Лазерна спектроскопія розсіювання та її можливе використання

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

НАУКОВО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Кафедра технологічної експертизи харчових продуктів

РЕФЕРАТ

з дисципліни «Фізичні методи неруйнівної оцінки якості харчових продуктів»

на тему «Лазерна спектроскопія розсіювання та її можливе використання»

КИЇВ - 2019

ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. Лазерна спектроскопія. Нові принципи

1.1. Позарезонаторна лазерна спектроскопія

1.2. Нелінійна лазерна спектроскопія

РОЗДІЛ 2. Спектроскопія комбінаційного розсіювання світла

2.1. Основні методи лазерної спектроскопії

ВИСНОВОК

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Лазерна спектроскопія - сукупність спектральних методів у видимій та ІЧ-областях спектра, заснованих на застосуванні лазерних джерел випромінювання. Використання лазерів, випромінювання яких брало володіє високою інтенсивністю, монохроматичністю і малої расходимостью пучка, різко підвищило можливості традиційних методів спектроскопії. Крім того, застосування лазерів дозволило створити методи, засновані на принципово нових фізичних принципах, істотно змінилася і фізична техніка.

Роздільна здатність оптичної спектроскопії зросла більш ніж в мільйон разів, чутливість доведена до граничного рівня, обмеженого реєстрацією одиничних атомів або молекул, з'явилася можливість досліджувати релаксаційні процеси в конденсованих середовищах, що відбуваються протягом 10-12; 10-14с, і проводити дистанційний спектральний аналіз на великих відстанях до об'єкта. Застосування методів лазерної спектроскопії виходить за рамки чисто аналітичних, вони використовуються в фізичній оптиці, лазерному поділі ізотопів і лазерної хімії, при створенні оптичних стандартів частоти і т. д.

РОЗДІЛ 1. Лазерна спектроскопія

Нові принципи лазерної спектроскопії:

При взаємодії з речовиною лазерного випромінювання, завдяки його високій інтенсивності і монохроматичности, в середовищі виникають різноманітні нелінійні явища. Найбільш простий і важливий нелінійний процес пов'язаний з виникненням насичення населенностей рівнів енергії системи за рахунок вимушених переходів, має місце в основному для частинок, резонансно взаємодіючих з полем.

При неоднорідному розширенні спектральної лінії ефекти насичення призводять до виникнення нерівноважного розподілу часток на рівнях. Воно може бути зареєстровано за допомогою пробного поля, частота якого плавно змінюється. В результаті лінія поглинання пробного сигналу містить різкі структури з однорідною шириною. На цьому ефекті заснована лазерна спектроскопія насиченого поглинання. Тобто однорідна ширина лінії може бути на багато порядків вже неоднорідною ширини, то використання цього методу дозволило різко підвищити роздільну здатність спектроскопії.

Один з нелінійних процесів, використовуваних в лазерній спектроскопії, обумовлений нелінійної сприйнятливістю середовища, що призводить до появи поляризації в середовищі на гармоніках випромінювання. При взаємодії випромінювання на декількох частотах виникає поляризація на сумарною, разностной і комбінаційних частотах. При багатофотонних процесах резонансні особливості виникають, коли сума частот поглиненого фотона дорівнює частоті переходу між реальними рівнями. Завдяки високій інтенсивності світла стало можливим спостереження разл. нелінійних процесів розсіювання світла. Особливо велику роль почало відігравати вимушене розсіювання світла, напр. вимушене комбінаційне розсіювання, Мандельштама - Бріллюена розсіяння та ін. процеси нелінійного розсіювання пояснюються чотирифотонними процесами лазерної спектроскопії заснованної на використанні нелінійних процесів.

Монохроматичність лазерного випромінювання і виборчий характер взаємодії випромінювання з частинками забезпечують сильно виражену селективність збудження в речовина певних квантових станів частинок, відповідних резонансних умов їх взаємодії з полем випромінювання. Зміна розподілу внутр. станів поглинає системи під впливом одного інтенсивного когерентного монохроматічен. випромінювання впливає на її отклпк на поле ін. випромінювання. Цей метод дослідження середовища зв. спектроскопией подвійного резонансу. При великій інтенсивності падаючого випромінювання забезпечується більша щільність збуджених станів в речовині. Це дало можливість приступити до широкомасштабного дослідження фіз - хім. властивостей збуджених часток і детальному вивченню релаксаційних процесів (використовуючи ультракороткі імпульси збудливого лазерного випромінювання) атомів і молекул. Когерентність лазерного випромінювання застосовується для дослідження разл. нестаціонарних когерентних процесів в мікрохвильовій області.

Фокусуючи лазерне випромінювання, можна робити спектральний аналіз мікрокількостей речовини, локалізованих в малих (до 10-10 см³) обсягах. За допомогою імпульсів безперервного когерентного випромінювання досліджується комбінаційний і резонансне розсіювання атомів і молекул, а також порушується флуоресценція на великих відстанях від джерела, що дає можливість дистанційного аналізу атомного або молекулярного складу досліджуваного об'єкта.

Отже, унікальні характеристики лазерного випромінювання:

1. Лазерні джерела забезпечують рекордну спектральну яскравість і вузькосмуговість випромінювання.

2. Їх випромінювання має надзвичайно високу спрямованість.

3. Тривалість лазерного випромінювання можна змінювати в широких межах - від неперервного до фемтосекундного.

4. Довжину хвилі випромінювання лазера вдається перебудувати в широких межах, перекриваючи практично весь видимий діапазон, частково ультрафіолетовий і інфрачервоний.

Як відомо дослідження зводяться до одержання наступних характеристик:

1) коефіцієнта поглинання (або підсилення) досліджуваного середовища за допомогою пробного випромінювання різної довжини хвилі;

2) інтенсивності висвячування в залежності від довжини хвилі при тому чи іншому способі збудження;

3) інтенсивності, діаграми спрямованості і довжини хвилі розсіяного середовищем випромінювання.

1.1. Позарезонаторна лазерна спектроскопія

Внаслідок унікальних властивостей лазерних джерел суттєво підвищені спектральна роздільна здатність і чутливість спектроскопічних методів. Це дозволило відмовитись від традиційних спектральних приладів типу спектрографів, оскільки застосування лазера з дисперсним резонатором дає можливість фіксувати довжину хвилі генерації і звужувати спектр випромінювання до одно частотного. При цьому отримуємо джерело випромінювання з наперед заданою довжиною хвилі, величину якої можна змінювати. В результаті, змінюючи інтенсивність випромінювання, яке пройшло через досліджуваний об'єкт і співставляючи її з інтенсивністю на вході, реєструємо спектр пропускання об'єкту з високою спектральною і часовою роздільною здатністю. На цьому принципі побудовані і працюють лазерні спектрометри. Чутливість таких спектрометрів суттєво вища. ніж у спектрометрів, які використовують інший тип джерел випромінювання.

Причина такої чутливості - можливість багатократного пропускання лазерного випромінювання через об'єкт в силу малої розбіжності лазерного променя. При цьому ефективна оптична довжина шляху зростає, що дозволяє реєструвати слабкі смуги поглинання або підсилення.

Розглянемо можливості експресної спектроскопії з використанням лазерних джерел випромінювання. В попередніх лекціях були розглянуті характеристики свіп-лазерів. Було показано, що їх випромінювання є послідовністю імпульсів, кожний з яких випромінюється на своїй, строго визначеній довжині хвилі. Якщо таке випромінювання спрямувати через досліджуваний об'єкт зі смугою поглинання або підсилювання. то на виході амплітуда імпульсів буде промодульована у відповідності з коефіцієнтом поглинання або підсилення. Отже, взявши відношення амплітуд відповідних імпульсів на виході досліджуваного об'єкту і на вході в нього, відразу отримаємо форму смуги пропускання досліджуваного середовища. При цьому не потрібне застосування спектроаналізуючої апаратури.

Треба відзначити застосування лазера як джерела збудження при люмінесцентних дослідженнях, особливо середовищ з неоднорідно-уширеними смугами люмінесценції. В цьому випадку, внаслідок вузькості спектра лазерного випромінювання збуджується мала частка люмінесцюючих центрів, яка не захоплює всієї неоднорідно-уширеної смуги.

1.2. Нелінійна лазерна спектроскопія

Поява лазерних джерел випромінювання обумовила розвиток нового напрямку спектроскопії - нелінійної спектроскопії. Внаслідок високої потужності випромінювання можна реалізувати всі типи вимушеного розсіювання, спонтанні аналоги яких досліджувалися протягом тривалого часу і вимагали особливо чутливої апаратури і високої експериментальної майстерності. Вимушене і спонтанне розсіювання в теперішній час широко застосовується, наприклад, для контролю забрудненості атмосфери.

Найбільш перспективним методом діагностики атмосфери і гідросфери, що інтенсивно розвивається. є дистанційна спектроскопія комбінаційного розсіювання (КР) світла. В основу методі закладено прийоми кількісного спектрального аналізу на базі ефекту спонтанного КР, а зондування контрольованої області. наприклад атмосфери і реєстрації його результатів. будуються на принципах локації. Народження дистанційної КР-спектроскопії - стало можливим тільки завдяки створенню потужних імпульсних лазерів і удосконаленню апаратури реєстрації слабких світлових сигналів.

Явище КР світла полягає в тому, що при взаємодії фотонів з речовиною в спектрі розсіяного випромінювання, окрім фотонів збуджуючого випромінювання з частотою V₀, виникають фотони з частотами V₀ ±V_? , де V_? - частоти внутрішньо молекулярних (власних) або обертальних коливань досліджуваної речовини.

Просту модель ефекту можна представити як недружнє зіткнення фотона з молекулою. Згідно з законами збереження енергії, якщо при такому зіткненні молекула збуджується за рахунок „частини енергії фотона”. то в спектрі розсіювання виникає випромінювання на різницевій частоті, яка називається стоксовою V_c = (V₀ ?V_?) . Коли ж в результаті зіткнення молекула „віддає енергію фотону”, то в спектрі розсіювання виникає сумарна частота, яка називається антистоксовою

V_a = (V₀ +V_?)

При термодинамічній рівновазі молекул в нормальному стані більше, ніж збуджених в exp(hV / kT) разів. В результаті інтенсивність стокового розсіювання в стільки ж разів більша антистоксового. Тому при проведенні КР-спектрального аналізу, як правило, використовується стоксове випромінювання.

Надзвичайно важливою є обставина, що при збудженні молекули випромінювання, яке виникає на частотах V_c і V_a в розсіяному світлі, строго характерне для даної речовини і повністю визначається атомною будовою молекул. На відміну від поглинання (фотон всю енергію передає молекулі) або люмінесценції (фотон народжується в результаті переходу молекул зі збудженого стану в нормальний) комбінаційне розсіювання є нерезонансним ефектом і тому ймовірність його реалізації, а отже, інтенсивність на декілька порядків слабша поглинання або випромінювання. В той же час, завдяки КР. Що має нерезонансний характер, спектр КР досліджуваної молекули можна отримати в будь-якому зручному для експерименту спектральному діапазоні.

Однією з переваг цього методу є можливість виявити присутність різних газів за допомогою лазера, який працює на фіксованій частоті випромінювання. При цьому джерело і приймач випромінювання територіально можуть бути сполучені, що робить таку схему дуже зручною. За допомогою відповідних принципів локації методом дистанційної КР-спектроскопії можна, порівняно легко, визначити область локалізації, напрямок і швидкість розповсюдження атмосферних забруднень. Спектральне розташування ліній V_c і V_a КР забезпечує вибірковість методу і незалежність вимірів від стану атмосфери. Абсолютна концентрація кожної з забруднюючих речовин визначається шляхом порівняння в них інтенсивностей ліній КР з еталонними лініями азоту чи кисню. Для цього необхідно знати ефективний переріз КР-розсіювання молекул на характерних коливання і його залежність від ряду причин: частоти збуджувального світла, агрегатного стану, температури і т.п.

Просторова роздільна здатність, яка визначається тривалістю лазерного імпульсу, тепер доведена до 5 - 10м. Вимірюючи відношення інтенсивностей стоксової та антистоксової компонент, можна визначити також температуру як забруднюючої хмари, так і взагалі фондованого району.

РОЗДІЛ 2. Спектроскопія комбінаційного розсіювання світла

Спектроскопія комбінаційного розсіювання світла є ефективним методом дослідження будови молекул. Спектри комбінаційного розсіювання світла дозволяють проводити якісний і кількісний аналіз речовини, ідентифікувати хімічні сполуки, виявляти їх у сумішах тощо. Молекулярні спектри є однозначною характеристикою молекули і визначаються властивостями самої молекули та атомів, які входять до молекули. Іноді спектроскопія комбінаційного розсіювання світла є єдиним джерелом інформації про заборонені переходи в молекулах і дозволяє розрізняти просторові ізомери молекул, тобто розрізняти цис- і транс-ізомери.

Обертальні спектри комбінаційного розсіювання світла дозволяють визначати довжину зв'язків і валентні кути в молекулах досліджуваних речовин. Методи спектроскопії комбінаційного розсіювання світла та ІЧ-спектроскопії доповнюють, а не повторюють один одного, оскільки визначаються різними правилами відбору переходів. Спільне вивчення цих спектрів дасть набагато більше структурної інформації, ніж кожного спектра окремо. Спектроскопія комбінаційного розсіювання світла дозволяє визначити сукупність частот нормальних коливань молекули. У рамках квантової теорії взаємодії випромінювання з речовиною акт розсіювання світла розглядається як поглинання часткою речовини падаючого фотона з енергією hV з наступним випромінюванням фотона з енергією hV'.

При розсіюванні світла молекулами поряд з пружним (релеївським) розсіюванням (V'=V) у спектрі з'являються лінії, які відповідають непружному розсіюванню з частотами V'?V, причому частоти нових ліній у спектрі розсіювання є комбінаціями частоти падаючого світла (V) і частот коливальних і обертальних переходів молекул, що розсіюють (звідси походить термін «комбінаційне розсіювання»). Якщо V_i -- частота одного з коливальних рівнів молекули у спектрі комбінаційного розсіювання світла, то лінію, яка відповідає основній частоті падаючого випромінювання (V), оточують два сателіти: стоксовий (або «червоний») з частотою V -- V_i і антистоксовий (або «фіолетовий») з частотою V + V_i. Інтенсивність антистоксових сателітів значно менша, ніж стоксових, що пов'язано із заселеністю відповідних коливальних рівнів молекули. Причому хоча частоти розсіяного випромінювання й залежать від частоти падаючого світла, але різниця між ними є індивідуальною характеристикою речовини і не залежить від частоти збуджувального випромінювання. Зазвичай частоти у спектрі комбінаційного розсіювання світла відповідають частотам коливальних і коливально-обертальних рухів у молекулі (100-4000 см ^-1), тобто лежать в ІЧ-діапазоні.

2.1. Основні методи лазерної спектроскопії

Спектроскопія надвисокої роздільної здатності газів (спектроскопія бездоплеровского розширення)

Роздільна здатність методів лазерної спектроскопії як і звичайних методів, визначається шириною спектральних ліній.

У газі при низькому тиску вона обмежена доплеровским розширенням лінії, які виникають внаслідок хаотичний. теплового руху атомів і молекул. Нелінійні методи дозволили усунути вплив доплерівського розширення і отримувати вузькі лінії з однорідною шириною на багато порядків менше доплеровской ширини. Отримано резонансні лінії шириною 500 Гц, що відповідає відносить. роздільної здатності 5-ю ~ ¹² . В основі нелінійної лазерної спектроскопії надвисокої роздільної здатності лежать методи, к-які дозволяють отримувати резонанси в центрі лінії: метод насиченого поглинання, метод двухфотонная резонансів при поглинанні і метод рознесених оптич. полів. Гранична ширина резонансу обмежується часом взаємодії часток з полем, можливістю виявлення резонансів.

Мал.1. Спектри поглинання метану, отримані з різним дозволом: а - лінійчатий спектр поглинання лінії Р (7) смуги; б - нелінійний резонанс в поглинанні на Г ⁽²⁾ - компоненті метану; в - магнітна надтонка структура і дублети віддачі на Г₂ ⁽²⁾ -компонента метану.

Спектроскопія розсіювання світла включає широке коло традиційних питань спектроскопії Релеяського (РР) і комбінаційного (КР) розсіювання світла, а також нових напрямків нелінійної спектроскопії розсіювання. Застосування лазерів істотно розширило можливості спектроскопії релєєвського розсіювання насамперед за рахунок детального вивчення форми лінія розсіювання на флуктуаціях щільності, темп-ри та ін., А також на сфазіровать лазерними пучками неоднозначних-народностей середовища.

Гетеродинні методи дослідження форми ліній розсіювання привели до розробки важливого в практич. відношенні доплерівського методу вимірювання швидкостей потоків рідин і газів. У спектроскопії КР була на дек. порядків підвищена чутливість, що дозволило знімати спектри КР в газах низького тиску, і помітно знижений хв. кількість речовини, необхідна для проведення аналізів. Найбільш важливі напрямки нелінійної спектроскопії розсіювання світла пов'язані з методами активної лазерної спектроскопіїКР, напр. антистоксових і стоксова спектроскопії вимушеного розсіювання Мандельштама - Бріллюена. Завдяки методам нелінійної спектроскопії розсіювання була отримана інформація, недоступна традиційним методам. Напр., Була розвинена спектроскопія надвисокої роздільної здатності КР в газах і кріогенних рідинах, розвинені методи КР молекул, адсорбованих на поверхні, та ін., Істотно розширені можливості оптич. досліджень напівпровідників і кристалів (рис. 2).

Мал. 2. Спектри комбінаційного розсіювання світла кристала CaCO₃ , отримані за допомогою різних методів лазерної спектроскопії:

1 - спектроскопії спонтанного комбінаційного розсіювання світла; 2, 3 - активної лазерної спектроскопії (отримані при різних орієнтаціях векторів поляризації взаємодіючих хвиль); I - інтенсивність, комбінаційна частота.

За допомогою спектроскопії надвисокої роздільної здатності були спостережено і досліджені ефект віддачі в оптиці (рис. 1), нелінійна залежність зіткнень розширенні спектральних ліній і їх зсуву, аномальний ефект Зеемана на колебательно-обертальних переходах, квадратичний ефект Доплера і ін. Надвузьких резонанси використовуються для постановки прецизійних фіз. експериментів, на їх основі створюються оптич. стандарти частоти з відносить. нестабільністю пр. 10 -14. Нові можливості в лазерній спектрокопії надвисокої роздільної здатності очікуються при використанні "холодних" частинок. Застосування "холодних" частинок дозволяє істотно збільшити час взаємодії частинок з полем і отримати тому гранично вузькі резонанси. При цьому послаблюється вплив лінійного і квадратичного ефектів Доплера на зрушення і розширення резонансів.

ВИСНОВОК

Спектри ІЧ- і комбінаційного розсіювання світла доповнюють один одного, але спектроскопія комбінаційного розсіювання світла має такі переваги: по-перше, вимірювання виконується у видимій ділянці, що вимагає використання більш простої вимірювальної апаратури; по-друге, ці спектри є більш стабільними та активними при тих частотах, на яких ІЧ-спектр не виявляється (і навпаки); по-третє, експериментальні можливості методу спектроскопії комбінаційного розсіювання світла не залежать від діапазону частот досліджуваної смуги, в той час як в ІЧ-спектрах розрізнення спектральних ліній значно знижується зі зниженням частоти.

До недоліків спектроскопія комбінаційного розсіювання світла слід віднести низьку інтенсивність ліній, яка залежить від частоти збуджувального випромінювання, а також наявність суцільного фону, зумовленого розсіюванням на неоднорідностях середовища і можливістю флуоресценції досліджуваної речовини. Ці труднощі зводяться до мінімуму шляхом вибору підходящої лінії газового лазера. Завдяки використанню як джерела світла лазера значно розширюється коло досліджуваних об'єктів і різко скорочуються вимоги до кількості досліджуваної речовини.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Спектроскопия комбинационного рассеяния света в газах и жидкостях / Под ред. А. Вебера. -- М., 1982; Применение спектроскопии комбинационного рассеяния в химии. -- М., 1984.

2. Летохов В. С., Чеботаєв В. П., Принципи нелінійної лазерної спектроскопії, М., 1915; Ахманов С. А., Коротєєв Н.І., Методи нелінійної оптики в спектроскопії розсіювання світла, М., 1981; Надкороткі світлові імпульси, під ред. С. Шапіро, пров. з англ., М., 1981.

3. http://apd.ipt.kpi.ua/downloads/file/173/kvantova-elektronika-lekcija-13---lazerna-spektroskopija

4. https://www.pharmencyclopedia.com.ua/article/595/spektroskopiya-kombinacijnogo-rozsiyuvannya-svitla

5. http://femto.com.ua/articles/part_1/1896.html

Размещено на Allbest.ru