Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nước lên phổ phát tần số tổng quang học (SFG) của D-Glucose

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nước lên phổ phát tần số tổng quang học (SFG) của D-Glucose

1. ++ ĐẠI H ỌC QU ỐC GIA HÀ N ỘI TR ƯỜNG ĐẠI H ỌC KHOA H ỌC T Ự NHIÊN --- --- QUÁCH TRUNG ĐÔNG NGHIÊN C ỨU ẢNH H ƯỞNG C ỦA HÀM L ƯỢNG NƯỚC LÊN PH Ổ PHÁT T ẦN S Ố T ỔNG QUANG H ỌC (SFG) CỦA D-GLUCOSE LU ẬN V ĂN TH ẠC S Ĩ KHOA H ỌC Hà N ội, 2014
2. ĐẠI H ỌC QU ỐC GIA HÀ N ỘI TR ƯỜNG ĐẠI H ỌC KHOA H ỌC T Ự NHIÊN --- --- QUÁCH TRUNG ĐÔNG NGHIÊN C ỨU ẢNH H ƯỞNG C ỦA HÀM L ƯỢNG NƯỚC LÊN PH Ổ PHÁT T ẦN S Ố T ỔNG QUANG H ỌC (SFG) CỦA D-GLUCOSE CHUYÊN NGÀNH : QUANG H ỌC Mã s ố : 60440109 LU ẬN V ĂN TH ẠC S Ĩ KHOA H ỌC NG ƯỜI H ƯỚNG D ẪN KHOA H ỌC: TS. HOÀNG CHÍ HI ẾU Hà N ội, 2014
3. LỜI C ẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được bày t ỏ lòng bi ết ơn sâu s ắc đến TS. Hoàng Chí Hi ếu là ng ười h ướng d ẫn tr ực ti ếp đã t ận tình giúp đỡ, ch ỉ b ảo và t ạo m ọi điều ki ện thu ận lợi để tôi có th ể hoàn thành lu ận v ăn này. Tôi c ũng xin chân thành c ảm ơn các th ầy cô cùng toàn th ể các nghiên c ứu sinh, học viên cao h ọc và sinh viên thu ộc B ộ môn Quang l ượng t ử đã nhi ệt tình giúp đỡ, tham gia nghiên c ứu, trao đổi tài li ệu, d ụng c ụ thí nghi ệm và đóng góp ý ki ến trong su ốt quá trình h ọc t ập, nghiên c ứu t ại B ộ môn. Tôi c ũng xin trân tr ọng c ảm ơn các cán b ộ, chuyên viên c ủa các phòng ban trong nhà tr ường và Khoa V ật lý đã h ướng d ẫn, tạo điều ki ện để tôi nhanh chóng hoàn thành m ọi th ủ t ục b ảo v ệ. Cu ối cùng, tôi xin được g ửi lòng bi ết ơn đến gia đình và ng ười thân đã luôn ủng h ộ, tin t ưởng và động viên tôi trong su ốt quá trình h ọc t ập và công tác. Hà N ội, ngày 1 tháng 12 n ăm 2014 Học viên cao h ọc Quách Trung Đông
4. MỤC L ỤC PH Ụ L ỤC 1: DANH M ỤC KÝ HI ỆU VÀ T Ừ VI ẾT T ẮT .................................... i PH Ụ L ỤC 2: DANH M ỤC HÌNH V Ẽ ..................................................................... ii PH Ụ L ỤC 3: DANH M ỤC B ẢNG BI ỂU ............................................................... iv MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CH ƯƠ NG 1 – CƠ S Ở LÝ THUY ẾT ....................................................................... 3 1.1. Cơ s ở quang h ọc phi tuy ến ................................................................................ 3 1.1.1. Tươ ng tác gi ữa ánh sáng v ới v ật ch ất ........................................................ 3 1.1.2. Độ phân c ực phi tuy ến và độ c ảm phi tuy ến .............................................. 4 1.2. Một s ố hi ện t ượng quang h ọc phi tuy ến b ậc hai .............................................. 5 1.2.1. Hi ện t ượng ch ỉnh l ưu quang h ọc và phát hoà ba b ậc hai ........................... 5 1.2.2. Quá trình tr ộn ba sóng, điều ki ện t ươ ng h ợp pha ....................................... 6 1.3. Phát t ần s ố t ổng quang h ọc SFG ..................................................................... 10 1.3.1. Ph ươ ng trình Maxwell trong quang h ọc phi tuy ến .................................. 10 1.3.2. Cường độ c ủa sóng t ần s ố t ổng ................................................................ 13 1.3.3. Điều ki ện g ần t ươ ng h ợp pha ................................................................... 15 1.3.4. Quang h ọc phi tuy ến b ề m ặt ..................................................................... 17 1.4. Một s ố nghiên c ứu quang ph ổ h ọc dao động v ề D-glucose ........................... 22 CH ƯƠ NG 2 – TH ỰC NGHI ỆM ........................................................................... 29 2.1. Tổng quan v ề D-glucose ................................................................................... 29 2.1.1. Cấu trúc hoá h ọc c ủa D-glucose ............................................................... 29 2.1.2. Các đặc tr ưng v ật lý c ủa D-glucose ......................................................... 32 2.2. Chu ẩn b ị m ẫu .................................................................................................... 32 2.3. Các thi ết b ị thí nghi ệm ..................................................................................... 33
5. 2.3.1. Hệ laser pico giây Nd:YAG ..................................................................... 33 2.3.2. Laser Nd:YAG module PL2251A ............................................................ 34 2.3.3. Kh ối nhân đôi t ần s ố H500 ....................................................................... 35 2.3.4. Máy phát tham s ố quang h ọc PG500/DFG .............................................. 36 2.3.5. Giá m ẫu .................................................................................................... 36 2.3.6. Máy đơ n s ắc MS3504 và nhân quang điện PMT ..................................... 37 2.3.7. Ph ần m ềm SFG spectrometer ................................................................... 38 2.4. Sơ đồ đo ph ổ t ần s ố t ổng c ủa D-glucose ......................................................... 38 2.4.1. Bố trí h ệ đo ............................................................................................... 38 2.4.2. Quy trình thí nghi ệm đo ph ổ t ần s ố t ổng c ủa D-glucose ......................... 41 CH ƯƠ NG 3 – KẾT QU Ả VÀ TH ẢO LU ẬN ....................................................... 43 3.1. Ph ổ SFG c ủa m ẫu D-glucose 0% H 2O ............................................................ 44 3.2. Ph ổ SFG c ủa các m ẫu D-glucose v ới hàm l ượng n ước thêm vào khác nhau .......................................................................................................................... 46 KẾT LU ẬN .............................................................................................................. 51 TÀI LI ỆU THAM KH ẢO ...................................................................................... 53
6. PH Ụ L ỤC 1: DANH MỤC KÝ HI ỆU VÀ T Ừ VI ẾT T ẮT 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
7. PH Ụ L ỤC 2: DANH M ỤC HÌNH V Ẽ CHƯƠ NG 1 – CƠ S Ở LÝ THUY ẾT Hình 1.1: S ự ph ụ thu ộc c ủa độ phân c ực môi tr ường vào điện tr ường d ừng trong môi tr ường quang h ọc tuy ến tính và phi tuy ến................................................................... 5 Hình 1.2: Quá trình t ươ ng tác ba photon trong môi tr ường phi tuy ến b ậc hai ........... 7 Hình 1.3: Điều ki ện t ươ ng h ợp pha ............................................................................. 8 Hình 1.4: Các thi ết b ị phát thông s ố OFC, OPA, OPO và SPDC ............................... 9 Hình 1.5: Ảnh h ưởng c ủa độ l ệch vector sóng lên s ự phát t ần s ố t ổng .................... 15 Hình 1.6: Gi ản đồ bi ểu di ễn v ật li ệu quang phi tuy ến b ậc hai d ưới d ạng đơ n tinh th ể đồng nh ất (a) và v ật li ệu c ực tu ần hoàn (b) v ới tr ục d ươ ng c đảo chi ều theo chu k ỳ Λ ................................................................................................................................... 16 Hình 1.7: So sánh bi ến đổi không gian c ủa biên độ tr ường sóng t ạo thành trong t ươ ng tác phi tuy ến v ới ba điều ki ện t ươ ng h ợp pha khác nhau. ......................................... 16 Hình 1.8: Ví d ụ v ề s ự phát hoà ba b ậc hai ph ản x ạ t ại b ề m ặt c ủa v ật li ệu quang phi tuy ến b ậc hai (a) và v ật li ệu quang phi tuy ến đối xứng tâm (b). .............................. 17 Hình 1.9: S ự t ạo thành sóng hòa ba b ậc hai truy ền qua và ph ản x ạ t ại m ặt phân cách (a) và định ngh ĩa các vector điện, t ừ tr ường cho tr ường h ợp P vuông góc v ới m ặt ph ẳng t ới (b). ............................................................................................................. 19 Hình 1.10: Ph ổ Raman c ủa dung d ịch D-glucose v ới n ồng độ 22% và 50% theo Mathlouthi và Luu ..................................................................................................... 23 Hình 1.11: Ph ổ FT-Raman c ủa dung d ịch α-D-glucose “khô” và “ ướt”theo Joanna Goral .......................................................................................................................... 24 Hình 1.12: Ph ổ FT-Raman c ủa dung d ịch β-D-glucose “khô” và “ ướt”theo Joanna Goral .......................................................................................................................... 25 Hình 1.13: Ph ổ c ường độ t ần s ố t ổng c ủa mode dao động hóa tr ị C-H theo Miyauchi và c ộng s ự. ................................................................................................................. 26 Hình 1.14: Ph ổ FT-IR của D-glucose khô trong vùng CH [2] .................................. 27 ii
8. CHƯƠ NG 2 – TH ỰC NGHI ỆM Hình 2.1: C ấu trúc c ủa Glucose ................................................................................ 30 Hình 2.2: Các đồng phân tu ần hoàn không đối ảnh c ủa D-glucose. ......................... 31 Hình 2.3: C ơ ch ế t ạo m ẫu D-glucose ẩm .................................................................. 33 Hình 2.4: H ệ đo SFG c ủa hãng EKSPLA (Lithuania) đang được đặt t ại B ộ môn Quang lượng t ử, Khoa V ật lý, Tr ường ĐH Khoa h ọc T ự nhiên ........................................... 34 Hình 2.5: Đầu phát laser Nd:YAG mã hi ệu PL 2250 c ủa hãng EKSPLA ................ 35 Hình 2.6: Thi ết k ế quang h ọc bên trong kh ối nhân t ần H500. .................................. 36 Hình 2.7: Giá m ẫu g ắn v ới motor b ước .................................................................... 37 Hình 2.8: S ự t ạo thành tín hi ệu SFG. ........................................................................ 39 Hình 2.9: B ố trí h ệ đo SFG. ...................................................................................... 40 Hình 2.10: Ảnh ch ụp th ực t ế h ệ quang h ọc và bàn đặt m ẫu c ủa phép đo t ần s ố t ổng của D-glucose. ........................................................................................................... 41 CH ƯƠ NG 3 – KẾT QU Ả VÀ TH ẢO LU ẬN Hình 3.1: Gi ản đồ miêu t ả t ổ h ợp các tr ạng thái phân c ực khác nhau c ủa chùm kh ả ki ến (1), chùm h ồng ngo ại (2) và tín hi ệu SFG thu được (3) .................................... 43 Hình 3.2: Ph ổ t ần s ố t ổng c ủa m ẫu D-glucose khô theo b ốn c ấu hình phân c ực khác nhau. .......................................................................................................................... 44 Hình 3.3: Ph ổ Raman c ủa α-D-glucose được thu b ởi Corbett và c ộng s ự [9] .......... 45 Hình 3.4: Ph ổ SFG c ủa m ẫu D-glucose ban đầu theo các n ồng độ n ước thêm vào khác nhau ........................................................................................................................... 46 Hình 3.5: Ph ổ Raman c ủa β-D-glucose thu được b ởi Corbett và c ộng s ự [9]. ......... 47 Hình 3.6: Tính bi ến đổi quay c ủa D-glucose d ưới tác d ụng c ủa n ước. .................... 47 Hình 3.7: Hình chi ếu Newman c ủa α-D-glucose và β-D-glucose được nhìn t ừ C(6) đến C(5) ở d ạng tinh th ể. Nhóm C(6)H2OH l ần l ượt có c ấu hình là gt và gg [13]. . 48 Hình 3.8: Đồ th ị d ựng l ại ph ổ Raman c ủa α-D-glucose và β-D-glucose t ừ k ết qu ả nghiên c ứu c ủa Corbett và c ộng s ự [9] ..................................................................... 49 Hình 3.9: Ph ổ SFG c ủa m ẫu D-glucose thêm n ước và sau khi được s ấy khô .......... 50 iii
9. PH Ụ L ỤC 3: DANH M ỤC B ẢNG BI ỂU CHƯƠ NG 1 – CƠ S Ở LÝ THUY ẾT Bảng 1.1: Các đỉnh dao động c ủa D-glucose khô trong vùng CH [2] ...................... 28 CH ƯƠ NG 2 – TH ỰC NGHI ỆM Bảng 2.1: Các thông s ố đặc tr ưng c ủa PMT ............................................................. 37 CH ƯƠ NG 3 – KẾT QU Ả VÀ TH ẢO LU ẬN Bảng 3.1: Các mode dao động c ủa D-glucose khô trong vùng CH .......................... 45 Bảng 3.2: Các mode dao động c ủa D-glucose ướt trong vùng CH ........................... 49 iv
10. Lu ận v ăn th ạc s ĩ khoa h ọc MỞ ĐẦU Ngày nay, sự phát tri ển không ng ừng của công ngh ệ sinh h ọc và khoa h ọc v ật li ệu yêu c ầu ph ải có nh ững công c ụ và thi ết b ị m ới để s ử d ụng cho vi ệc phân tích. Trong b ối c ảnh đó, hi ệu ứng phát t ần s ố t ổng (SFG) quang h ọc bậc hai được quan tâm r ất nhi ều vì nh ững ưu điểm v ượt tr ội nh ư độ nh ạy đơ n lớp nguyên t ử, tính định hướng cao so v ới ph ươ ng pháp ph ổ dao động quang h ọc b ậc m ột FT-IR ho ặc Raman [3,4]. SFG th ực ch ất là hi ệu ứng quang h ọc phi tuy ến b ậc hai có đặc điểm b ị c ấm ở các v ật li ệu có c ấu trúc đối x ứng tâm và phát r ất m ạnh trong các c ấu trúc đối x ứng tâm b ị phá v ỡ nh ư b ề m ặt, giao di ện c ủa v ật li ệu ho ặc các c ấu trúc có tính chirality (đối x ứng bàn tay) [3]. Kỹ thu ật SFG đã được ứng d ụng thành công để nghiên c ứu các c ấu trúc dao động b ề m ặt và động h ọc trên các b ề m ặt giao di ện khác nhau. Các mode dao động ho ạt động b ề m ặt c ủa các phân t ử t ại m ặt phân cách c ộng h ưởng v ới tín hi ệu SFG khi s ự định h ướng phân c ực c ủa các tia laser b ơm phù hợp v ới s ự định hướng c ủa mode dao động phân t ử. Vì v ậy, ta có th ể thu được thông tin v ề s ự định hướng, s ắp x ếp c ủa các phân t ử t ại b ề m ặt giao di ện đó [4]. Các phân t ử h ữu c ơ th ường có c ấu trúc chirality, vì v ậy SFG là công c ụ r ất h ữu dụng trong vi ệc nghiên c ứu c ấu trúc, tính ch ất quang c ủa các phân t ử h ữu c ơ [3,4]. Năm 2006, Miyauchi và đồng nghi ệp đã s ử d ụng kính hi ển vi v ới k ỹ thu ật SFG để quan sát m ột cây th ủy sinh Chara fibrosa [6]. Các tác gi ả đã so sánh ph ổ SFG c ủa Chara fibrosa v ới ph ổ SFG c ủa các saccharide tinh khi ết nh ư amylopectin, amylose, glucose và β-cyclodextrin và phát hi ện ra r ằng amylopectin là thành ph ần chính trong nh ụy c ủa Chara fibrosa. K ết qu ả của nghiên c ứu này đã ch ứng minh kh ả năng ứng dụng c ủa SFG trong vi ệc nghiên c ứu các phân t ử hữu c ơ. Đối t ượng nghiên c ứu được đề cập đến trong lu ận v ăn là D-glucose. Đây là m ột carbohydrate quan tr ọng b ậc nh ất trong t ự nhiên v ề mặt sinh h ọc, được hấp th ụ tr ực ti ếp vào máu thông qua quá trình tiêu hoá. Glucose được s ử d ụng nh ư là ngu ồn cung cấp năng l ượng và trung gian trao đổi ch ất cho các t ế bào và là m ột trong nh ững s ản ph ẩm chính c ủa quá trình quang h ợp và nhiên li ệu cho quá trình hô h ấp t ế bào. Do vai trò đặc bi ệt nh ư v ậy nên nhi ều nghiên c ứu v ề Glucose đã được th ực hi ện. Tuy Quách Trung Đông 1 Chuyên ngành Quang học