顯微共焦拉曼光譜

1、 左左 健健理化科學實驗中心理化科學實驗中心 顯微共焦拉曼光譜及應用顯微共焦拉曼光譜及應用 特別是顯微拉曼光譜可進行空間分辨、原位無損的光譜分析。 拉曼光譜是以光子為探針，它對樣品的結構和成分極為敏感并有很強的特征性,就像人的指紋一樣。435.8 nm (hg-line)spectrum taken by raman in 1929;resolution ca. 10 cm-1sample volume: ca. 1 literexposure time: ca. 40 hoursspectrum taken with a modern raman set-up;resolution ca.

2、0.5 cm-1sample volume: ca. 1 mlaccumulation time: ca. 1 sraman spectrum of ccl4stokesanti-stokesisotopic (35,37cl) splitting of n1-vibration461.5-ccl435455.1-ccl335cl37453.4-ccl235cl237從拉曼光譜獲取的信息從拉曼光譜獲取的信息characteristic raman peakcomposition and structure of materialchanges in frequency of raman pea

3、kstress/strain state crystal sizepolarization of raman peakcrystal (molecule) symmetry and orientationwidth of raman peakquality of crystal(crystal size)不同的物質，其拉曼譜是不同的，就象人的指紋一樣，因此拉曼光譜可用于物相的分析與表征。 水拉曼特征峰隨水拉曼特征峰隨nacl 濃度變化趨勢圖濃度變化趨勢圖,曲線曲線a, b,c,d , e,f的鹽度分別的鹽度分別為為:0.05 ,0.20 ,0.50 ,1.00 ,2.00 ,5.00mol/

4、lw/si多層膜年代估計bertoluzza等對28個年代在17501940年之間的工藝玻璃杯 進行了拉曼光譜分析，僅從拉曼峰的位置和強度并不能反映出與樣品的年代有什么關系，但發(fā)現(xiàn)1080cm-1的拉曼峰的強度與位于高波數(shù)的熒光峰強度的比值與年代有關。給出一個經(jīng)驗公式： y=a+bx y=log(i1080/i熒光) x= 年代 a=-25.384 b=0.013raman spectroscopy: high characteristic good spatial resolution (micro raman) minimal sample preparation all solvents

5、 can be usedbut: biological samples often show high fluorescence biological molecules appear often at low concentration levelessential oil10 mmramansilver colloidsm. x piperita514.5 nm200015001000500wavenumber / cm-1raman intensity 10-8 m10-7 m10-6 m10-5 m10-3 m10-2 m10-1 aman intensity

6、ramanwavenumber / cm-115001000500wavenumber / cm-1 raman intensitysers nhnnnnh2typical sers media resonance with electronic statesw w0w wstokesw wrrififw wir w w0 = w wir virtual statecontinuum resonance raman scattering in iodine excited with l l0 = 488 nmwavenumber/cm-1l l0 = 488 nmts-1 的紫外共振拉曼光譜l

7、ex=244 nmintegration of the microscope and the spectrometer:microscopemicroscope + spectrometerdispersing element:grating monochromator baldwin, batchelder, webster: “raman microscopy: confocal and scanning near-field“, in: handbook of raman spectroscopymaking the microscope confocal: introducing an

8、 aperturebeam waist of diameter (gaussian intensity profile)focal volume (cylindrical)focal length of the lenseeffective diameter at the lensebaldwin, batchelder, webster: “raman microscopy: confocal and scanning near-field“, in: handbook of raman spectroscopyprinciple of confocal microscopy and dep

9、th discrimination:barbillat, dhamelincourt, delhaye, da silva, j. raman spectrosc. 1994, 25, 3-11.making the microscope confocal: introducing an aperturebeam waist of diameter (gaussian intensity profile)focal volume (cylindrical)focal length of the lenseeffective diameter at the lensebaldwin, batch

10、elder, webster: “raman microscopy: confocal and scanning near-field“, in: handbook of raman spectroscopymeasurement of depth resolution on a polystyrene（聚苯乙烯） bead:illustration of confocal depth discrimination. solid inclusion of chalcopyrite （黃銅礦）within a ruby host.barbillat, dhamelincourt, delhaye

11、, da silva, j. raman spectrosc. 1994, 25, 3-11.選擇激發(fā)波長穿透深度kdpl41dp為激發(fā)波長在；w avel ength (nm )800750700650600550500450400350300250k543210sige325nm488nm633nm785nm選擇激發(fā)波長穿透深度kdpl41dp為激發(fā)波長在樣品中的穿透深度；k為消光系數(shù).w avel ength (nm )800750700650600550500450400350300250k543210sige325nm488nm633nm785nmn 利用不同波長穿透深度不同，可以分

12、析樣品不同層的信息 變換激發(fā)波長分析樣品不同深度的信息zrozro2 2 的晶相結構的晶相結構temperature for phase transformationm-zro2 t-zro2950-1200oct-zro2 c- zro22370ocmelting point2500-2600ocmonoclinic tetragonalcubic m-zrom-zro2 2 and t-zro and t-zro2 2 的特征拉曼光譜的特征拉曼光譜100200300400500600700800900 474613634376339305220180640462149312270inten

13、sityraman shift / cm-1m-zro2 (cm-1)176, 187, 220, 305, 340, 376, 474, 510, 536, 558, 613, 634t-zro2 (cm-1)149, 270, 313, 462, 600, 640monoclinictetragonal 對于單斜相對于單斜相 (m)，譜峰，譜峰474 cm-1強于強于634 cm 1，而四方相而四方相(t) 恰好相反。恰好相反。 單斜相的拉曼譜圖中，在單斜相的拉曼譜圖中，在472 和和 634 cm-1兩個譜峰之間有些弱的譜峰存在，兩個譜峰之間有些弱的譜峰存在，而這些譜峰在四方相的拉曼譜圖

14、中是而這些譜峰在四方相的拉曼譜圖中是不存在的。不存在的。100 200 300 400 500 600 700 800 900mmmmmmmtttm700oc500oc400oc intensity/a.u.raman shift/cm-1400oc: 混合晶相混合晶相 500oc: m-zro2700oc 焙燒之后仍能觀焙燒之后仍能觀察到四方晶相察到四方晶相zro2.zrozro2 2樣品不同溫度焙燒后的紫外樣品不同溫度焙燒后的紫外拉曼光譜圖和拉曼光譜圖和xrdxrd圖譜圖譜100200300400500600700800900mmmmmmmm700oc500oc400oc tttraman

15、 shift / cm-1intensityzrozro2 2樣品不同溫度焙燒后的可見樣品不同溫度焙燒后的可見拉曼光譜圖和拉曼光譜圖和xrdxrd圖譜圖譜可見拉曼光譜可見拉曼光譜的結果和的結果和xrd的結果非常相的結果非常相似似主要為四方主要為四方晶相晶相提出的提出的 zrozro2 2 相變機理相變機理uv laserx-rayuv raman scatteringxrdvisible laservisible raman scatteringamorphous zr(oh)4tetragonal zro2monoclinic zro2 紫外拉曼光譜與紫外拉曼光譜與xrd，可見拉曼光，可見拉

16、曼光譜結果的不同表明氧化鋯四方相到譜結果的不同表明氧化鋯四方相到單斜相的相變首先是從表面開始，單斜相的相變首先是從表面開始，接著逐步發(fā)展到體相。接著逐步發(fā)展到體相。s. shukla, et al. nano letters 2002, 2, 989. tem evidence for the phase transformation of zro2tetragonal monocliniccan li, et al. j. phys. chem. b 2001, 105, 8107. 在拉曼光譜測試中，往往會遇到熒光的干擾，由于拉曼散射光極弱，所以一旦樣品或雜質產(chǎn)生熒光，拉曼光譜就會被熒光所

17、淹沒。發(fā)光（熒光）的抑制和消除 通常熒光來自樣品中的雜質，但有的樣品本身也可發(fā)生熒光，常用抑制或消除螢光的方法有以下幾種: 有時在樣品中加入少量熒光淬滅劑，如硝基苯，kbr, agi等 ，可以有效地淬滅熒光干擾。（1）純化樣品（2）強激光長時間照射樣品 雖然無法解釋為什么用激光長時間照射樣品能夠有效的消除熒光干擾，但在很多情況下用這種方法確實能達到消除熒光干擾的效果。（3）加熒光淬滅劑（4）利用脈沖激光光源 當激光照射到樣品時，產(chǎn)生熒光和拉曼散射光的時間過程不同，若用一個激光脈沖照射樣品，將在10-1110-13s內(nèi)產(chǎn)生拉曼散射光，而熒光則是在10-710-9s后才出現(xiàn) (5)改變激發(fā)光的波長以避開熒光干擾 在測量拉曼光譜時，對于不同的激發(fā)光拉曼譜帶的相對位移是不變的，熒光則不然，對于不同的激發(fā)光，熒光的相對位移是不同的。 所以選擇適當?shù)募ぐl(fā)光，可避開熒光的干擾。