显微拉曼分析

显微拉曼分析激光能量(进入样品)-振动谱能量(与样品相互作用能量交换)=拉曼散射光能量(向空间散射)激光能量(引入样品)-拉曼散射光能量(拉曼谱仪测量)=振动谱能量(拉曼谱仪给出振动谱结果)振动谱即认证物质结构的指纹性信息VibrationalStates振动能级iGroundState基级VirtualState虚能级RealStates真实能级MidIRStokesRamanRayleighAnti-StokesRamanFluorescence红外斯托克斯拉曼瑞利散射反斯托克斯拉曼荧光拉曼测量的是什么？ExcitationWavelength拉曼光谱系统常用激光波长UVvisibleIR78063351424401000020000300004000050000frequency/cm-1wavelength/nm1234560energy/eVAvoidanceoffluorescence•background-freeRamanspectraInformationobtainedfromRamanspectroscopy拉曼光谱的信息characteristicRamanfrequencies拉曼频率的确认compositionofmaterial物质的组成e.g.MoS2,MoO3changesinfrequencyofRamanpeak拉曼峰位的变化stress/strainState张力/应力e.g.Si10cm-1shiftper%strainpolarizationofRamanpeak拉曼偏振crystalsymmetryandorientation晶体对称性和取向e.g.orientationofCVDdiamondgrainswidthofRamanpeak拉曼峰宽qualityofcrystal晶体质量e.g.amountofplasticdeformationintensityofRamanpeak拉曼峰强度amountofmaterial物质总量e.g.thicknessoftransparentcoatingparallelperpendicular显微拉曼光谱的优点和特点对样品无接触，无损伤；样品无需制备；快速分析，鉴别各种材料的特性与结构；显微拉曼所须样品量少，且适用样品微区（1微米以下光斑）高空间分辨率(对包裹体,金刚石压砧中的样品等尤其有用)，共聚焦方式，适于表面或层面分析，高信噪比；能适合黑色和含水样品；高、低温及高压条件下测量；光谱成像快速、简便，分辨率高；仪器稳固，体积适中，维护成本低，使用简单。红外和拉曼分子振动谱吸收，直接过程，发展较早平衡位置附近偶极矩变化不为零与拉曼光谱互补实验仪器是以干涉仪为色散元件测试在中远红外进行，不受荧光干扰低波数（远红外）困难，微区测试较难，光斑尺寸约10微米，空间分辨率差红外探测器须噪声高，液氮冷却，且灵敏度较低多数须制备样品水对红外光的吸收？分子振动谱散射，间接过程，自激光后才发展平衡位置附近极化率变化不为零与红外光谱互补实验仪器是以光栅为色散元件测试在可见波段进行，有时受样品荧光干扰，可采用近红外激发低波数没有问题，共焦显微微区测试，光斑尺寸可小到1微米，空间分辨率好CCD探测器噪声低，热电冷却，灵敏度高，无须制备样品，且可远距离测试没有水对红外光吸收的干扰光栅色散型拉曼与FT拉曼多种激发波长,514,633可见激光，或近红外785,紫外325；实验仪器是以光栅为色散元件，市场占有率85%测试在可见波段进行，有时受样品荧光干扰，可采用近红外激光激发共焦显微微区测试，光斑尺寸可小到1微米，空间分辨率好CCD探测器噪声低，热电冷却，灵敏度高，无须制备样品，且可远距离测试没有水对红外光吸收的干扰一种激发波长1064nm；实验仪器是红外一起的附件，是以干涉仪为色散元件，少数用户需要测试在近红外波段进行，受荧光干扰少微区测试较难，光斑尺寸约5-10微米，空间分辨率差红外探测器须噪声高，液氮冷却，且灵敏度较低多数须制备样品水对红外光的吸收最新型号inVia激光显微拉曼光谱系统inVia可以升级到全自动型inViaReflexMicro-Ramanspectrometer新型拉曼光谱系统组成部分显微拉曼原理图应用显微拉曼应用于微区与表面分析可以获得微区内分子振动信息，从而得到相关分子信息。这种分析方法快速简便，分辨率高，适合微量样品分析。同时，便携式光纤拉曼光谱仪使拉曼不仅仅局限于实验室，而在野外以及临床等方面都有可能大显身手。1公安法学要求不能破坏物证:残留物量很小,如枪击爆炸、指纹中的残留物、车祸中残留漆片、写在纸上的笔迹等等应用5笔迹的鉴别1不同笔墨迹的拉曼谱图1显示了从钢笔、圆珠笔和铅笔留在纸上墨迹收集到的拉曼谱.可以看出,它们有着大体相同的荧光背景.但它们的拉曼峰位置、强度、分布完全不一样.而钢笔和圆珠笔有一些特征峰是一致的如732ｃｍ-1,1179ｃｍ-1等,但大多数都不一样.1#为钢笔笔迹,2#为圆珠笔笔迹,3#铅笔笔迹2不同钢笔墨迹的拉曼谱在图2中,给出了不同钢笔划的墨迹的拉曼谱线.其中有同一品牌的墨水,但不是同一批号的墨水.因为墨水的配方很难做到不同批号(生产日期)完全一样,也就造成不同的光谱图.四条光谱有相同的特征谱如1179ｃｍ-1,1363ｃｍ-1,1525ｃｍ-1等,也有不同的特征峰值如1#样中的817ｃｍ-1,2#样中的760ｃｍ-1,3#样中的1114ｃｍ-1,4#样中的699ｃｍ-1.至少我们可以肯定这四条线是不同钢笔墨汁.2.材料科学显微拉曼在新型复合材料、纳米材料、电极材料等等中有重要应用应用1层状材料CoatedZnSeopticalcomponentsareirradiatedwithhigh-power,pulsedCO2laserradiation(l=10.6µm,pulselength~100ns)atfluencesupto250J/cm2.Thecomponentsarecharacterizedatvariousstagesofirradiationbyopticalmicroscopy,surfacestructuralanalysis(micro-Ramanspectroscopy)Figure5:Micro-Ramanmeasurementsfromvariouspositionsonanirradiatedpartialreflector应用2纳米材料InthisfigureweshowsomemicroRamanspectrareferredtoseveralspotsfocusedontheclusterdeposition:wenotemodificationofthespectrumrespecttobulksilicon(inthesamefiguretheupperspectrum).ThismodificationconsistsofashiftandabroadeningofthebulkRamanpeak(p=522.9cm-1andw(=FWHM)=3cm-1).Δp=4.5,7.5,11.5,19.5,22.5cm-1,andpeakwideningrespectivelyofΔw=6.5,8.5,9,18,21cm-1,wereobserved.•Literaturedatashowhowtheseshiftscanberelatedtotheaverageclusterdiameter,asdisplayedinthenextfigure.Inthesamefigureweincludedourexperimentaldata(shownasstars)demonstratingthatourdepositedclusterspresentasizedistributionintherange2-10nm.AsdiscussedinliteratureastrongcorrelationcanbeobservedbetweentheRamanpeakposition,itslinewidthandthesizeofthenanocrystals粗糙化金电极上自组装的4-ATP（对巯基苯胺）单层膜，将此氨基重氮化，再与苯胺结合3.文物考古很多情况下，为了保护文物，需要进行无损分析，在另一些情况下，这些待分析物的量又非常小。这些情况下，显微拉曼都是非常适用的，首先，拉曼光谱不需要进行样品处理，从而可以进行无损分析，其次，显微拉曼对样品的需求量非常之小，所以，微量样品也可以进行测定。颜料颗粒Figure2showsanimage(magnified100x)ofapigmentmixture;theindividualgrainshavebeenidentifiedbyRamanmicroscopy.应用4ArmadaJewelThefirststudyconcernedtheArmadaJewel(Figures3aand3b).Thisobject(alsoknownastheHeneageJewel)wasgiventoSirThomasHeneagebyQueenElizabethIonthedefeatoftheSpanishArmadain1588.ThejewelconsistsofamedallicimageoftheQueenincastgoldwithenamelanddiamondsandrubies(seeFigure3a).ThegoldprofileoftheQueenhasatransparentdomedcoverwhichisthoughttobemadeofrockcrystal.Atthebackisalidwhichopenstoshowaminiature,ofElizabethI,paintedbyNicholasHilliard(seeFigure3b).ArmadaJewelAllpigmentanalyseshavebeenperformedinsitubyfocusingtheexcitinglaserradiationthroughthetransparentcoverandcollectingtheback-scatteredlight.IdentificationshavebeenmadebycomparisonoftheRamanspectrawiththoseofaRamanspectroscopicdatabaseofpigmentswhichhasbeenpublishedrecently.3Itisparticularlyinterestingtocomparethepigmentidentificationswiththepigmentswhicharerecommendedbytheartist,NicholasHilliard,inhistreatise.1Theyareasfollows:White…………………………….whiteleadRed………………………………vermilion,redlead,pararealgarBlue………………………………azurite,lazurite,indigoYellow……………………………orpiment,yellowochreGreen……………………………..malachite4.生物医学与红外光谱相比，它可以避免水的干扰，对生物组织进行原位检测，特别是近红外激发的应用，可以减少生物组织自身的荧光干扰。检测单个完整细胞中的蛋白质，将有较高拉曼散射的物质作为拉曼标记，将它们与生物分子或生物素结合，并加入银溶胶增强拉曼效应。将光纤近红外傅变拉曼光谱引入皮肤检测，在表皮下几百微米获取分子组成的信息，检测迅速无损。这对