Luận văn 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)

Nội dung tài liệu: Luận văn 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)

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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 i
5. 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 ii
6. 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 iii
7. 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, ω1 là tần số chùm khả kiến cố định, ω2 là tần số chùm hồng ngoại có bước sóng điều chỉnh được, ωSFG 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 -CH2 và -CH3 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 iv
8. 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 -1 -1 cm ÷ 3600 cm , 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. v
9. 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 -1 -1 =12, dải hồng ngoại từ 2800 cm ÷ 3600cm (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). vi
10. 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 vii