激光在研究化学中的几点应用课件.ppt
2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),1,激光在分析化学中的几点应用材料科学与工程系 师国胜04300023,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),2,激光在分析化学方面的应用大体上可归为两类： 1.作为光源来用 2.作为热源来用,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),3,一、光源1.吸收光谱2.光雷达技术3.微微秒光谱二、热源1.微区分析2.原子化技术3.激光裂解色谱 结语,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),4,1.吸收光谱 研究原子或分子的气体、液体和固体的光学吸收光谱是广泛采用的分析技术。激光出现后，立即开始用激光器来代替记录吸收光谱时惯用的各种光源和单色器。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),5,最早是用第一种气体激光器He-He激光器的波长为3.39微米的高增益红外线来研究若干烃类分子的C- H键深振动吸收带。,Analytical Chemistry,He-He激光器,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),6,接着用氩激光器的波长为 2.7 微米线来 研究O-H的键伸振动。用激光器测定多原子的吸收系数、吸收线的绝对波长、谱线的轮廓的精细结构等方面的工作也相继出现。,Analytical Chemistry,氩激光器,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),7,1968年取得了能够测出数量级数为 的吸收系数的成就。 1970年Bradley等人已经将性能很好的染料激光器用于原子吸收光谱。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),8,红外波长连续可调的激光器还被用来检测环境污染的浓度。由于它的很窄的光谱宽度内有很高的光能流，所以只要与振动线匹配上，就会造成很强的吸收，在1米长 的光 路 上 可 检 测出1ppb污染物的吸收。,Analytical Chemistry,红外波长连续可调的激光器,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),9,2.光雷达技术 光雷达又称激光雷达，意为激光探测和测距。它的基本原理与无线电雷达相同。也属主动式辐射传感系统。很早就有人提出过光雷达原理，限于技术条件一直无法实现。激光的方向性强、单色性好，为发展光雷达技术提供基本条件。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),10,九十年代人们关心地球环境的变化，特别需要了解大气成分的变化，把光雷达技术作为探测大气的重要信息获取手段。其原理就是利用激光光束的背向散射光谱检 测 大气中某些组分的浓度。,Analytical Chemistry,大气探测光雷达,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),11,这种装置不但能够检测任何一个方向上的被测组分的浓度，而且根据激光脉冲与接受到的散射光脉冲之间的时间间隔还可以知道该组分与装置之间的距离。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),12,这种装置不用取样就能同时定出某区间内多种组分的浓度，而且固定在一个地点就能测出几公里范围内的分布情况，所以，在大气污染的检测方面是很活跃的，经常检测的组分有:,Analytical Chemistry,车载激光雷达,SO2,NO2,CO2,CO，H2，NO,H2S,C3H4,CH4，H2O等，所达到的浓度灵敏度在一公里内为23ppm左右。,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),13,光雷达技术除了用于大气污染组分的检测外，还可以根据某些矿藏造成附近大气中有关分子浓度增加的现象来探矿，以及根据海洋中生物活动造成I2蒸汽现象来研究生态过程等等。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),14,还有一些工作是与气象和地球物理方面的需要有关的，有人用脉冲染料激光器，测定了大气中钠元素的丰度和分布，灵敏度可达1000个原子/立方厘米。,Analytical Chemistry,这些数据对于研究大气中钠的来源、研究有关的化学过程和传输机理都是非常有用的。,脉冲染料激光器,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),15,对于其他的原子、离子和分子也进行了研究，对于OH自由基的研究尤其引起人们的重视，因为它是地球上CO转换成CO2的一个控制因素，对OH的检测可低至0.1ppm。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),16,光雷达技术的局限性在于自然光线的干扰，以及散射光过弱，这也使得灵敏度难于进一步提高。不过使用非色散型接受装置可能会改善这一状况。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),17,微微秒光谱仪,3.微微秒光谱 微微秒激光光谱是在“闪光光谱”方法的基础上发展起来的。时间分解的闪光光谱，成了宏观化学动力学和微观化学动力学之间的桥梁。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),18,我们可用“闪光”引发一个反应，并记录引发反应后很短时间内的反应系统的光谱。目前发展起来的激光激发光谱技术，则已得到了很多分子和自由基的精细光谱，这是对分子光谱研究的重大贡献。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),19,超短脉冲可以造成光分解产物，从而探讨光分解的过程和分解产物的能态。超短脉冲还可用来测定激发态的寿命和瞬间有机分子的寿命。它的高强度特性刺激着非线性光学领域的进展，例如双光子吸收和受激喇曼效应等等。,Analytical Chemistry,超短脉冲激光器,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),20,1微区分析 激光的高强度和高度方向性。使它可用蒸发样品的微小区域，实现所谓微区分析。激光微区探针，1962年Brech首次应用。,Analytical Chemistry,其方法就是先用光学显微镜选好样品的微小部位（10-500微米），然后用激光照射，试料吸收激光的能量加热蒸发，被蒸发的气体再用辅助电极继续激发发光。谱线强度和试样中元素的浓度成正比。,微区分析仪,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),21,该法的优点是： （1）一次发光，Li-U 68个元素都能分析出，一次照射时间只须15秒，因此短时间内可处理多个样品，以及进行样品中多处地方的分析。 （2）试料灰化，电极加工，研磨及碳蒸发等前处理的工作可以不要。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),22,（3）试样损伤少，可用于成品的检验。极端凹凸不平的表面也可以进行分析。不含于表面的杂质也可探测出来。 （4）除金属及合金外，陶器、磁器、水泥制品、矿石等皆可。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),23,（5）基体效应小。 （6）一般的式样在空气中也可进行，操作方便，也易于选择样品中分析的部位。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),24,2原子化技术 在原子吸收光谱中可用激光来将固体样品直接蒸发，这样可以免除样品处理方面的很多麻烦。更为重要的是，用激光蒸发样品，可以方便的选择样品的特定部位进行分析。,Analytical Chemistry,激光蒸发仪,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),25,为了避免金属在空气中氧化，被测式样可放在惰性气体中，用激光光束去照射。这种技术在分析航空和空间技术领域中使用的难熔金属合金时是非常有用的。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),26,近年来苏联人将激光激发器用于分析岩石及各种激光玻璃中的铜,银,锰和锌。用以脉冲电流的空心阴极灯作背景光源，这样他们的发射谱线强度可分别增加130、100、50、30倍，降低了检测极限。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),27,3.激光裂解色谱 裂解气相色谱是把样品裂解后进行气相色谱分析的一种技术。这个方法最初用于剖析不挥发性的有机物，后来随着高分子剖析工作发展的需要和裂解技术不断发展，裂解气相色谱已经广泛的应用于高分子 的结构分析和单体成分分析，并且也用于高分子的立体规整度的测定，如聚乙烯的规整度的测定。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),28,就裂解色谱来讲，关键是裂解技术。如果裂解技术能达到像质谱在真空下把大分子打碎为碎片那样稳定、重复和可靠的水平的话，无疑裂解色谱将取得更大的发展，并有可能部分的取代质谱技术。但是，已有的裂解技术在稳定可靠等方面仍存在不少问题。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),29,目前广泛采用的有黄金管状裂解器、热丝、热带裂解器、不同功率居里点裂解器以及电容放电裂解器等等，这些裂解器的一个很大的缺点是 ，温度上升时间过长，这个时间越长，特征性越差，二次反应多，因而裂解谱图越复杂，高分子差异的特征性越不明显。,Analytical Chemistry,热带裂解器,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),30,老方法最大上升时间可达50秒，这给技术的应用和谱图的判断带来许多困难。采用激光裂解方法可使上升时间缩短为10微秒，这是迄今所知的最短的上升时间，从而使裂解色谱具有特征性强、谱图单一和重复性好等优点。,Analytical Chemistry,激光裂解器,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),31,国外在激光裂解方面主要是采用红宝石或钕玻璃激光器，但是对高分子来说这种激光器的波长不适于吸收，因此所需激光的功率较大，而且要加一些辅助手段，结果反而使裂解产品复杂化。我国较早的使用CO2激光器作为裂解能源,取得了较好的结果。,Analytical Chemistry,CO2激光器,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),32,激光技术正在飞速发展，在各科学领域中的应用也是日新月异。上面列举的问题，只是涉及分析化学的某些侧面。然而，即使从这些不完整的材料也不难体察到激光技术对于分析化学正在产生和可能产生的巨大影响和推动。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),33,用激光所从事的一些工作决不是常规手段的改进提高，而是常规手段所不能代替的。随着激光应用的日益普及和深入，随着激光技术本身的进一步完善，使用激光的分析手段必然要刷新常规手段提供的数据，因而也必将进一步改变分析化学的面貌。,Analytical Chemistry,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),34,Analytical Chemistry,Thank you!,2005-09,分析化学教程（2005-2006学年),35,美好生活 从己选择 预祝大家: “剩蛋” “圆蛋”快乐!,
