深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀與在線檢測系統(tǒng)

1 科學(xué)背景

　　化學(xué)是創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)，合成化學(xué)是人類認識物質(zhì)和創(chuàng)造物質(zhì)的重要途徑與手段。隨著各種和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人類對物質(zhì)的功能不斷提出新的要求，合成化學(xué)的突破和新物種的出現(xiàn)將極大地推動科學(xué)發(fā)展和社會進步。

　　傳統(tǒng)的化學(xué)是分子處于基態(tài)發(fā)生的化學(xué)，而光化學(xué)是研究分子和原子電子激發(fā)態(tài)的化學(xué)，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(fā)態(tài)分子的電子轉(zhuǎn)移、能量傳遞和化學(xué)轉(zhuǎn)換廣泛存在于多種光化學(xué)、光物理和光生物過程中，電子激發(fā)態(tài)分子的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)機理、動力學(xué)過程往往與基態(tài)分子不同，研究激發(fā)態(tài)分子的性質(zhì)和變化規(guī)律具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。隨著光化學(xué)理論的建立和光化學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展，近紫外和可見光區(qū)的光化學(xué)和光物理研究得到快速發(fā)展，光化學(xué)在合成化學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了很大作用。但由于缺乏光源，有關(guān)深紫外區(qū)域的光化學(xué)研究工作開展得非常少。

　　只有吸收光的分子才能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，這是光化學(xué)*定律。迄今為止，化學(xué)家們已合成3000多萬個化合物，其中在紫外和可見光區(qū)有吸收的化合物不到總量的10％，這些化合物的光化學(xué)已被研究的比較清楚，相關(guān)研究為現(xiàn)代分子光化學(xué)理論的建立提供了實驗基礎(chǔ)，并使光化學(xué)在各研究領(lǐng)域得以發(fā)展和應(yīng)用。更多的化合物吸收在深紫外區(qū)，由于缺乏相應(yīng)的光源，這些占合成化合物總量約90%化合物的光化學(xué)研究尚不多見。深紫外激光光源的發(fā)展，為只在深紫外區(qū)域有吸收的大量化合物的光化學(xué)研究提供了可能。利用深紫外激光激發(fā)這些化合物，將有可能對其激發(fā)態(tài)的光物理和光化學(xué)過程進行觀察，發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)，創(chuàng)造新的物質(zhì)，發(fā)展新的理論，

深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀與在線檢測系統(tǒng)

　　基于此，在2007年設(shè)立的“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制"項目中，由中科院理化技術(shù)所牽頭，利用具有*自主知識產(chǎn)權(quán)的深紫外激光光源技術(shù)，開展了“深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀與在線檢測系統(tǒng)研制"的工作。

2 裝置綜述

　　該項目的目標是研制一套，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(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)的研究，并對反應(yīng)中間體及反應(yīng)動力學(xué)過程進行快速時間分辨檢測，時間分辨可達ps量級。

　　該裝置有4個部分：光化學(xué)反應(yīng)腔及特殊樣品池；穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)檢測子系統(tǒng)；時間分辨發(fā)光光譜檢測子系統(tǒng)；瞬態(tài)吸收光譜檢測子系統(tǒng)。

　　（1）光化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)必須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(shè)計要求比較高。根據(jù)系統(tǒng)要求，委托在真空領(lǐng)域具有豐富經(jīng)驗的北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司進行了真空腔的設(shè)計和加工。另外，根據(jù)系統(tǒng)真空度的要求，并結(jié)合腔體的大小，采用了德國普發(fā)MVP070隔膜泵作為前級，與TMU261和Hicube80分子泵一起構(gòu)成二級真空系統(tǒng)，分別對深紫外腔體和光化學(xué)反應(yīng)腔體進行抽真空處理，30分鐘內(nèi)，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(guān)系到實驗測試的可行性，因為密封不好導(dǎo)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(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)單層密封圈的密封效果很難實現(xiàn)真空度達到10-5mbar以下的要求，通過與技術(shù)單位的多次溝通，設(shè)計和加工了具有多層密封的樣品池，可以實現(xiàn)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(zhuǎn)動狀態(tài)，以保證樣品測試過程中的均勻性，通常樣品的轉(zhuǎn)動可以采用聯(lián)桿傳動和皮帶傳動兩種形式，考慮到聯(lián)桿傳動需要通過真空腔體，會對真空腔的密封效果產(chǎn)生不利影響，而且聯(lián)桿傳動設(shè)計相對復(fù)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(zhuǎn)動，因此選擇合適的真空電機是皮帶傳動的關(guān)鍵。通過比較，zui終選擇了德國進口的FAULHABER真空直流微電機，實現(xiàn)了樣品池的轉(zhuǎn)速可調(diào)（0—100轉(zhuǎn)/分鐘）。

　　（2）穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)檢測子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要包括穩(wěn)態(tài)反應(yīng)樣品池和用于樣品檢測分析的高分辨色質(zhì)聯(lián)用分析儀（LC-TOF）。穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)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(yīng)。

　　色7質(zhì)聯(lián)用儀用于對深紫外光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物進行檢測，需要配備具有自動進樣系統(tǒng)、柱溫可控液相色譜及分辨率高、分子質(zhì)量范圍大、定性分析性能良好的質(zhì)譜。經(jīng)過深入調(diào)研，選擇使用了Waters公司生產(chǎn)的質(zhì)量度高、具有很好定性分析能力的Alliance2695/LCT Premier XE液相色譜/飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀。

（3）時間分辨發(fā)光光譜檢測子系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)發(fā)光光譜檢測是時間分辨發(fā)光光譜檢測的基礎(chǔ)，該子系統(tǒng)設(shè)計并搭建了基于深紫外激光激發(fā)的穩(wěn)態(tài)發(fā)光光譜檢測光路和檢測系統(tǒng)，通過選擇合適樣品，以177.3nm脈沖激光為激發(fā)光源，利用光纖光譜儀來檢測化合物的穩(wěn)態(tài)發(fā)光。通過篩選，選擇了具有聚集熒光增強性質(zhì)的四苯基乙烯衍生物作為樣品，實現(xiàn)了以177.3nm激光為激發(fā)光源的穩(wěn)態(tài)發(fā)光光譜的檢測。

　　在時間分辨發(fā)光光譜檢測方面，采用條紋相機作為檢測器來實現(xiàn)時間分辨發(fā)光光譜的檢測。將條紋相機和光譜儀對接，在觸發(fā)掃描模式下，利用皮秒激光作為光源，測試得到時間分辨發(fā)光光譜檢系統(tǒng)的時間分辨率為35ps,優(yōu)于100ps的項目指標。

　　光譜分辨率代表了光譜儀對精細光譜結(jié)構(gòu)的分辨能力，主要取決于檢測系統(tǒng)中分光設(shè)備的色散能力和CCD的成像質(zhì)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(tǒng)在不同波長下的光譜分辨率達到0.3nm以下，優(yōu)于項目指標值1nm。

　　光譜檢測范圍是指光譜儀對光譜波段的響應(yīng)范圍，主要取決于光譜儀、檢測器及相關(guān)光學(xué)元件等。分別采用發(fā)光范圍位于紫外和可見光區(qū)的氘燈和鹵鎢燈作為光源，對該子系統(tǒng)在紫外可見波段范圍的光譜響應(yīng)進行測試，系統(tǒng)的光譜檢測范圍達到200—420nm，優(yōu)于200—800nm的項目指標范圍。

　　（4）瞬態(tài)吸收光譜檢測子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包含了紫外可見光源瞬態(tài)吸收光譜測試系統(tǒng)和深紫外皮秒瞬態(tài)吸收光譜測試系統(tǒng)兩套設(shè)備，其中，紫外可見光源瞬態(tài)吸收光譜測試系統(tǒng)主要包括飛秒激光光源系統(tǒng)和瞬態(tài)吸收光譜測試系統(tǒng)，皮秒瞬態(tài)吸收光譜系統(tǒng)主要包括皮秒深紫外光源、白光產(chǎn)生裝置、時間延時裝置、光學(xué)系統(tǒng)、光譜儀、檢測器和控制器。

　　該子系統(tǒng)的時間分辨率主要取決于泵浦光和探測光的脈寬以及延時線的zui小步長，由于延時線采用的是步進電機，zui小步長可以達到0.78fs，遠遠小于激光的脈寬，因此其時間分辨率主要由泵浦光或探測光的脈寬來決定。由于瞬態(tài)吸收光譜檢測系統(tǒng)中探測光是1064nm泵浦光經(jīng)重水非線性轉(zhuǎn)換得到，探測光的脈寬相比泵浦光有所展寬，因此，探測光脈寬將決定該子系統(tǒng)的時間分辨率，通過條紋相機檢測得到該子系統(tǒng)的時間分辨率達到49ps，優(yōu)于項目指標100ps。

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　　利用該子系統(tǒng)檢測汞燈特征譜線的光譜，得到汞燈譜線光譜的半峰寬即為該子系統(tǒng)的光譜分辨率，光譜半峰寬（光譜分辨率）均小于0.5nm，也優(yōu)于項目的1nm指標。

　以氘燈和鹵鎢燈為光源檢測該子系統(tǒng)的光譜響應(yīng)曲線，在200nm范圍內(nèi)均有明顯的光譜響應(yīng)，因此，其光譜檢測范圍為200nm，優(yōu)于項目要求的200—800nm指標。

　　在完成了各子系統(tǒng)的研制后對整套設(shè)備進行了集成，以光化學(xué)反應(yīng)腔為聯(lián)接體，實現(xiàn)了深紫外激光光源與各子系統(tǒng)的對接。利用集成后的系統(tǒng)對蒽甲酸二聚體的深紫外光解聚反應(yīng)進行在線檢測。蒽甲酸二聚體在深紫外光照下解聚形成的蒽甲酸單體實驗中，可以明顯觀察到單體激基締合物的發(fā)光，實現(xiàn)了深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)的在線檢測。

　　2012年5月7日，中科院計劃財務(wù)局主持召開了該項目驗收會。驗收專家認為，該項目利用我國自主研制的177.3nm深紫外激光光源，成功研制了上*，該系統(tǒng)以深紫外全固態(tài)激光器為光源，在光化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中引入了超快（ps級）時間分辨發(fā)光光譜檢測系統(tǒng)和瞬態(tài)吸收光譜檢測系統(tǒng)，可用于深紫外光化學(xué)原位反應(yīng)動態(tài)學(xué)研究，并已初步開展了有機化學(xué)、材料等領(lǐng)域深紫外光化學(xué)和光物理過程研究，顯示出該系統(tǒng)*的優(yōu)勢，一致同意通過驗收。

　　3 組織與管理

　　根據(jù)《重大科研裝備研制項目管理辦法（試行）》要求，該項目建立了項目領(lǐng)導(dǎo)小組和項目實施小組，實行項目領(lǐng)導(dǎo)小組監(jiān)督下的項目負責(zé)人責(zé)任制。

　　項目領(lǐng)導(dǎo)小組由理化技術(shù)所所長擔(dān)任組長，組員為研究所科技處、資產(chǎn)處、財務(wù)處、人事處等各職能管理部門的負責(zé)人。項目領(lǐng)導(dǎo)小組主要負責(zé)審定項目工程進度計劃、財政預(yù)算與決算等，負責(zé)研制過程中與深紫外激光器研制人員之間的協(xié)調(diào)，以及研究所內(nèi)部人員、設(shè)備、房屋、水電等資源的調(diào)配使用，協(xié)助項目負責(zé)人對實施過程重要的技術(shù)細節(jié)進行方案論證，對研制過程中遇到的技術(shù)問題提出解決措施和工作建議，并對項目組的研制工作實行監(jiān)督管理。

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　　項目實施小組由該項目負責(zé)人擔(dān)任組長，全面負責(zé)研制項目工作，包括設(shè)計、加工、安裝、調(diào)試和驗收等。項目在實施過程中，由項目負責(zé)人按照任務(wù)書的要求具體組織實施，并按照項目計劃要求，將工作落實到人，明確各自的任務(wù)目標和節(jié)點，制定出切實可行的工作進度和嚴格的項目管理措施，以減少項目實施中的風(fēng)險。

　　在制度建設(shè)方面，項目根據(jù)研制內(nèi)容、性能指標、研制期限、研制經(jīng)費等建立切實可行的實施方案，從管理構(gòu)架、經(jīng)費和固定資產(chǎn)管理、計劃進度安排、質(zhì)量控制和風(fēng)險控制、科技檔案管理、知識產(chǎn)權(quán)管理等方面入手，加強研究所對該項目的管理。

在工作程序方面，項目嚴格按照質(zhì)量管理體系進行管理。在執(zhí)行過程中，項目負責(zé)人嚴格按照任務(wù)節(jié)點計劃實施。項目領(lǐng)導(dǎo)小組每月召開一次會議，聽取項目進展匯報，并研究決定有關(guān)事宜，對項目組工作提供指導(dǎo)，并對項目實施小組的工作實行監(jiān)督。項目實施小組每半個月召開一次研制項目技術(shù)研討會，討論項目研制過程中所遇到的技術(shù)問題。

4 應(yīng)用與發(fā)展展望

　　研制成功后，可開展以前因光源限制而無法進行的研究，將使90%只在深紫外有吸收的化合物的深紫外光化學(xué)和10%在紫外/可見區(qū)有吸收的化合物的激發(fā)態(tài)深紫外光化學(xué)研究得以進行，將有可能發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)反應(yīng)，創(chuàng)造新的物質(zhì)，創(chuàng)建新的理論，深紫外光化學(xué)研究的發(fā)展。

　　為促進全社會科技資源配置和綜合利用，提高我國科技創(chuàng)新能力，該項目將納入北京大型儀器共享網(wǎng)，整套設(shè)備將全部共享開放，供國內(nèi)外相關(guān)研究人員使用。另外，項目依托單位中科院理化技術(shù)所將提供各項基礎(chǔ)條件保證儀器的正常運行。為促進大型科學(xué)研究儀器設(shè)備的充分、利用，在優(yōu)先保證科學(xué)研究任務(wù)的前提下，將有不少于50%的機時向全國科研人員開放使用。

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