紫外激光光化學反應儀與在線檢測系統
點擊次數：2916 更新時間：2023-07-04
化學是創造新物質的科學，合成化學是人類認識物質和創造物質的重要途徑與手段。隨著各種高新技術和產業的發展，人類對物質的功能不斷提出新的要求，合成化學的突破和新物種的出現將大地推動科學發展和社會進步。
傳統的化學是分子處于基態發生的化學，而光化學是研究分子和原子電子激發態的化學，它所涉及光的波長范圍通常為100—1000納米，即由深紫外至近紅外波段。激發態分子的電子轉移、能量傳遞和化學轉換廣泛存在于多種光化學、光物理和光生物過程中，電子激發態分子的性質和化學反應機理、動力學過程往往與基態分子不同，研究激發態分子的性質和變化規律具有重要的科學意義和應用價值。隨著光化學理論的建立和光化學研究技術的發展，近紫外和可見光區的光化學和光物理研究得到快速發展，光化學在合成化學、材料科學、信息科學、能源科學、生命科學以及環境科學等領域發揮了很大作用。但由于缺乏光源，有關深紫外區域的光化學研究工作開展得少。
只有吸收光的分子才能發生光化學反應，這是光化學Dyi定律。迄今為止，化學家們已合成3000多萬個化合物，其中在紫外和可見光區有吸收的化合物不到總量的10%，這些化合物的光化學已被研究的比較清楚，相關研究為現代分子光化學理論的建立提供了實驗基礎，并使光化學在各研究領域得以發展和應用。更多的化合物吸收在深紫外區，由于缺乏相應的光源，這些占合成化合物總量約90%化合物的光化學研究尚不多見。深紫外激光光源的發展，為只在深紫外區域有吸收的大量化合物的光化學研究提供了可能。利用深紫外激光激發這些化合物，將有可能對其激發態的光物理和光化學過程進行觀察，發現新的反應，創造新的物質，發展新的理論，
基于此，在2007年設立的“深紫外固態激光源前沿裝備研制”項目中，由中科院理化技術所牽頭，利用具有自主知識產權的深紫外激光光源技術，開展了“深紫外激光光化學反應儀與在線檢測系統研制”的工作。
2 裝置綜述
該項目的目標是研制一套深紫外激光光化學反應儀與在線檢測系統，使用自主研制的深紫外激光光源，將深紫外激光光源與快速時間分辨技術相結合，實現對深紫外激光光化學反應的研究，并對反應中間體及反應動力學過程進行快速時間分辨檢測，時間分辨可達ps量J。
該裝置有4個部分：光化學反應腔及特殊樣品池；穩態光化學反應檢測子系統；時間分辨發光光譜檢測子系統；瞬態吸收光譜檢測子系統。
(1)光化學反應腔及特殊樣品池。痕量的氧氣或水蒸氣對深紫外光的吸收和衰減影響明顯，深紫外光的傳輸和光化學反應在高真空或高純氮氣保護氣氛下進行，對真空腔和樣品池的密閉性和壓力承受方面的設計要求比較高。根據系統要求，委托在真空領域具有豐富經驗的北京中科科儀技術發展有限責任公司進行了真空腔的設計和加工。另外，根據系統真空度的要求，并結合腔體的大小，采用了德國普發MVP070隔膜泵作為前J，與TMU261和Hicube80分子泵一起構成二J真空系統，分別對深紫外腔體和光化學反應腔體進行抽真空處理，30分鐘內，可使體系的真空度達到10-5mbar以下。
液體樣品池的密封效果直接關系到實驗測試的可行性，因為密封不好導致的液體溢出將會污染整個腔體，對整個測試體系帶來不利影響。經過多次試驗發現單層密封圈的密封效果很難實現真空度達到10-5mbar以下的要求，通過與技術單位的多次溝通，設計和加工了具有多層密封的樣品池，可以實現高真空條件下的液體密封。
樣品測試過程中要求樣品池處于轉動狀態，以保證樣品測試過程中的均勻性，通常樣品的轉動可以采用聯桿傳動和皮帶傳動兩種形式，考慮到聯桿傳動需要通過真空腔體，會對真空腔的密封效果產生不利影響，而且聯桿傳動設計相對復雜。皮帶傳動則比較簡單，只需真空電機通過皮帶帶動樣品池轉動，因此選擇合適的真空電機是皮帶傳動的關鍵。通過比較，Z終選擇了德國進口的FAULHABER真空直流微電機，實現了樣品池的轉速可調(0—100轉/分鐘)。
(2)穩態光化學反應檢測子系統。該子系統主要包括穩態反應樣品池和用于樣品檢測分析的高分辨色質聯用分析儀(LC-TOF)。穩態光化學反應只要求深紫外光照射到樣品上，不需光路透過樣品池，其材料采用聚四氟乙烯，主要是因為聚四氟乙烯材料便于樣品的密封，同時易于加工，還定制了中心帶有不同大小和不同厚度凹槽的樣品池，便于將有機樣品密封于該凹槽中進行深紫外光照反應。
色7質聯用儀用于對深紫外光化學反應產物進行檢測，需要配備具有自動進樣系統、柱溫可控液相色譜及分辨率高、分子質量范圍大、定性分析性能良好的質譜。經過深入調研，選擇使用了Waters公司生產的質量J確度高、具有很好定性分析能力的Alliance2695/LCT Premier XE高效液相色譜/飛行時間質譜聯用儀。
(3)時間分辨發光光譜檢測子系統。穩態發光光譜檢測是時間分辨發光光譜檢測的基礎，該子系統設計并搭建了基于深紫外激光激發的穩態發光光譜檢測光路和檢測系統，通過選擇合適樣品，以177.3nm脈沖激光為激發光源，利用光纖光譜儀來檢測化合物的穩態發光。通過篩選，選擇了具有聚集熒光增強性質的四苯基乙烯衍生物作為樣品，實現了以177.3nm激光為激發光源的穩態發光光譜的檢測。
在時間分辨發光光譜檢測方面，采用條紋相機作為檢測器來實現時間分辨發光光譜的檢測。將條紋相機和光譜儀對接，在觸發掃描模式下，利用皮秒激光作為光源，測試得到時間分辨發光光譜檢系統的時間分辨率為35ps,優于100ps的項目指標。
光譜分辨率代表了光譜儀對精細光譜結構的分辨能力，主要取決于檢測系統中分光設備的色散能力和CCD的成像質量。以具有分立譜線的汞燈作為光源，利用光譜儀對汞燈譜線進行掃描，所得譜線的半峰寬即為光譜分辨率。通過汞燈檢測得到的系統在不同波長下的光譜分辨率達到0.3nm以下，優于項目指標值1nm。
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