激光脉冲光声波谱仪

光声波谱原理(激光诱导超声原理)

原理简介:

        溶液中的分子吸收脉冲激光后,激发态失活会导致电荷迁移、
分子构象变化或分子重分布等事件;在皮秒(ps)时域,
振动弛豫释放的热能耗散在周围的溶剂内,导致分子扩散效应;
当激发态跃迁回基态,能量以荧光或磷光的形式发射,
其他的光反应还可能包括:化学键断裂、电子注入、
光电子转移、激发态聚合体、系间窜越等;


        光化学反应分子的电荷变化,还会导致无光吸收的分子发生扩散、
迁移等分子间相互作用,这一过程被成为——电致伸缩
表现为脉冲激光导致容积的瞬态变化,在边缘生成超声波向外扩散;
采用快速超声探测器,探测瞬态超声波,捕捉容积变化的瞬态动力学过程,
结果显示为激光脉冲光声波谱,波谱中包含了容积变化的瞬态信息,
经分析,特定分子事件的变化幅度和弛豫时间就能被观测到。


        例如:热扩散导致的容积变化对温度敏感,凭借这一特征,
可从容积瞬态变化中分辨出分子释放的热能,在4 ºC时,
热量与容积的相关系数是零,可测量到纯粹的容积变化,
如:芳胺分子能级跃迁会导致周围溶剂分子的分布发生变化,
4 ºC时的光声波谱能够记录下能级跃迁和失活的过程。


(见右下图:溴甲酚蓝的光声波谱);
激光脉冲光声波谱能测量到经典光谱方法不可及的热动力学信息,
这一技术被广泛用于光合作用、视觉色素、血色素蛋白、以及蛋白质构象变化的分子动力学研究。

光声波谱仪的前置放大器、数字振荡器和接口

        PAS 1010 光声波谱仪(Pulsed-Laser Photoacoustics System)包含了脉冲光声测量的必须硬件和软件,搭配1 - 10 Hz,脉冲能量>20 μJ的ns脉冲激光器,就可以测量比色杯内发生的光声事件。

        PAS 1010的超声探测部件包括:1 MHz V103-RM 高速超声探测器,紧贴在样品池的侧面,收集超声波信号,灵敏的超声探测器可以探测10 ns - ~3 μs的瞬态超声波信号,再经5662型前置放大器放大;快速半导体检测器探测到激光信号后,触发Tektronix 2012C数字振荡器,将前置放大器的信号数字化,数据通过GPIB接口输出至国家仪器的NI-488.2 GPIB-USB-HS,再通过USB接口输入电脑。

        PAS 1010的数据接口通过1个USB接口接受电脑控制,输出激光器和快门的触发信号;PAS 1010还包括2个RjP-735型激光能量探测器和1个Rj-7620型双路激光能量计,能量信号输出到GPIB-USB-HS接口,通过USB输入电脑。