飞秒检测

通过飞秒化学原理来研究物质结构

通过飞秒化学原理来研究物质结构就称为飞秒检测。飞秒(femtoseconds , fs ,即10-15 s)的时间尺度，这即是化学反应发生的实际历经时间。这一物理化学领域被命名为“飞秒化学” (femtochemistry)、“飞秒检测”（Femtosecond Inspection）。

通过飞秒化学原理来研究物质结构就称为飞秒检测。飞秒检测主要利用飞秒激光研究各种化学过程和物质组成，包括化学键断裂，新键形成，质子传递和电子转移，化合物异构化，分子解离，反应中间产物及最终产物的速度、角度和态分布，溶液中的化学反应以及溶剂的作用，分子中的振动和转动对化学反应的影响等。飞秒检测为当今先进的检测技术，通过观测分子、原子、电子、原子核、官能团等粒子飞秒级（一千万亿分之一秒，即10-15s）的振动、能级跃迁，可以很方便的判断物质组成和含量。飞秒检测技术可以用于未知物分析、配方分析还原、工业诊断、卫星遥感、超级计算、痕量检测分析等方面。

在过去百年来的研究中，没有人敢想象能在飞秒级这样短暂的时间内进行实验。到1980 年代末，Zewail实施的一系列试验开创了飞秒化学研究领域。包括使用高速照相机，这种照相机依赖于光闪烁速度为数飞秒的新激光技术，可反映分子在化学反应过程中的真实状况，并能拍下分子恰好处于过渡态时的图象。分子中原子发生一次典型的振动所耗时间为10 ～ 100fs，化学反应应该与这种分子中的原子振动发生在相同的时间尺度上。

我们来简单解释一下这个过程：一场足球赛在电视上播放如果没有进球的“慢镜头”将会是什么情景? 观察化学反应情况也是相似的。Zewail 教授正是用“慢镜头”(slow motion)研究化学反应过程，他所用的技术可称为世界上最快的照相机。采用这种瞬间激光闪烁使我们进入了飞秒(femtoseconds , fs ,即10-15s)的时间尺度，这即是化学反应发生的实际历经时间。这一物理化学领域被命名为“飞秒化学”(femtochemistry)、“飞秒检测”（Femtosecond Inspection）。

用飞秒技术研究的典型反应是分子结构的光诱导转化，即光异构作用。科学家观察了芪分子(含两个苯环)的顺式- 和反式- 结构的转化，他们断定在此过程中两个苯环同时向对方相互转化;最近在视网膜视黄醛分子的试验中观察到相似的情况，当我们的眼睛感光时，第一步光化学反应就是视黄醛分子的一对双键的顺-反转化，此反应过程耗时200fs。这样的反应速度表明吸收光子的能量不是首先再分配，而是直接集中到有关的双键上。另一个生物学的重要实例是用飞秒化学解释在光合作用中采光时叶绿素分子充分的能量转换。

1999年10月12日，瑞典皇家科学院宣布，1999 年诺贝尔化学奖授予53 岁的具有双重国籍的埃及和美国科学家泽维尔(Zewail)教授，以表彰他在飞秒化学领域的杰出贡献。泽维尔教授及其小组结合分子束技术与超短激光脉冲技术，制造了一种飞秒量级的分子“照相机”，能以飞秒的时间尺度实时观察分子运动并目击分子的诞生。泽维尔及其小组还利用激光的相干特性控制了化学反应的产率。这些贡献极大地刺激了科学界其他许多领域的理论和实验方面的研究工作，给化学和相邻学科带来了革命性的变化。

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