显微共焦拉曼光谱

Tetragonal Monoclinic
S. Shukla, et al. Nano Letters 2002, 2, 989. Can Li, et al. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 8107.
发光（荧光）的抑制和消除
在拉曼光谱测试中，往往会遇到荧光 的干扰，由于拉曼散射光极弱，所以一旦 样品或杂质产生荧光，拉曼光谱就会被荧 光所淹没。 通常荧光来自样品中的杂质，但有的样 品本身也可发生荧光，常用抑制或消除萤 光的方法有以下几种:
t-ZrO2 c- ZrO2 950-1200oC 2370oC 2500-2600oC
cubic
Temperature for phase transformation
Melting point
m-ZrO2 and t-ZrO2 的特征拉曼光谱
m-ZrO2 (cm-1) t-ZrO2 (cm-1)
500 C
o
t
tt
400 C
o
700oC 焙烧之后仍能观 察到四方晶相ZrO2.
100 200 300 400 500 600 700 800 900
Raman shift/cm
-1
ZrO2样品不同温度焙烧后的可见 拉曼光谱图和XRD图谱
m m m m m mm t t t m
700 C 500 C 400 C
600
650
700
750
800
l Dp 4k
1
D 为激发波长在； p k为消光系数.
Dp为激发波长在样品中的穿透深度；
变换激发波长－分析样品不同深度的信息
利用不同波长穿透深度不同，可以分析样品不同层的信息
ZrO2 的晶相结构
monoclinic
m-ZrO2 t-ZrO2
tetragonal
(Gaussian intensity profile)
Focal volume (cylindrical)
Baldwin, Batchelder, Webster: “Raman Microscopy: Confocal and Scanning Near-Field“, in: Handbook of Raman Spectroscopy
-3
-2
10 M 10 M 10 M
-7 -6
-5
10 M
1500 1000
-8
Wavenumber /
cm-1
500
1500
Wavenumber / cm-1
1000
500
Typical SERS media
Resonance with electronic states
Virtual state
Confocal Raman Microspectroscopy
Illustration of Confocal Depth Discrimination. Solid Inclusion of Chalcopyrite （黄铜矿）within a Ruby Host.
Measurement of Depth Resolution on a Polystyrene（聚苯乙烯） Bead:
quality of crystal(crystal size)
crystal (molecule) symmetry and orientation
不同的物质，其拉曼谱是不同的，就象人的指纹 一样，因此拉曼光谱可用于物相的分析与表征。
水拉曼特征峰随NaCl 浓度变化趋势图,曲线A, B,C,D , E,F的盐度分别 为:0.05 ,0.20 ,0.50 ,1.00 ,2.00 ,5.00mol/ L
Confocal Raman Microspectroscopy
Principle of Confocal Microscopy and Depth Discrimination:
Barbillat, Dhamelincourt, Delhaye, Da Silva, J. Raman Spectrosc. 1994, 25, 3-11.
显微共焦拉曼光谱及应用
左
健
中国科学技术大学 理化科学实验中心
拉曼光谱是以光子为探针，它对 样品的结构和成分极为敏感并有很强 的特征性,就像人的指纹一样。
特别是显微拉曼光谱可进行空间分 辨、原位无损的光谱分析。
Raman Spectrum of CCl4
435.8 nm (Hg-line) anti-Stokes Stokes Spectrum taken by Raman in 1929; Resolution ca. 10 cm-1 Sample Volume: ca. 1 liter Exposure time: ca. 40 hours Spectrum taken with a modern Raman set-up; Resolution ca. 0.5 cm-1 Sample Volume: ca. 1 ml Accumulation time: ca. 1 s
Integration of the Microscope and the Spectrometer:
Microscope
Microscope + Spectrometer
dispersing element: grating monochromator
Baldwin, Batchelder, Webster: “Raman Microscopy: Confocal and Scanning Near-Field“, in: Handbook of Raman Spectroscopy
Confocal Raman Microspectroscopy
Making the Microscope Confocal: Introducing an Aperture
Focal length of the lense
Effective diameter at the lense
Beam waist of diameter
376 634
613 640
176, 187, 220, 305, 340, 376, 474, 510, 536, 558, 613, 634
270
474
Intensity
149, 270, 313, 462, 600, 640
180
305
312 339
220
462
对于单斜相 (m)，谱峰474 cm-1强于 634 cm –1，而四方相(t) 恰好相反。 单斜相的拉曼谱图中，在472 和 634 -1 cm 两个谱峰之间有些弱的谱峰存在， 而这些谱峰在四方相的拉曼谱图中是 900 不存在的。
（1）纯化样品 （2）强激光长时间照射样品
虽然无法解释为什么用激光长时间照射样品 能够有效的消除荧光干扰，但在很多情况下用 这种方法确实能达到消除荧光干扰的效果。
（3）加荧光淬灭剂
有时在样品中加入少量荧光淬灭剂，如硝 基苯，KBr, AgI等 ，可以有效地淬灭荧光干 扰。
（4）利用脉冲激光光源
当激光照射到样品时，产生荧光和拉 曼散射光的时间过程不同，若用一个激光 脉冲照射样品，将在10-11~10-13S内产生拉曼 散射光，而荧光则是在10-7∽10-9S后才出现
biological molecules appear often at low concentration level
SERS quenches fluorescence
Raman
M. x piperita 514.5 nm
Raman Intensity
silver colloids
10 mm
Confocal Raman Microspectroscopy
Making the Microscope Confocal: Introducing an Aperture
Focal length of the lense
Effective diameter at the lense
Beam waist of diameter
o o o
Intensity
主要为四方 晶相
可见拉曼光谱 的结果和XRD 的结果非常Βιβλιοθήκη Baidu 似
100 200 300 400 500 600 700 800 900
-1 Raman shift / cm
提出的 ZrO2 相变机理
UV Laser
Visible Laser X-ray
UV Raman Scattering Visible Raman Scattering XRD
Amorphous Zr(OH)4 Tetragonal ZrO2 Monoclinic ZrO2
紫外拉曼光谱与XRD，可见拉曼光 谱结果的不同表明氧化锆四方相到 单斜相的相变首先是从表面开始， 接着逐步发展到体相。
TEM evidence for the phase transformation of ZrO2
(Gaussian intensity profile)
Focal volume (cylindrical)
Baldwin, Batchelder, Webster: “Raman Microscopy: Confocal and Scanning Near-Field“, in: Handbook of Raman Spectroscopy
2000
1500
1000 500 -1 Wavenumber / cm
essential oil
SERS improves the detection limit: Adenine
NH2 N N H N
Raman Intensity
Raman
SERS
N
10 M
-1
Raman Intensity
10 M 10 M
r
w0 = wir
w0 f i wStokes wR
wir
f i
Continuum Resonance Raman Scattering in Iodine Excited with l0 = 488 nm
l0 = 488 nm
Wavenumber/cm-1
TS-1 的紫外共振拉曼光谱
lex=244 nm
Barbillat, Dhamelincourt, Delhaye, Da Silva, J. Raman Spectrosc. 1994, 25, 3-11.
选择激发波长——穿透深度
785nm 633nm
488nm
325nm
5 4 3 2 1 0
Si Ge
k
250
300
350
400
450 500 550 Wavelength (nm)
W/Si多层膜
年代估计
Bertoluzza等对28个年代在1750~1940年之 间的工艺玻璃杯 进行了拉曼光谱分析，仅从 拉曼峰的位置和强度并不能反映出与样品的 年代有什么关系，但发现 1080cm-1 的拉曼峰 的强度与位于高波数的荧光峰强度的比值与 年代有关。 给出一个经验公式： y=a+bx y=log(I1080/I荧光) x= 年代 a=-25.384 b=0.013
Isotopic (35,37Cl) splitting of n1vibration
461.5-CCl435 455.1-CCl335Cl37 453.4-CCl235Cl237
从拉曼光谱获取的信息
characteristic Raman peak
changes in frequency of Raman peak width of Raman peak polarization of Raman peak Composition and structure of material stress/strain state Crystal size
Why SERS spectroscopy?
Raman spectroscopy: high characteristic good spatial resolution (micro Raman) minimal sample preparation all solvents can be used but: biological samples often show high fluorescence
149
monoclinic tetragonal
100
200
300
400
500
600
700
-1
800
Raman Shift / cm
ZrO2样品不同温度焙烧后的紫外 拉曼光谱图和XRD图谱
m
Intensity/A.U.
m m m m m
m m
700 C
o
400oC: 混合晶相 500oC: m-ZrO2