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共焦显微拉曼光谱仪工作原理优势用途介绍

发表时间:2021-12-28 10:19

共焦显微拉曼光谱仪是分析物质结构的重要方法,通过分析分子的振动、转动散射光谱,研究分子振动、转动能量和对称性等结构信息。其对于具有拉曼活性的极性和非极性分子物质结构特征能够给予准确、合理的表征,是红外光谱的有力补充。该仪器可对材料的结构、组分、应力应变,表面探伤、有序度等方面进行研究,广泛地应用于材料科学、环境科学、考古研究、宝石鉴定、地质考察、药品分析、司法鉴定等领域,可进行未知物的无损鉴定,特别适合于材料微结构的研究。


共焦显微拉曼光谱仪的工作原理:

  当一束频率为v0的单色光照射到样品上后,分子可以使入射光发生散射。大部分光只是改变光的传播方向,从而发生散射,而穿过分子的透射光的频率,仍与入射光的频率相同,这时,称这种散射称为瑞利散射;还有一种散射光,它约占总散射光强度的10^-6~10^-10,该散射光不仅传播方向发生了改变,而且该散射光的频率也发生了改变,从而不同于激发光(入射光)的频率,因此称该散射光为拉曼散射。在拉曼散射中,散射光频率相对入射光频率减少的,称之为斯托克斯散射,因此相反的情况,频率增加的散射,称为反斯托克斯散射,斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多,拉曼光谱仪通常大多测定的是斯托克斯散射,也统称为拉曼散射。

  散射光与入射光之间的频率差v称为拉曼位移,拉曼位移与入射光频率无关,它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的。拉曼位移取决于分子振动能级的变化,不同化学键或基团有特征的分子振动,ΔE反映了能级的变化,因此与之对应的拉曼位移也是特征的。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据。


原理

  共焦显微拉曼光谱仪是将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种应用设备。拉曼光谱属于分子振动光谱,每种物质的拉曼线可以有若干队,每对线对应于物质的两个能级间差值(振动、转动或电子能量间的差值),所以能从分子水平上反映样品化学组成和分子结构上的差异。


  共焦显微拉曼光谱仪可将激发光的光斑聚焦到微米量级,进而对样品的微区进行精确分析,激光在样品上产生作用的确切部位,可以通过CCD鉴定仪和一个TV监视仪,清晰地显示出来,TV屏幕,可以选择有关分析所感兴趣的任何样品的任意部位,整个分析鉴定过程,都非常直观,易于进行观察和控制。这对于肿瘤细胞间细微差异的检测、文物考古、gong安法学中的痕量物质分析等而言,是一个十分理想的手段。

优点

  共焦显微拉曼光谱仪具有很好的空间分辨率,利用共聚焦显微拉曼光谱可以得到样品体积很小和不同深度的光谱信息。共焦显微拉曼光谱仪空间分辨率好于1μm,纵向分辨率达2μm,采用干涉窄带滤光片技术,实现了拉曼光谱二维直接成像,可方便快捷地获得物质成分的微观空间分布;使用计算机控制高精度XYZ三维平台,可实现逐点扫描,获得高分辨率的三维Raman图像。


  共聚焦系统能够消除物镜自身产生的光谱。当入射光和散射光通过光学系统特别是通过显微镜的物镜时,物镜材料的拉曼和荧光光谱会出现并叠加到样品的拉曼光谱上,尤其是在检测高反射率的样品时。共聚焦系统主要给出聚焦区域的光谱,能避免物镜光谱出现。


  共焦显微拉曼光谱仪有多个频率可供选择。但应注意,在测试生物样品时,入射光通过显微物镜把能量集中在一个微区,因此必须采用低功率的激光以避免样品的热和光化学反应。


  综上所述,共焦显微拉曼光谱仪比传统的色散型拉曼光谱仪在分辨率、工作频率、运行速度、灵敏度和微量样品分析诸方面都有了很大提高,显微拉曼光谱技术在多个研究领域发挥着日益重要的作用。


应用

  共焦显微拉曼光谱仪作为目前较先进的拉曼光谱仪,在各行业领域均有广泛的应用:


  1、共焦显微拉曼光谱仪在化学研究中的应用


  共焦显微拉曼光谱仪在有机化学方面主要是用作结构鉴定和分子相互作用的手段,它与红外光谱互为补充,可以鉴别特殊的结构特征或特征基团。拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是鉴定化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性,拉曼光谱还可以作为分子异构体判断的依据。


  在无机化合物中金属离子和配位体间的共价键常具有拉曼活性,由此拉曼光谱可提供有关配位化合物的组成、结构和稳定性等信息。另外,许多无机化合物具有多种晶型结构,它们具有不同的拉曼活性,因此用共焦显微拉曼光谱仪能测定和鉴别红外光谱无法完成的无机化合物的晶型结构。


  在催化化学中,共焦显微拉曼光谱仪能够提供催化剂本身以及表面上物种的结构信息,还可以对催化剂制备过程进行实时研究。同时,激光拉曼光谱是研究电极/溶液界面的结构和性能的重要方法,能够在分子水平上深入研究电化学界面结构、吸附和反应等基础问题并应用于电催化、腐蚀和电镀等领域。


  2、共焦显微拉曼光谱仪在高分子材料中的应用


  共焦显微拉曼光谱仪可提供聚合物材料结构方面的许多重要信息。如分子结构与组成、立体规整性、结晶与去向、分子相互作用,以及表面和界面的结构等。从拉曼峰的宽度可以表征高分子材料的立体化学纯度。如无规立场试样或头-头,头-尾结构混杂的样品,拉曼峰是弱而宽,而高度有序样品具有强而尖锐的拉曼峰。


  研究内容包括:


  ①化学结构和立构性判断:高分子中的C=C、C-C、S-S、C-S、N-N等骨架对拉曼光谱非常敏感,常用来研究高分子的化学组份和结构。


  ②组分定量分析:拉曼散射强度与高分子的浓度成线性关系,给高分子组分含量分析带来方便。


  ③晶相与无定形相的表征以及聚合物结晶过程和结晶度的监测。


  ④动力学过程研究:伴随高分子反应的动力学过程如聚合、裂解、水解和结晶等。相应的拉曼光谱某些特征谱带会有强度的改变。


  ⑤高分子取向研究:高分子链的各向异性必然带来对光散射的各向异性,测量分子的拉曼带退偏比可以得到分子构型或构象等方面的重要信息。


  ⑥聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究。


  ⑦复合材料应力松弛和应变过程的监测。


  ⑧聚合反应过程和聚合物固化过程监控。


  共焦显微拉曼光谱仪是把拉曼光谱仪和标准的光学显微镜耦合在一起,激发激光束通过显微镜聚焦为一个直径在0.5~1.0微米大小的微小光斑,这一光斑所在范围内的拉曼信号通过显微镜回到拉曼光谱仪,然后得到光谱信息。


  共焦显微拉曼光谱仪的空间分辨率在微米尺度,为化学分析开启了一个新维度。但仅仅添加显微镜只能提高横向(XY)空间分辨率,并不能提供纵轴方向(Z)的空间分辨能力。只有共焦光路才能提供纵深方向(Z)的空间分辨能力。目前使用的共焦设计有几种,其中一些是真共焦的,而另一些是赝共焦的,其实际效果也不尽相同。共焦显微拉曼光谱仪设计在光路上安装完全可以调节的共焦针孔光阑,可以达到微米量级的纵向分辨率,可以逐层分析多层薄层样品,即可以在纵向进行拉曼切片。


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