổng (SFG). Mục đích của đề tài: Nghiên cứu các lý. NGHIÊN CỨU ĐƠN LỚP LANGMUIR CỦA ARACHIDIC ACID (AA) TRONG DUNG DỊCH THAY ĐỔI ĐỘ PH BẰNG KĨ THUẬT QUANG PH HỌC DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG (SFG) Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60440109. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Hồng NGHIÊN CỨU ĐƠN LỚP LANGMUIR CỦA ARACHIDIC ACID (AA) TRONG DUNG DỊCH THAY ĐỔI ĐỘ PH BẰNG KĨ THUẬT QUANG PH