拉曼光谱原理及应用刘仕锋.pptx
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拉曼光谱原理及应用刘仕锋.pptx
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拉曼光谱学拉曼光谱学原理及应用原理及应用HORIBAJobinYvon北京办事处报告内容报告内容1-什么是拉曼光谱?
简单介绍2-拉曼光谱仪工作原理介绍3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍4-HORIBAJobinYvon拉曼光谱仪简介1928年,印度科学家C.VRamanin首先在CCL4光谱中发现了当光与分子相互作用后,一部分光的波长会发生改变(颜色发生变化),通过对于这些颜色发生变化的散射光的研究,可以得到分子结构的信息,因此这种效应命名为Raman效应。
时间时间和发现人和发现人?
ProvidedbyProf.D.Mukherjee,DirectorofIndianProvidedbyProf.D.Mukherjee,DirectorofIndianAssociationfortheCultivationofScienceAssociationfortheCultivationofScience什么是拉曼效应什么是拉曼效应?
laserscatterlaser瑞利散射瑞利散射什么是拉曼效应什么是拉曼效应?
scatter=laser拉曼散射拉曼散射光散射的过程:
激光入射到样品,产生散射光。
光散射的过程:
激光入射到样品,产生散射光。
散射光散射光弹性散射(频率不发生改变弹性散射(频率不发生改变-瑞利散射)瑞利散射)非弹性散射(频率发生改变非弹性散射(频率发生改变-拉曼散射)拉曼散射)什么是拉曼效应什么是拉曼效应?
不同材料的拉曼光谱有各自的不同于其它材料的特征的光谱-特征谱l为表征和鉴别材料提供了指纹谱l深入开展光谱学和材料物性研究打下基础拉曼光谱给出的信息?
拉曼光谱给出的信息?
组分信息组分信息结构信息结构信息拉曼光谱给出的信息?
拉曼光谱给出的信息?
羰基伸缩线宽=结晶度碳环伸缩模式乙二醇模式:
结构的指示剂BgBgPET的拉曼光谱官能团官能团拉曼是指纹光谱拉曼是指纹光谱nni=nno-nn(cm-1)50010001500200025003000350020000150001000050000Intensity(A.U.)OHstretchingCH3StretchingModesSkeletalBendingCCOmodesOHBendingCH3andCH2BendingModes甲醇甲醇vs.vs.乙醇乙醇CHCH33OHOHvs.vs.CHCH33CHCH22OHOH拉曼光谱给出的信息?
拉曼光谱给出的信息?
化学组成,污染物探测.振动频率可以给出结构的细微变化,对于分子所处的局域环境,比如晶相,局域应力和结晶度等都很敏感结构信息(晶体、无定形、同分异构体)定性的信息定性的信息:
拉曼光谱是物质结构的指纹光谱定量的信息定量的信息:
可以通过光谱校正,得到准确的应力大小和浓度分布BandpostionbandPositionshiftIntensityBandWidthRamanshift拉曼光谱给出的信息?
拉曼光谱给出的信息?
拉曼光谱的特征拉曼光谱的特征拉曼频移峰位与激发波长没有关系633nm785nm532nm多激发波长:
选择适合的激发波长多激发波长:
选择适合的激发波长一般情况,拉曼光谱是不随激发波长的变化而变化的然而然而IIRamanRaman1/4UVorNIR激发可以避开荧光的干扰不同excitation可以分析样品不同层的信息2-拉曼光谱仪的工作原理拉曼光谱测量原理:
拉曼光谱测量原理:
拉曼光谱测量原理:
拉曼光谱测量原理:
激光激光样品样品滤光装置滤光装置光栅光栅探测器探测器瑞瑞利利滤滤光光片片(去去除除瑞瑞利利散散射射光光颜色不发生改变的光)颜色不发生改变的光)耦耦合合光光路路-光光照照射射到到样样品品,收收集集散散射光射光(大光路和显微光路)(大光路和显微光路)光源(太阳光光源(太阳光-Hg-Hg灯灯-激光)激光)光谱仪和探测器光谱仪和探测器一般为单光栅光谱仪和一般为单光栅光谱仪和CCD探测器探测器几个拉曼实验中的重要因素几个拉曼实验中的重要因素1-1-灵敏度灵敏度2-2-光谱分辨率光谱分辨率3-3-空间分辨率空间分辨率影响:
准确性、取谱速度、空间分辨效果不不得得不不说说的的话话任何一次拉曼光谱实验中都会遇到的问题任何一次拉曼光谱实验中都会遇到的问题分辨率为2cm-1普通分辨率分辨率为0.65cm-1高分辨率SiCSiC的拉曼光谱图的拉曼光谱图光谱分辨率光谱分辨率吉林大学样品红色:
分辨率(2cm-1)模式兰色:
高分辨率(0.65cm-1)模式光谱分辨率光谱分辨率0100108567996685679966219219怎样找到一台高分辨的拉曼谱仪?
怎样找到一台高分辨的拉曼谱仪?
光谱仪的焦长:
250mm、300mm、460mm、800mm2m密决?
密决?
空间分辨率空间分辨率(共焦技术共焦技术)共焦技术可以实现共焦技术可以实现:
得到更好的横向分辨率(1m)极大的提高了纵向分辨率(2m)有效地减少荧光干扰微米和亚微米颗粒可以研究材料中的包裹体XY和Z成像:
相分布和结构分布,多层膜样品分析共焦针孔共焦针孔非聚焦非聚焦应用中可以解决:
应用中可以解决:
微区微区空间分辨率?
空间分辨率?
好的共焦状态好的共焦状态清晰的界面结果!
清晰的界面结果!
空间分辨率空间分辨率(共焦技术共焦技术)寻找好的共焦技术?
寻找好的共焦技术?
高分子多层膜高分子多层膜空间分辨率空间分辨率(共焦技术共焦技术)共焦状态不好共焦状态不好界面?
界面?
3-3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍拉曼光谱在材料研究中的应用介绍11:
半导体材料:
半导体材料;2;2:
聚合体;:
聚合体;33:
碳材料;:
碳材料;44:
地质学:
地质学/矿物学矿物学/宝石鉴定;宝石鉴定;55:
生命科学:
生命科学;6;6:
医药;:
医药;77:
化学;:
化学;88:
环境;:
环境;99:
物理:
物理1010:
考古;:
考古;1111:
薄膜:
薄膜;12:
12:
法庭科学法庭科学:
违禁药品检查;区分各种颜料,色素,油漆,纤维违禁药品检查;区分各种颜料,色素,油漆,纤维等;爆炸物的研究;墨迹研究;子弹残留物和地质碎片研究等;爆炸物的研究;墨迹研究;子弹残留物和地质碎片研究拉曼光谱应用领域:
拉曼光谱应用领域:
1-1-聚合物聚合物,高分子高分子拉曼光谱应用拉曼光谱应用-鉴定不同材料鉴定不同材料在纤维材料中通常使用的材料的拉曼光谱在纤维材料中通常使用的材料的拉曼光谱Nylon6尼龙Kevlar合成纤维Pstyrene聚苯乙烯PETPaper纸纤维Ppropylene丙烯PE/EVA聚乙烯Onlyonepointofthesampleisilluminatedbythelaserandthecorrespondingspectrumisrecorded-takesfulladvantageofconfocalfilteringDetectorSpectralimagePointbypointillumination:
Samplerasteringinxandy拉曼光谱成像方法SampleonXYmotorisedstageGratingImagingImagingAccessoriesAccessoriesVideoImageofPolymermatrix-BlueboxindicatesmappedareaRamanMappingusestheconfocalRamanmicroscopetoanalyzediscretepointsacrossasamplesurface.高分子聚合物高分子聚合物SinglespectrumComponent1SinglespectrumComponent2TheRamanmapconsistsofthesuperimposedspectraofthebothcomponents.ThecursorsthancanbeusedtogenerateRamanmappedimagesBecauseofconfocalitytheRamanmapcanshowveryexactlythelocalizationofcomp.1and2(spatialresolutionatex=633nm0.8mlateraland1.2maxial)高分子聚合物高分子聚合物ConfocalRamanmappedimagegeneratedfromtwodifferentspectralbandsobservedinthepolymermatrix.Thesoftwareisusedtooverlaythetwocomponentmaps,greenandblue.WhitelightImage高分子聚合物高分子聚合物2-2-纳米材料纳米材料碳纳米管研究碳纳米管研究RadialBreathingModeTubeDiameterTangentialModes(G-Modes)ElectronicpropertiesD-bandInfoondefects不同管径的碳纳米管与不同激发波长共振不同管径的碳纳米管与不同激发波长共振,因此可以因此可以通过不同激发波长研究不同手性和管径的碳纳米管通过不同激发波长研究不同手性和管径的碳纳米管DensityofelectronstatesEnergyv2v1c1c2543210-1-2-3-4-50246810ConductionValence玻尔半径玻尔半径e-+dtRadiusTuneableBandgapCNT的拉曼光谱和荧光光谱共点测量数据来自Prof.Honda,TokyoUniversityofSciencePLPL光谱和拉曼光谱对于光谱和拉曼光谱对于CNTCNT的管径和手性都非常敏感的管径和手性都非常敏感RamanPL由于由于SWCNTsSWCNTs的发光范围集中在的发光范围集中在1.0to1.61.0to1.6uum,m,所以有很大的应用前景所以有很大的应用前景.(ArrowsmeanCNTband)LabRAMLabRAM系列可以共点测量系列可以共点测量RamanRaman光谱和光谱和PLPL光谱光谱794nm914nmCCDdetector1100nm1550nmInGaAsdetector激激发光光:
785nmSiSi片表面单根碳纳米管分布片表面单根碳纳米管分布SWNTspectra262.262.9-270.6cm-19-270.6cm-1165.165.6-169.5cm-16-169.5cm-1157.157.8-161.7cm-18-161.7cm-1RBmodeRBmodeGbandSWCNTsofdifferentdSWCNTsofdifferentdttareisolatedonaSiareisolatedonaSiwaferwaferSingleSWCNTislandsSingleSWCNTislands单根单根GaNGaN纳米线的偏振拉曼光谱成像纳米线的偏振拉曼光谱成像509-552cm-1A1(TO)558-575cm-1E2(high)509-552cm-1A1(TO)558-575cm-1E2(high)Y(ZZ)YY(ZZ)YY(XX)YY(XX)YJobin-YvonLabRAMHR800+invertedmicroscope,x100,0.9NAFranoisLagugn-Labarthetetal.UniVersitBordeaux,France3-3-医药学医药学-药物成分分布药物成分分布这个光谱成像显示了药片中3种成分的分布:
淀粉淀粉;纤维素纤维素;MgStearate(MgStearate(药物成分药物成分).左图:
包裹体白光像左图:
包裹体白光像点点11(绿点):
气相(绿点):
气相对应光谱中的蓝色线点点22(红点):
液相(红点):
液相对应光谱中的红色线4-4-矿物包裹体中的气泡研究矿物包裹体中的气泡研究沟槽宽度350nm,间距250nm.白光像Videoimage:
onespectrumhasbeenrecordedeach10nm.SamplecourtesyofATMELRousset/UniversitePaulCEZANNE有图形的Si片表面应力研究250nm350nm5-5-应力研究应力研究应力研究应力研究(形变形变)COMPRESSIONTENSION压应力压应力:
键长减小键长减小,峰位向高波数方向移动峰位向高波数方向移动张应力张应力:
键长变长键长变长,峰位向低波数方向移动峰位向低波数方向移动测厚度无损方法?
测厚度无损方法?
特殊应用中独辟傒径!
特殊应用中独辟傒径!
清华大学微电子系的清华大学微电子系的MEMSMEMS器件器件选择不同激发波长选择不同激发波长-应力研究应力研究InstrainmeasurementforsSiandSiGe,thelaserusedwillmostlydependonthepenetrationdepth.UVisusuallyamethodofchoiceduetoitslittlepenetrationinSiliconandGermanium6-6-拉曼光谱在欧莱雅产品研发中的应用拉曼光谱在欧莱雅产品研发中的应用stratumcorneum(5-15m)epidermis(40-1000m)dermis(1-4mm)subcutaneousfatSurface:
0m20mOH/waterCH2/protein表面增强拉曼表面增强拉曼(SERS)(SERS)简介简介什么是表面增强?
SERS效应是在激发区域内,由于样品表面或近表面的电磁场的增强导致的拉曼散射信号极大的增强.怎么得到表面增强?
-远小于激发波长的金属颗粒(Au,Ag)会使电磁场增强-增强的电磁场可以使在金属颗粒表面的分子拉曼信号极大的增强-激光激发了金属表面的等离子体IIRamanRamanPPP(P(电子偶极子电子偶极子)=(分子极化率分子极化率).(内电场内电场)活细胞内药物与细胞的相互作用活细胞内药物与细胞的相互作用Wavenumber/cm-1Ramanintensity/a.u.freeintracell.*Intensityoftheband(*):
1296-1306cm-110000HORIBAJobinYvonHORIBAJobinYvon拉曼光谱仪介绍拉曼光谱仪介绍T64000T64000高性能三级拉曼光谱仪高性能三级拉曼光谱仪研究级研究级U1000U1000型高性能双级拉曼光谱仪型高性能双级拉曼光谱仪研究级研究级LabRAMHRLabRAMHR(高分辨单级拉曼光谱仪高分辨单级拉曼光谱仪)分析级(准研究级)分析级(准研究级)LabRAMARAMIS(LabRAMARAMIS(全自动全自动)分析级分析级拉曼光谱仪联用拉曼光谱仪联用红外吸收和拉曼共点测量红外吸收和拉曼共点测量AFMAFM和拉曼光谱仪联用和拉曼光谱仪联用SEMSEM和拉曼光谱仪联用和拉曼光谱仪联用Sample(x,y,z)SEElectronbeamDeflectioncoilBEScanningmoduleHJYspectrometerCCDBE:
Back-scatteredelectronsSE:
SecondaryelectronsTCSPCTCSPC系统和拉曼光谱仪耦合系统和拉曼光谱仪耦合单量子点半导体生物医学谢谢!
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