图解拉曼光谱原理及应用_PPT_课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,拉曼光谱学,原理及应用,HORIBA,Jobin,Yvon,北京办事处,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,1928,年，印度科学家,C.V Raman,in,首先在,CCL,4,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,?,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）,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,为表征和,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,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,B,g,B,g,PET,的拉曼光谱,官能团,拉曼是指纹光谱,n,i,=,n,o,-,n,(cm,-1,),500 1000 1500 2000 2500 3000 3500,20000,15000,10000,5000,0,Intensity(A.U.),OH stretching,CH3 Stretching Modes,Skeletal Bending,CCO modes,OH Bending,CH3 and CH2 Bending Modes,甲醇,vs.,乙醇,CH,3,OH,vs.,CH,3,CH,2,OH,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,:,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,B,and postion,b,and,Position shift,Intensity,Band,Width,Raman shift,拉曼光谱给出的信息？,拉曼光谱的特征,拉曼频移,峰位与激发波长没有关系,633 nm,785 nm,532 nm,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,I,Raman,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,2-,拉曼光谱仪的工作原理,拉曼光谱测量原理：,激光,样品,滤光装置,光栅,探测器,瑞利滤光片（去除瑞利散射光颜色不发生改变的光）,耦合光路,-,光照射到样品，收集散射光（大光路和显微光路）,光源（太阳光,-Hg,灯,-,激光）,光谱仪和探测器,一般为单光栅光谱仪和,CCD,探测器,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,分辨率为,2 cm,-1,普通分辨率,分辨率为,0.65 cm,-1,高分辨率,SiC,的拉曼光谱图,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,(0.65 cm-1),模式,光谱分辨率,010,8567 9966,219,怎样找到一台高分辨的拉曼谱仪？,光谱仪的焦长：,250mm,、,300mm,、,460mm,、,800mm,2m,密决？,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,(1,m),极大的提高了纵向分辨率,(2,m),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！,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,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,1,：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,拉曼光谱应用,-,鉴定不同材料,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,PET,Paper,纸纤维,Ppropylene,丙烯,PE/EVA,聚乙烯,Only one point of the sample is illuminated by the laser and the corresponding spectrum is recorded-,takes full advantage of,confocal,filtering,Detector,Spectral image,Point by point illumination,:,Sample,rastering,in x and y,拉曼光谱成像方法,Sample on XY motorised stage,Grating,Imaging Accessories,Video Image of Polymer matrix,-,Blue box indicates mapped area,Raman Mapping uses the,confocal,Raman microscope,to analyze discrete points across a sample surface.,高分子聚合物,Single spectrum,Component 1,Single spectrum,Component 2,The 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 m lateral and 1.2 m axial),高分子聚合物,Confocal,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,碳纳米管研究,Radial Breathing Mode,Tube Diameter,Tangential Modes(G-Modes),Electronic properties,D-band,Info on defects,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,Density of electron states,Energy,v,2,v,1,c,1,c,2,5,4,3,2,1,0,-1,-2,-3,-4,-5,0 2 4 6 8 10,Conduction,Valence,玻尔半径,e-,+,d,t,Radius,Tuneable Bandgap,CNT,的拉曼光谱和荧光光谱共点测量,数据来自,Prof.Honda,Tokyo University of Science,PL,光谱和拉曼光谱对于,CNT,的管径和手性都非常敏感,Raman,PL,由于,SWCNTs,的发光范围集中在,1.0 to 1.6,u,m,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,794nm914nm,CCD detector,1100nm1550nm,InGaAs,detector,激发光,:785nm,Si,片表面单根碳纳米管分布,SWNT spectra,262.,9-270.6,cm-1,165.,6-169.5,cm-1,157.,8-161.7 cm-1,RB mode,G band,SWCNTs of different d,t,are isolated on a Si wafer,Single SWCNT islands,单根,GaN,纳米线的偏振拉曼光谱成像,509-552cm,-1,A,1,(TO),558-575cm,-1,E,2,(high),509-552cm,-1,A,1,(TO),558-575cm,-1,E,2,(high),Y(ZZ)Y,Y(ZZ)Y,Y(XX)Y,Y(XX)Y,Jobin-Yvon,LabRAMHR800+inverted microscope,x100,0.9 NA,Fran,ois,Lagugn,-Labarthet,et al.,UniVersit,Bordeaux,France,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,),.,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,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,250 nm,350 nm,5-,应力研究,应力研究,(,形变,),COMPRESSION,TENSION,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！,清华大学微电子系的,MEMS,器件,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,Germanium,6-,拉曼光谱在欧莱雅产品研发中的应用,stratum,corneum,(5-15,m),epidermis (40-1000,m),dermis (1-4 mm),subcutaneous fat,Surface:0m,20m,OH/,water,CH2/,protein,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,I,Raman,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,Wavenumber,/cm,-1,Raman,intensity,/a.u.,free,intracell,.,*,Intensity,of the band(,*,):,1296-1306 cm1,1000,0,HORIBA,Jobin,Yvon,拉曼光谱仪介绍,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,研究级,LabRAM,HR,(,高分辨单级拉曼光谱仪,),分析级（准研究级）,LabRAM,ARAMIS(,全自动,),分析级,Real World Installation of Raman Process Control,Spectra recorded about every 20 min showing the progress of the polymerization,Polymer Monomer,synthesis conversion,Real Time Monitoring of Polymerization,Raman Immersion Probe,IR probe,Real World Installation of Raman Process Control,拉曼光谱仪联用,红外吸收和拉曼共点测量,AFM,和拉曼光谱仪联用,SEM,和拉曼光谱仪联用,Sample,(x,y,z),SE,Electron,beam,Deflection,coil,BE,Scanning module,HJY,spectrometer,CCD,BE:,Back-scattered,electrons,SE:,Secondary,electrons,TCSPC,系统和拉曼光谱仪耦合,单量子点,半导体,生物医学,Thank you for your attention!,谢谢,!,谢谢,!,谢谢,!,