深紫外激光光化学反应仪与在线检测系统


化学是创造新物质的科学,合成化学是
 
人类认识物质和创造物质的重要途径与手
 
段。随着各种高新技术和产业的发展,人类
 
对物质的功能不断提出新的要求,合成化学
 
的突破和新物种的出现将极大地推动科学
 
发展和社会进步。
 
传统的化学是分子处于基态发生的化
 
学,而光化学是研究分子和原子电子激发态
 
的化学,它所涉及光的波长范围通常为
 
100—1 000 纳米,即由深紫外**近红外波
 
段。激发态分子的电子转移、能量传递和化
 
学转换广泛存在于多种光化学、光物理和光
 
生物过程中,电子激发态分子的性质和化学
 
反应机理、动力学过程往往与基态分子不
 
同,研究激发态分子的性质和变化规律具有
 
重要的科学意义和应用价值。随着光化学
 
理论的建立和光化学研究技术的发展,近紫
 
外和可见光区的光化学和光物理研究得到
 
* 中科院计划财务局副局长。E-mail: zbc@cashq. ac.cn 收稿日期:2012 年10 月24 日

 
 
快速发展,光化学在合成化学、材料科学、信
 
息科学、能源科学、生命科学以及环境科学
 
等**域发挥了很大作用。但由于缺乏光源,
 
有关深紫外区域的光化学研究工作开展得
 
非常少。
 
只有吸收光的分子才能发生光化学反
 
应,这是光化学**定律。迄今为止,化学
 
家们已合成3 000 多万个化合物,其中在紫
 
外和可见光区有吸收的化合物不到总量的
 
10%,这些化合物的光化学已被研究的比较
 
清楚,相关研究为现代分子光化学理论的建立提供了实验基础,并使光化学在各研究**域得以发展和应用。更多的化合物吸收在深紫外区,由于缺乏相应的光源,这些占合成化合物总量约90%化合物的光化学研究尚不多见。深紫外激光光源的发展,为只在深紫外区域有吸收的大量化合物的光化学研究提供了可能。利用深紫外激光激发这些化合物,将有可能对其激发态的光物理和光化学过程进行观察,发现新的反应,创造新的物质,发展新的理论,****际深紫外光化学研究的发展。

基于此,在2007 年设立的“深紫外固态激光源 前沿装备研制”项目中,由中科院理化技术所牵 头,利用具有完全自主知识产权的深紫外激光光 源技术,开展了“深紫外激光光化学反应仪与在线 检测系统研制”的工作。 2 装置综述     该项目的目标是研制一套深紫外激光光化学 反应仪与在线检测系统,使用自主研制的深紫外 激光光源,将深紫外激光光源与快速时间分辨技 术相结合,实现对深紫外激光光化学反应的研究, 并对反应中间体及反应动力学过程进行快速时间 分辨检测,时间分辨可达ps 量级。 该装置有4 个部分:光化学反应腔及特殊样品 池;稳态光化学反应检测子系统;时间分辨发光光 谱检测子系统;瞬态吸收光谱检测子系统。 (1)光化学反应腔及特殊样品池。痕量的氧 气或水蒸气对深紫外光的吸收和衰减影响明显, 深紫外光的传输和光化学反应**在高真空或高 纯氮气保护气氛下进行,对真空腔和样品池的密 闭性和压力承受方面的设计要求比较高。根据系 统要求,委托在真空**域具有丰富经验的北京中 科科仪技术发展有限责任公司进行了真空腔的设 计和加工。另外,根据系统真空度的要求,并结合 腔体的大小,采用了德**普发 MVP070 隔膜泵作 为前级,与 TMU261 和 Hicube80 分子泵一起构成 二级真空系统,分别对深紫外腔体和光化学反应 腔体进行抽真空处理,30 分钟内,可使体系的真空 度达到10-5 mbar 以下。 液体样品池的密封效果直接关系到实验测试 的可行性,因为密封不好导致的液体溢出将会污 染整个腔体,对整个测试体系带来不利影响。经 过多次试验发现单层密封圈的密封效果很难实现 真空度达到 10- 5 mbar 以下的要求,通过与技术单 位的多次沟通,设计和加工了具有多层密封的样 品池,可以实现高真空条件下的液体密封。 样品测试过程中要求样品池处于转动状态, 以保证样品测试过程中的均匀性,通常样品的转 动可以采用联杆传动和皮带传动两种形式,考虑 到联杆传动需要通过真空腔体,会对真空腔的密 封效果产生不利影响,而且联杆传动设计相对复 杂。皮带传动则比较简单,只需真空电机通过皮 带带动样品池转动,因此选择合适的真空电机是 皮带传动的**。通过比较,**终选择了德**进   口的FAULHABER 真空直流微电机,实现了样品 池的转速可调(0—100 转/分钟)。 (2)稳态光化学反应检测子系统。该子系统 主要包括稳态反应样品池和用于样品检测分析的 高分辨色质联用分析仪(LC-TOF)。稳态光化学 反应只要求深紫外光照射到样品上,不需光路透 过样品池,其材料采用聚四氟乙烯,主要是因为聚 四氟乙烯材料便于样品的密封,同时易于加工,还 定制了中心带有不同大小和不同厚度凹槽的样品 池,便于将有机样品密封于该凹槽中进行深紫外 光照反应。 色-质联用仪用于对深紫外光化学反应产物 进行检测,需要配备具有自动进样系统、柱温可控 的液相色谱及分辨率高、分子质量范围大、定性分 析性能良好的质谱。经过深入调研,选择使用了 Waters 公司生产的质量**度高、具有很好定性 分析能力的Alliance 2695/LCT Premier XE 高效液 相色谱/飞行时间质谱联用仪。 (3)时间分辨发光光谱检测子系统。稳态发 光光谱检测是时间分辨发光光谱检测的基础,该 子系统设计并搭建了基于深紫外激光激发的稳态 发光光谱检测光路和检测系统,通过选择合适样 品,以177.3nm 脉冲激光为激发光源,利用光纤光 谱仪来检测化合物的稳态发光。通过筛选,选择 了具有聚集荧光增强性质的四苯基乙烯衍生物作 为样品,实现了以 177.3nm 激光为激发光源的稳 态发光光谱的检测。 在时间分辨发光光谱检测方面,采用条纹相 机作为检测器来实现时间分辨发光光谱的检测。 将条纹相机和光谱仪对接,在触发扫描模式下,利