Quy trình tạo mẫu đơn lớp Langmuir Axit Arachidic

CHƢƠNG 2 : QUY TRÌNH TẠO MẪU VÀ HỆ ĐO TÍNHIỆU SFG

2.1 Chế tạo mẫu đơn lớp Langmuir AA

2.1.2 Quy trình tạo mẫu đơn lớp Langmuir Axit Arachidic

Hóa chất AA dạng rắn được hịa tan với dung mơi chloroform để tao dung dịch lỏng. Để tạo đơn lớp Langmuir AA, dung dịch AA được nhỏ trên bề mặt nước. Sau một thời gian, dung mơi bay hơi hết và chỉ cịn lại phân tử AA trên bề mặt nước với nhóm chức – COOH nhúng xuống nước, cịn chuỗi hidrocacbon hướng về phía khơng khí hình thành đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nước.

 Chuẩn bị dung dịch Axit Arachidic và các dung dịch muối Halogen

- Dung dịch AA (1mg/ml) được chuẩn bị bằng cách lấy 3mg AA dạng rắn pha trong 3ml chloroform đựng trong lọ thủy tinh sạch. Sau đó nếu chưa dùng phải đậy chặt nút tránh dung môi bay hơi.

- Các dung dịch muối halogen NaI, NaCl, NaF được hòa tan bằng nước khử ion để tạo các nồng độ muối khác nhau. Chú ý rằng muối NaF có độ tan thấp (4.13g/100ml ở 25 °C)) nên nồng độ muối NaF khơng q 0,94M (gần bão hịa)[28]. Muối NaI cần bảo quản tránh ánh sáng. Để kéo dài tuổi thọ của các dung dịch NaI, các bình chứa dung dịch được dán bằng băng dính đen để tạo một mơi trường tối. Cũng nên cẩn thận để giảm thiểu sự tiếp xúc của dung dịch với ánh sáng (như đèn phòng cần làm mờ đi khi các pha chế các dung dịch cũng như khi sử dụng các mẫu thí nghiệm).

 Tạo mẫu đơn lớp Langmuir Axit Arachidic

- Rửa đĩa đựng mẫu: rửa sạch đĩa bằng dung dịch axeton. Sau đó dùng máy sấy làm khô đĩa.

- Tráng xy lanh bằng Chloroform (khoảng 2-3 lần), rồi tráng 1 lần bằng dung dịch AA.

- Dùng pipette để hút khoảng 5ml nước khử ion (hoặc 5ml cho mỗi dung dịch muối Halogen tùy theo mục đích khảo sát) vào đĩa petri. Sau đó dùng xy-lanh hút khoảng vài μl dung dịch AA và nhỏ từng giọt trên bề mặt nước hay các dung dịch đã chuẩn bị.

- Đợi khoảng 7-10 phút để dung dịch Chloroform bay hơi, chỉ cịn lại lớp AA nổi trên bề mặt, sau đó tiến hành đo phổ tần số tổng.

Để hiểu hơn quy trình tạo mẫu, chúng tơi sẽ trình bày về phép đo sức căng bề mặt bằng đường đẳng nhiệt  - A trong phần tiếp theo.

2.1.3 Phép đo áp suất bề mặt xác định đƣờng đẳng nhiệt  - A

Sau khi chuẩn bị các dụng cụ thí nghiệm đã trình bày ở trên, thí nghiệm phép đo áp suất bề mặt được thực hiện ở phịng duy trì nhiệt độ là 230 C. Dưới đây là các bước tiếp theo để tiến hành thí nghiệm:

 Bước 1 : Đo sức căng bề mặt trên mặt nước

- Kéo cắt được làm sạch bằng dung dịch axeton rồi lấy khơ, sau đó cắt giấy lọc - có tính dính ướt hồn tồn đối với chất lỏng (100% Cellulose) có kích thước 2x3 cm. Kích thước giấy lọc được đo cẩn thận bằng thước kẹp.

- Cân đồng hồ OHAUS có độ chính xác 0,1mg được để ở một vị trí cố định và đã được tối ưu hóa.

- Dùng pipette hút khoảng 5ml nước khử ion vào đĩa petri rồi đặt lên cân.

- Sử dụng sợi dây khơng dãn, khối lượng khơng đáng kể ( thí nghiệm dùng dây chỉ đã được làm sạch) rồi treo giấy lọc ở vị trí thăng bằng (đã cắt ở trên, để kích thước 2 cm theo chiều ngang) trên mặt nước. Điều chỉnh dây treo sao cho mặt dưới của giấy lọc song song với mặt nước, điều này mơ tả trên hình 2.2:

Hình 2.2. Minh họa thí nghiệm sức căng bề mặt.

- Ghi kết quả hiển thị của cân đồng hồ: (m01)

- Sau đó kéo nhẹ dây treo vật đáy giấy lọc chạm đều vào mặt nước, rồi buông tay ra. Dưới tác dụng của lực dính ướt và lực căng bề mặt, giấy lọc bị màng nước bám quanh đáy và bị giữ lại.

- Ghi kết quả hiển thị của cân đồng hồ : (m1).

 Bước 2 : Đo sức căng bề mặt của đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nước. - Tiếp theo dùng xy-lanh hút dung dịch AA và nhỏ từng giọt trên bề mặt nước ở các thể tích khác nhau (thay đổi số phân tử trong đơn lớp AA/bề mặt nước để thay đổi diện tích bề mặt/phân tử (A)).

- Đợi khoảng 7-10 phút để Chloroform bay hơi, chỉ còn lại AA nổi trên bề mặt - Ghi kết quả hiển thị của cân đồng hồ: (m02)

- Sau đó kéo nhẹ dây treo vật đáy giấy lọc chạm đều vào mặt nước, rồi buông tay ra. Dưới tác dụng của lực dính ướt và lực căng bề mặt, giấy lọc bị màng nước bám quanh đáy và bị giữ lại.

- Ghi kết quả hiển thị của cân đồng hồ : (m2).

 Bước 3 : Tính tốn áp suất bề mặt  phụ thuộc diện tích bề mặt/phân tử (A) - Sức căng bề mặt trên mặt nước ở bước 1 được cho bởi:

01 1 0 ( ).9,8 0, 04 m m    (2.1)

So sánh với giá trị chuẩn của sức căng bề mặt trên mặt nước ở 230

C là 72,28 mN/m, từ đó chuẩn hóa với giá trị thực.

- Sức căng bề mặt của đơn lớp Langmuir AA/ bề mặt nước ở bước 2 được cho bởi:

02 2

( ).9,8 0, 04

m m

   (2.2)

- Áp suất bề mặt chính là sự chênh lệch giữa sức căng bề mặt thực γ0 (chưa có đơn lớp hình thành) và sức căng bề mặt của mặt phân cách có đơn lớp γ, được biểu thị qua công thức 1.3 dưới đây :

Π = γ0 – γ (2.3) - Lặp lại phép đo 3 lần sau đó rửa sạch đĩa petri và thay đổi các giá trị diện tích bề mặt/phân tử (A) khác bằng cách thực hiện các bước nêu trên.

Để hiểu hơn về các bước tiến hành thí nghiệm, chúng tơi sẽ mô tả chi tiết về các bộ phận của hệ laser đo phổ tần số tổng và sơ đồ quang học kích thích tín hiệu SF trong phần 2.2.

2.2 Hệ đo tín hiệu tần số tổng EKSPLA - SF41

Hệ đo tần số tổng mà chúng tôi sử dụng tại bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN – ĐHQGHN là hệ quang phổ kế SF41 của tập đoàn EKSPLA (Vilnius, Lithuania). Hệ gồm các khối bộ phận chính là bộ phát laser pico giây Nd:YAG loại PL2250, bộ phát họa ba H500, bộ phát tham số quang PG501/DFG, máy đơn sắc MS3504, phần mềm điều khiển và các linh kiện quang học phụ trợ khác.

Đây là một công cụ hữu hiệu và linh hoạt để nghiên cứu tại chỗ các bề mặt và

mặt phân cách giữa hai môi trường với các ưu điểm: - Đặc trưng bề mặt. Nhạy với đơn lớp phân tử.

- Áp dụng cho tất cả các mặt phân cách hay bề mặt nào ánh sáng có thể tới được. - Chọn lọc đối với từng loại hấp thụ.

- Độ phân giải phổ và không gian khá cao.

Một số ứng dụng:

- Dùng để nghiên cứu bề mặt và mặt phân cách hai môi trường của chất rắn, lỏng, polyme, màng sinh học và nhiều hệ khác.

- Tìm hiểu cấu trúc bề mặt, cấu tạo hóa học và định hướng của phân tử.

- Nghiên cứu các tương tác bề mặt: trong điều kiện thực, trong điều kiện có xúc tác, và nghiên cứu động học bề mặt.

- Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến phát triển của epitaxy, điện hóa học, vật chất và mơi trường [5].

2.2 .1 Laser Nd:YAG loại PL2251A

Laser loại PL2251A là một laser Nd:YAG pico giây hoạt động chế độ khóa mode bị động. Laser Nd: YAG là một trong những laser rắn hiện đại và có cơng suất lớn nhất hiện nay được chế tạo bởi hãng Spectra – Physic. Laser phát bức xạ ở bước sóng cơ bản 1064 nm, có đường kính chùm tia cỡ 8mm, độ lặp lại 30 ps, tần số 50 Hz và năng lượng xung (ở bước sóng 1064 nm) là 50mJ [9].

Cấu tạo của laser PL2251 bao gồm:

- Hộp chứa một đầu phát laser: Bộ phận này được kết nối với nguồn cung cấp PS5050. Đây là bộ phận quan trọng nhất của laser PL2251A. Đầu phát laser PL2251A bao gồm ba bộ chức năng chính: Bộ phát dao động chính, bộ khuếch đại tái phát, bộ khuếch đại công suất. Sơ đồ quang học của laser PL2251A được thể hiện trong hình 2.4.

- Bộ nguồn: Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống laser. - Bộ làm mát PS1222CO: để cung cấp điện và làm mát đầu laser. - Một bảng điều khiển cầm tay được gắn với bảng điều khiển laser.

LD2 Laser đi ốt

CO2 Bộ phận ghép nối quang học R2, R3 Các thanh laser

P1- P5 Các kính phân cực màng mỏng QWP1- 2 Các bản nửa bước sóng

EM1- 2 Các bộ kiểm soát năng lượng

L1- 5 Các thấu kính PL1, PL2 Bản thủy tinh PHD1- 2 Các đầu thu M1-M23 Các gương PC1 Tế bào Pockel

Hình 2.4. Sơ đồ quang học của laser PL2251A [9].

Trong q trình đo tín hiệu, việc tương tác với bảng điều khiển là khá quan trọng nên tiếp theo tơi sẽ nói rõ hơn về bảng điểu khiển từ xa của laser pico giây này. Bảng điều khiển từ xa được gắn với bảng điều khiển laser được chỉ ra trên hình 2.5. Bảng điều khiển này bao gồm các nút bấm cho phép tinh chỉnh laser một cách chính xác, bằng các thao tác đơn giản. Dây nối của bộ điều khiển khá dài thuận tiện cho kiểm soát laser từ hầu hết mọi nơi trong phịng thí nghiệm.

a) Bảng điều khiển từ xa b) Màn hình hiển thị

Hình 2.5. Bảng điều khiển từ xa laser [9].

Bảng điều khiển từ xa (hình 2.5a) có một vài chức năng sau: - Bật/tắt xung quang học.

- Điều chỉnh và kiểm tra năng lượng lối ra laser. - Điều chỉnh tốc độ lặp lại các xung lối ra laser. - Thiết lập mode kích hoạt bên ngồi/nội bộ.

Bảng này gồm có 11 nút bấm và một màn hiển thị chữ - số, đó là: RUN, STOP, MENU, ESC, F1, F2, OK, UP ( ), DOWN ( ), RIGHT ( ), LEFT ( ):

- Để lựa chọn các danh sách nhấn phím MENU.

- Để lựa chọn thông số yêu cầu, sử dụng các nút , . - Để tiến hành các lệnh được chọn, ấn phím OK.

- Các phím F1 và F2 là các phím chức năng: F1 và F2 là chú thích nghịch đảo dương và âm được nhìn thấy trên bảng điều khiển LCD. Chú thích nghịch đảo âm thể hiện một lệnh sẽ được hoàn thành sau khi ấn phím FX bên đưới chú thích.

- Nhấn phím ESC ở bất kì danh mục nào, nó sẽ trở về trạng thái trước đó. - Đèn chỉ thị “EMISSION” trên bảng điều khiển chỉ ra laser đang hoạt động.

Hình 2.5b là màn hình hiển thị chữ - số được thiết lập tự động, gồm có 6 vùng chính:

 Vùng A – gồm các kí hiệu thể hiện trạng thái hoạt động của laser. Các kí hiệu dưới đây có thể hiển thị:

Hoạt động của laser bị ngừng lại và chưa sẵn sàng hoạt động. Hoạt động của laser bị ngừng lại nhưng đã sẵn sàng hoạt động.

Laser đang hoạt động nhưng bộ phận nào đó đang bị đóng. Laser đang hoạt động.

Lỗi hoạt động.

 Vùng B – tùy chọn.

 Vùng C1 – giám sát năng lượng đầu ra. E1 đại diện cho PHD1 (EM2 trong hình 2.5) giám sát năng lượng xung lối ra bộ khuếch đại công suất. Năng lượng được hiển thị bằng % giá trị năng lượng trên danh nghĩa. Các giá trị của E1 khơng chính xác khi bộ khuếch đại chính đang hoạt động với mức khuếch đại lớn hơn 1.

 Vùng C2 – giám sát năng lượng lối ra của bộ khuếch đại tái phát. E2 đại diện cho PHD2 (EM1 trong hình 2.5) giám sát năng lượng xung lối ra của bộ khuếch đại tái phát. Năng lượng được hiển thị bằng % giá trị năng lượng trên danh nghĩa.

 Vùng D1 – danh mục điều chỉnh sự khuếch đại. Ampl XXX, giá trị XXX này có thể thiết lập bởi người sử dụng với các giá trị từ 1 – 100 bằng cách tăng hoặc giảm độ khuếch đại bởi các nút UP, DOWN.

 Vùng D2 – “Pk X”, X là số có thể lựa chọn bởi người dùng trong phạm vi 1- 99. Thông thường, sẽ chọn giá trị X = 1 tương ứng với số xung là 1 [4].

2.2.2 Bộ phát họa ba H500

Bộ phát họa ba H500 được thiết kế để chuyển bức xạ cơ bản (1064 nm) của laser PL2251A thành họa ba bậc hai (532 nm), họa ba bậc ba (355nm) và họa ba bậc bốn (266 nm). Tuy nhiên, trong thí nghiệm thu phổ tần số tổng, bộ phát họa ba H500 được thiết kế để chuyển bức xạ cơ bản (1064 nm) của laser PL2251 thành họa ba

bậc hai (532 nm) nên còn gọi là bộ nhân tần. Đặc điểm của bộ này là có khả năng điều khiển linh hoạt và độc lập năng lượng của bức xạ họa ba bậc hai cũng như bức xạ cơ bản [9].

Cấu tạo bộ phát họa ba H500

Bộ phận chính của bộ phát họa ba H500 là tinh thể phát họa ba bậc hai SHG, các bản bước sóng và các gương. Sự phát họa ba được thực hiện trong tinh thể phi tuyến K*DP và ba bước sóng có thể thu được tại một thời điểm, đó là bức xạ cơ bản và họa ba bậc hai được chỉ ra trong hình 2.6. Chùm tia lối vào được chia làm hai phần. Một phần của chùm tia được tách ra bởi bộ tách chùm tia M1 và được hướng đến khe hở lối ra bởi gương M6. Một phần khác của chùm tia lối vào đi qua tinh thể phát họa ba bậc hai SHG. Họa ba bậc hai bị tách khỏi bước sóng cơ bản bởi các gương lưỡng chiết M2, M3 và M7. Bản làm trễ HWP1 sẽ hướng một phần năng lượng lối vào đến tinh thể phát họa ba và lối ra hồng ngoại (1064nm). Bản làm trễ nửa bước sóng HWP2 tối ưu phân cực của bức xạ bơm cho bộ phát họa ba. HWP3 cho phép điều chỉnh một cách thuận lợi năng lượng chùm cơ bản để bơm cho bộ PG. Bản làm trễ nửa bước sóng HWP4 tối ưu cho bộ lọc chùm tia [9].

M1- 8: Các gương

SHG: Tinh thể phát họa ba bậc hai

HWP1- 4: Các bản nửa bước sóng P1-2: Các kính phân cực màng mỏng

2.2.3 Bộ phát tham số quang học PG501/DFG [9].

PG501/DFG là một thiết bị kết hợp giữa bộ phát tham số quang trên tinh thể BBO và bộ phát tần số hiệu DFG trên tinh thể AgGaS2 hoặc tinh thể GaSe. Sử dụng tinh thể BBO cho phép bước sóng trải rộng từ 680 nm đến 2,3 µm với hiệu suất cao và năng lượng đầu ra ổn định. Sự phát tần số hiệu trong tinh thể AgGaS2 tạo ra bức xạ hồng ngoại có phạm vi điều chỉnh 2,3-10 µm với hiệu suất cao, độ rộng phổ <6 cm-1. Để thay đổi bước sóng, ta có thể quay tinh thể phi tuyến và quay cách tử nhiễu xạ bằng cách điều khiển mô tơ bước.

Tồn bộ thiết bị có thể được chia thành 3 phần: máy phát tham số PG (OPA & OPG), máy phát tần số hiệu và hệ truyền bức xạ bơm, chống tán xạ. Sơ đồ quang học của PG501/DFG được thể hiện trong hình 2.7 dưới đây:

2.2.4 Giá đỡ mẫu phân tích

Giá đỡ mẫu phân tích được thiết kế tiện lợi và phù hợp với nhiều thí nghiệm khác nhau. Mẫu đo được đặt trên giá đỡ gắn với motor bước có thể tinh chỉnh từ 00

đến 3600, bước nhảy 10. Ngoài khả năng vi chỉnh bằng tay theo ba chiều x–y–z, giá đỡ cịn có thể vi chỉnh qua bộ điều khiển được kết nối với máy tính, đảm bảo độ chính xác cao. Trong phần mềm LabVIEW có màn hình thiết bị ảo, giúp điều khiển bệ quay góc phương vị từ máy tính và có thể thiết lập vị trí chính xác đến từng độ. Việc sử dụng giá đỡ mẫu mang lại nhiều tiện dụng và tránh được những sai số do dịch chuyển cơ học.

Hệ giá đỡ mẫu phân tích gồm có bệ giữ mẫu, các linh kiện dẫn và cắt chùm tia. Sơ đồ khối được chỉ ra như hình 2.8, trong đó: các gương M10, M11, M18,