Chùm tia VIS (532,1 nm) cho thí nghiệm SFG là hịa ba bậc hai của bức xạ laser cơ bản 1064,2 nm, đi ra từ một cửa khác của bộ phát hòa ba H500, rồi đi qua bộ lọc F2. Bản nửa bƣớc sóng HWP1, HWP2 và lăng kính Glan GP1 cho phép tối ƣu hóa năng lƣợng và lựa chọn phân cực của chùm tia VIS dùng cho từng thí nghiệm SFG cụ thể. Bằng cách quay bản nửa bƣớc sóng HWP1, ta có thể điều chỉnh năng lƣợng xung của chùm tia VIS liên tục từ giá trị cực tiểu tới cực đại.
Chùm tia VIS đi qua bộ lọc không gian, đƣờng làm trễ gồm lăng kính P1 và các gƣơng M7, M8 để đảm bảo chùm tia khả kiến và chùm tia hồng ngoại chồng chập về mặt thời gian, có thể điều chỉnh đƣờng làm trễ này thơng qua máy tính. Để giám sát liên tục năng lƣợng chùm tia VIS, bộ lọc chùm tia BS1 hƣớng một phần bức xạ của chùm tia VIS tới photođiôt PD1. Phần còn lại của chùm tia khả kiến đi qua ID2, đƣợc hệ thống gƣơng hƣớng tới bề mặt mẫu.
nghi êng M11 T1 M18 M10 LD M12 T2 M13 L11 F3 ID7 M14 M15 Bệ Y Bệ X Mô tơ quay-ɵ
Đệm Bệ Z Nghiêng Đặt mẫu
Chùm tia IR có bƣớc sóng điều hƣởng từ 2,3 - 10 µm và chùm tia khả kiến (VIS) có bƣớc sóng 532,1 nm đƣợc dẫn đến mẫu với các góc lần lƣợt là φVIS = 60o và φIR = 55o. Nếu cả hai sóng tới thỏa mãn điều kiện phù hợp pha thì chùm tia tần số tổng (SF) đƣợc phát ra theo hƣớng phản xạ với góc trong khoảng 59o - 59,7o. Chúng tơi chọn các giá trị góc tới này bởi vì tín hiệu SF từ mẫu phát mạnh do hệ số Fnesnel đƣợc tăng cƣờng [46].
Tiếp theo, tín hiệu SFG đƣợc hƣớng đến khe máy đơn sắc MS3504 bằng các
gƣơng M14, M15, tiếp theo qua lăng kính Glan GP2 dùng để phân tích sự phân cực tín hiệu SFG và loại bỏ ánh sáng tán xạ. Bộ lọc F1 chặn ánh sáng tán xạ 532,1 nm. Tín hiệu SFG sau khi qua máy đơn sắc đƣợc phát hiện bởi ống nhân quang điện
PMT1 hoặc PMT2 (Hình 2.4). Hai ống nhân quang điện PMT1 (loại R7899) và
PMT2 (loại R374) đƣợc sản xuất bởi tập đồn Hamamatsu có các đặc trƣng thơng số nhƣ Bảng 2.1 dƣới đây:
Bảng 2.1. Các bước sóng sử dụng đối với ống nhân quang điện PMT1 và PMT2 [13] PMT1 (R7899) PMT2 (R374) Bƣớc sóng (ngắn) (nm) 300 185 Bƣớc sóng (dài) (nm) 650 850 Bƣớc sóng (đỉnh) (nm) 420 420 Độ nhạy cathode (µA/lm) Nhỏ nhất 70 80 Điển hình 95 150
Tùy thuộc vào tín hiệu cần đo mà ta sử dụng nhân quang điện PMT1 hoặc PMT2 để thu đƣợc tín hiệu là tốt nhất. Tín hiệu điện PMT đƣợc thu bởi hệ lấy mẫu tƣơng quan kép (Correlated double sampling – CDS). Hệ CDS này bao gồm hai bộ khuếch đại trích và lấy mẫu và một bộ khuếch đại phản hồi dòng. Cả hai bộ khuếch đại trích và lấy mẫu đƣợc kết nối với vai trị nhƣ các bộ khuếch đại đệm, bộ khuếch đại phản hồi dịng sẽ lấy tín hiệu từ hai bộ khuếch đại đó. Với thiết kế này, cho phép chúng ta thu đƣợc cả tín hiệu rất yếu.
Tín hiệu SFG quang sẽ chuyển thành tín hiệu điện trong ống nhân quang điện và đƣa tín hiệu ra máy tính. Khi đó ta thu đƣợc các file dữ liệu về cƣờng độ SFG, IR, VIS phụ thuộc vào số sóng IR quét trong vùng số sóng cần đo của mẫu đang nghiên cứu. Phổ của tín hiệu tần số tổng có thể biểu thị dƣới dạng phụ thuộc thời gian, phụ thuộc vào số sóng hoặc phụ thuộc vào góc phƣơng vị.
Tất cả các thành phần của hệ nhƣ laser PL2251, bộ phát hòa ba H500, bộ phát tham số quang PG 501/DFG, đƣờng làm trễ, máy đơn sắc và photodector đều đƣợc kết nối với bộ DAQ, rồi kết nối với máy tính hiển thị qua phần mềm LabVIEW. Năng lƣợng của chùm tia khả kiến và hồng ngoại đến mẫu đƣợc giám sát liên tục thông qua giản đồ năng lƣợng hiển thị trên màn hình máy tính.
Đối với mỗi phép đo phổ SFG, mẫu màng đơn lớp Langmuir đƣợc chuẩn bị mới hoàn toàn, phạm vi phép đo dải phổ trong vùng dao động của nhóm cacboxyl (1300 – 1900 cm-1); vùng dao động của chuỗi hydrocacbon và OH liên kết hydro của nƣớc (2800 - 3600 cm-1), bƣớc 2 cm-1. Thí nghiệm đƣợc tiến hành trong phịng duy trì nhiệt độ khoảng 230C và độ ẩm < 70%.
Để có thể so sánh phổ SFG từ đơn lớp Langmuir trên bề mặt các dung dịch khác nhau, các điều kiện thông số thiết lập hệ đo phải đƣợc giữ nguyên không đổi trong suốt quá trình đo. Đầu tiên tiến hành đo tín hiệu SFG từ thạch anh, sau đó đo tín hiệu SFG từ các mẫu cần nghiên cứu. Các số liệu đo phổ SFG từ mẫu này đều đƣợc chuẩn hóa bằng phổ SFG từ tinh thể thạch anh để bù hiệu suất chồng chập của các tia khả kiến và hồng ngoại.
Trong quá trình tiến hành đo SFG thực nghiệm, ngay cả khi khơng có mẫu hoặc ngắt laser (hoặc bật laser nhƣng đóng khe máy lại) thì vẫn đo đƣợc một tín hiệu nhiễu nền (background noise). Vì vậy, trong tất cả các phổ SFG đều có nhiễu nền của hệ.
Trong phép đo tín hiệu tần số tổng, phần tín hiệu nền khơng có tín hiệu cộng hưởng xấp xỉ bằng nhiễu nền của hệ, đơn vị tùy ý (a.u.). Vì vậy, trong mỗi phổ SFG
đều có thể xác định đƣợc tỷ số số tín hiệu/nhiễu (S/N) bằng cách lấy cường độ đỉnh
cao nhất chia cho cường độ nhiễu nền.
2.2. Tạo mẫu màng đơn lớp Langmuir trên bề mặt dung dịch
2.2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
Trong luận án này, sự ảnh hƣởng của các chất hòa tan lên cấu trúc phân tử của đơn lớp Langmuir tại mặt phân cách chất lỏng - khơng khí đƣợc nghiên cứu. Cấu trúc phân tử của mặt phân cách chất lỏng - khơng khí rất nhạy với các chất có trong dung dịch, vì vậy các hóa chất sử dụng trong thí nghiệm phải có độ tinh khiết cao để có thể đánh giá chính xác ảnh hƣởng của các chất hịa tan trong dung dịch lên cấu trúc phân tử bề mặt.
Đơn lớp Langmuir là một lớp đơn phân tử hình thành trên mặt nƣớc. Các phân tử nhƣ axit béo, lipid và rƣợu chuỗi dài có cả phần ƣa nƣớc và kị nƣớc. Do đặc tính cả ƣa nƣớc và kị nƣớc của các phân tử này mà chúng tự động tạo nên một lớp có độ dày đơn phân tử trên bề mặt nƣớc. Trong đó, chuỗi hydrocacbon kị nƣớc hƣớng về khơng khí và các nhóm chức ƣa nƣớc ở mặt nƣớc. Hóa chất tạo đơn lớp Langmuir trên bề mặt các chất lỏng đƣợc sử dụng trong luận án là axít arachidic và 1-Butanol (BuOH).
- Axít arachidic là một axít béo no, có cơng thức phân tử là CH3(CH2)18COOH. Mỗi phân tử AA gồm một nhóm chức COOH phân cực nên ƣa nƣớc và một chuỗi hydrocacbon bao gồm 18 nhóm CH2 và một nhóm CH3 ở ngồi cùng. Chuỗi hydrocacbon gồm các phân tử không phân cực nên kị nƣớc. Tuy nhiên do lực Van der Waal, các phân tử ở chuỗi này hút lẫn nhau. Cơng thức cấu tạo và mơ hình phân tử AA đƣợc thể hiện nhƣ Hình 2.6a dƣới đây.
- Rƣợu 1-butanol là rƣợu no, có cơng thức hóa học là CH3(CH2)3OH. Mỗi phân tử 1-butanol gồm một nhóm chức OH phân cực, ƣa nƣớc và một chuỗi hydrocacbon CH3(CH2)3 kị nƣớc. Công thức cấu tạo vào mơ hình phân tử 1-butanol đƣợc thể hiện nhƣ Hình 2.6b.
a) Phân tử axít arachidic b) Phân tử 1-Butanol