L_27_2
advertisement
Лазерные методы детектирования веществ Методы лазерной спектроскопии Абсорбционная спектроскопия Флуоресцентная спектроскопия Спектроскопия комбинационного рассеяния Люминесценция – излучение, которое представляет собой избыток над тепловым излучением тела и продолжается в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний Люминесценция Фосфоресценция (времена жизни в возбужденном состоянии более чем 10-3–10-2 с Флуоресценция (времена жизни в возбужденном состоянии порядка 10-6–10-9 с Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Виды люминесценции фотолюминесценция (возбуждение светом) кандолюминесценция (возбуждение при механическом воздействии, например, при разрушении кристалла) электролюминесценция (возбуждение электрическим полем) лиолюминесценция (возбуждение при растворении кристаллов) хемилюминесценция (возбуждение при химической реакции) радиолюминесценция (возбуждение радиацией) Все эти виды люминесценции различаются по виду возбуждения Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Антистоксова флуоресценция Стоксова флуоресценция Резонансное поглощение и флуоресценция V Иллюстрация резонансной, стоксовой и антистоксовой флуоресценции Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Области применения метода лазерно-индуцированной флуоресценции Отождествление молекулярных спектров Измерения молекулярных констант Измерения вероятностей переходов Измерения франккондоновских факторов Исследования процессов столкновений Детектирование веществ Детектирование веществ имеет важное практическое приложение, в частности, для экологических задач мониторинга вредных соединений, содержащихся в биосфере Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Преимущества лазерно-флуоресцентного метода 1. Относительно простую структуру спектров легко отождествить. Линии флуоресценции можно разрешить с помощью спектрографа относительно простой конструкции. Требования к экспериментальному оборудованию менее строгие, чем при регистрации в анализе спектров поглощения той же молекулы 2. Большие интенсивности многих лазерных линий позволяют достигать больших населенностей на возбужденных уровнях. Это приводит к высоким интенсивностям спектральных линий флуоресценции и дает возможность детектировать даже переходы с малыми значениями коэффициентов Франка Кондона 3. Измерения спектров флуоресценции позволяют вычислять значения широкого ряда спектроскопических констант, которые невозможно определить другими методами. Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Преимущества использования ЛИФ для измерения концентраций различных веществ 1. Узость линии возбуждения при возможности ее частотной перестройки позволяет настраиваться на определенную линию поглощения, что обеспечивает селективное возбуждение детектируемого вещества на фоне других компонентов 2. Населенность возбуждаемых состояний оказывается достаточно большой для возбуждения интенсивных флуоресцентных спектров. Вследствие этого оказывается возможным измерять очень маленькие концентрации веществ 3. В отличие от других высокочувствительных (в частности, химических) флуоресцентная методика имеет важное преимущество – возможность проведения измерений в реальном масштабе времени, что существенно расширяет границы ее применения Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Методы детектирования веществ Кюветные Производится забор пробы газа (в частности, непрерывная прокачка) из воздуха в измерительную кювету, где возбуждается флуоресценция и определяется концентрация вещества Дистанционные (лидарные) Испущенный импульс вызывает в атмосфере флуоресценцию молекулярных компонентов. Расстояние до исследуемого вещества определяется по времени задержки от момента испускания до момента приема обратного импульса Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Кюветный способ 1. Анализируемая газовая смесь непрерывно прокачивается через измерительную кювету, через которую пропускается излучение лазера 2. Излучение лазера возбуждает флуоресценцию детектируемого вещества, которая регистрируется посредством фотоприемников 3. Зарегистрированная интенсивность сопоставляется с концентрацией вещества исходя из известных величин сечений поглощения на данной длине волны, а также сечений излучательной релаксации и, возможно, других каналов распада возбужденных состояний Преимуществом использования кюветных способов является относительная простота экспериментальных установок, а также их мобильность Основной недостаток заключается в невозможности детектирования веществ а атмосферных слоях, удаленных от поверхности Земли Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Дистанционный способ Испущенный с поверхности Земли лазерный импульс испытывает в атмосфере молекулярное рэлеевское рассеяния, рассеяние Ми на крупных частицах (аэрозоле), комбинационное рассеяние или флуоресценцию на молекулах Обычно источник излучения и приемник локализованы в одной установке, так что регистрируется импульс, возвратившийся обратно от объекта, расстояние до которого определяется по времени задержки от момента испускания до момента приема обратного импульса По интенсивности обратного импульса делается вывод о концентрации детектируемого вещества Регистрируя импульсы с различными временами задержки, можно получить пространственное разрешение Лазерные методы детектирования веществ Флуоресцентная спектроскопия Длину поглощения L устанавливают, помещая на расстоянии L/2 от источника уголковый отражатель Можно разместить лазер на самолете (или спутнике), а приемник – на земле Для уменьшения расходимости лазерный пучок расширяют с помощью Телескопа Отраженный импульс попадает на расщепляющую пластинку и с нее на спектрометр Можно организовать регистрацию таким образом, чтобы одна половина фотодиодов использовалась для регистрации спектра лазера, а другая половина – для регистрации спектра отраженного пучка Приборы, работающие по дистанционной схеме, назваются лидарами (lidar - light detection and ranging) В настоящее время подобные методы получили широкое распространение для проведения экологического мониторинга атмосферы. Чувствительность позволяет проводить измерения практически всех компонентов атмосферного воздуха на уровне предельно допустимых концентраций
