Raman 拉曼光谱原理及应用-刘仕锋

nullnull拉曼光谱学 ——原理及应用 HORIBA Jobin Yvon 北京办事处null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-HORIBA Jobin Yvon拉曼光谱仪简介 null1928 年，印度科学家C.V Raman in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 和发现人?Provided by Prof. D. Mukherjee, Director of Indian Association for the Cultivation of Science 什么是拉曼效应?nulllaserscatter> laser瑞利散射什么是拉曼效应?scatter= laser拉曼散射光散射的过程：激光入射到样品，产生散射光。 散射光 弹性散射（频率不发生改变-瑞利散射） 非弹性散射（频率发生改变-拉曼散射）null什么是拉曼效应?null 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 为征和鉴别材料提供了指纹谱 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？组分信息 结构信息null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null拉曼是指纹光谱ni = no-n (cm-1) 500 1000 1500 2000 2500 3000 350020000 15000 10000 5000 0Intensity (A.U.)OH stretchingCH3 Stretching ModesSkeletal BendingCCO modesOH BendingCH3 and CH2 Bending Modes甲醇vs. 乙醇 CH3OH vs. CH3CH2OH 拉曼光谱给出的信息？null 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 : 拉曼光谱是物质结构的指纹光谱 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 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null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… IRaman α 1/4 UV or NIR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 null2-拉曼光谱仪的工作原理null拉曼光谱测量原理：激光样品滤光装置光栅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-灵敏度 2-光谱分辨率 3-空间分辨率影响：准确性、取谱速度、空间分辨效果不得不说的话——任何一次拉曼光谱实验中都会遇到的问题 SiC的拉曼光谱图 SiC的拉曼光谱图光谱分辨率吉林大学样品吉林大学样品红色：分辨率(2cm-1)模式 兰色：高分辨率(0.65 cm-1)模式光谱分辨率 null010 －8567 9966 －219空间分辨率(共焦技术)空间分辨率(共焦技术)共焦技术可以实现: 得到更好的横向分辨率 (<1µm) 极大的提高了纵向分辨率 (~2 µm) 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非聚焦应用中可以解决：微区 空间分辨率？好的共焦状态 清晰的界面结果！好的共焦状态 清晰的界面结果！空间分辨率(共焦技术)——寻找好的共焦技术？高分子多层膜高分子多层膜高分子多层膜空间分辨率(共焦技术)共焦状态不好 界面？3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍null1：半导体材料; 2：聚合体；3：碳材料； 4：地质学/矿物学/宝石鉴定； 5：生命科学; 6：医药；7：化学； 8：环境；9：物理 10：考古；11：薄膜; 12: 法庭科学: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 拉曼光谱应用领域：1-聚合物,高分子1-聚合物,高分子nullnullOnly one point of the sample is illuminated by the laser and the corresponding spectrum is recorded - takes full advantage of confocal filtering DetectorSpectral imagePoint by point illumination : Sample rastering in x and y 拉曼光谱成像方法 Sample on XY motorised stageGratingImaging AccessoriesnullVideo Image of Polymer matrix - Blue box indicates mapped areaRaman Mapping uses the confocal Raman microscope to analyze discrete points across a sample surface.高分子聚合物nullSingle spectrum Component 1Single spectrum Component 2The Raman map consists of the superimposed spectra of the both components. The cursors than can be used to generate Raman mapped images Because of confocality the Raman map can show very exactly the localization of comp. 1 and 2 (spatial resolution at ex = 633 nm 0.8 µm lateral and 1.2 µm axial)高分子聚合物nullConfocal Raman mapped image generated from two different spectral bands observed in the polymer matrix. The software is used to overlay the two component maps, green and blue.White light Image高分子聚合物2-纳米材料2-纳米材料null碳纳米管研究null不同管径的碳纳米管与不同激发波长共振,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nullDensity of electron statesEnergyv2v1c1c25 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -50 2 4 6 8 10 ConductionValence玻尔半径e-+dt RadiusTuneable BandgapCNT的拉曼光谱和荧光光谱共点测量CNT的拉曼光谱和荧光光谱共点测量数据来自 Prof. Honda, Tokyo University of SciencePL 光谱和拉曼光谱对于CNT的管径和手性都非常敏感RamanPL由于SWCNTs的发光范围集中在1.0 to 1.6 um, 所以有很大的应用前景.(Arrows mean CNT band)LabRAM 系列可以共点测量 Raman 光谱和 PL光谱794nm~914nm CCD detector1100nm~1550nm InGaAs detector激发光 : 785nmSi片表面单根碳纳米管分布Si片表面单根碳纳米管分布SWNT spectra262.9-270.6 cm-1165.6-169.5 cm-1157.8-161.7 cm-1RB modeSWCNTs of different dt are isolated on a Si wafer Single SWCNT islands null单根 GaN 纳米线的偏振拉曼光谱成像[509-552]cm-1 A1(TO)[558-575]cm-1 E2(high)[509-552]cm-1 A1(TO)[558-575]cm-1 E2(high)Jobin-Yvon LabRAM HR800 + inverted microscope, x100, 0.9 NAFrançois Lagugné-Labarthet et al. UniVersité Bordeaux, France3-医药学-药物成分分布3-医药学-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 ; 纤维素 ; MgStearate(药物成分). null左图：包裹体白光像 点1（绿点）：气相 对应光谱中的蓝色线 点2（红点）：液相 对应光谱中的红色线4-矿物包裹体中的气泡研究null5-应力研究沟槽宽度350 nm，间距250 nm.白光像Video image : one spectrum has been recorded each 10 nm. Sample courtesy of ATMEL Rousset/ Universite Paul CEZANNE有图形的Si片表面应力研究5-应力研究应力研究(形变)应力研究(形变)压应力:键长减小,峰位向高波数方向移动 张应力:键长变长,峰位向低波数方向移动测厚度＆无损方法？？？ 特殊应用中独辟傒径！！！测厚度＆无损方法？？？ 特殊应用中独辟傒径！！！清华大学微电子系的MEMS器件null选择不同激发波长-应力研究 In strain measurement for sSi and SiGe, the laser used will mostly depend on the penetration depth. UV is usually a method of choice due to its little penetration in Silicon and Germanium6-拉曼光谱在欧莱雅产品研发中的应用6-拉曼光谱在欧莱雅产品研发中的应用表面增强拉曼(SERS)简介表面增强拉曼(SERS)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 IRaman~ P P (电子偶极子) =  (分子极化率) .  (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HORIBA Jobin Yvon 拉曼光谱仪介绍HORIBA Jobin Yvon 拉曼光谱仪介绍T64000 高性能三级拉曼光谱仪 T64000 高性能三级拉曼光谱仪 研究级U1000 型高性能双级拉曼光谱仪U1000 型高性能双级拉曼光谱仪研究级nullLabRAM HR (高分辨单级拉曼光谱仪)分析级（准研究级）LabRAM ARAMIS(全自动)LabRAM ARAMIS(全自动)分析级null‘Real World’ Installation of Raman Process ControlnullSpectra recorded about every 20 min showing the progress of the polymerizationReal Time Monitoring of PolymerizationRaman Immersion ProbeIR probe‘Real World’ Installation of Raman Process Control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AFM和拉曼光谱仪联用AFM和拉曼光谱仪联用SEM和拉曼光谱仪联用SEM和拉曼光谱仪联用TCSPC系统和拉曼光谱仪耦合TCSPC系统和拉曼光谱仪耦合单量子点 半导体 生物医学null