拉曼光譜原理和圖解

1、,拉曼測量的是什么？,光散射 - 瑞利散射,散射光中，彈性 (瑞利) 散射占主導前…后…散射光與入射光有相同的頻率,,入射光,,,,分子,? excitation,emission,光散射 - 拉曼,散射光中的1010光子之一是非彈性散射（拉曼）前…后…光損失能量，使分子振動,,入射光,,,,分子,?excitation,?excit.-?vib.,emission,,,,拉曼光譜的優(yōu)點和特點,

2、對樣品無接觸，無損傷；樣品無需制備；快速分析，鑒別各種材料的特性與結(jié)構(gòu)；能適合黑色和含水樣品；高、低溫及高壓條件下測量；光譜成像快速、簡便，分辨率高；儀器穩(wěn)固，體積適中，維護成本低，使用簡單。,High spatial resolution: 高空間分辨率(對包裹體,金剛石壓砧中的樣

3、 品等尤其有用),,Non-destructive analysis: 無損分析,Almost no sample preparation: 幾乎不用樣品制備,Very small amount of sample:微所須樣品量少,Characteristic vibrational spectrum: 指紋性振動譜,為何使用顯微拉曼,Information obtained from

4、 Raman spectroscopy 拉曼光譜的信息,拉曼光譜的特點和主要困難,拉曼散射信號弱（比熒光光譜平均小2－3數(shù)量級）。激光激發(fā)強。拉曼信號頻率離激光頻率很近。激光瑞利散射比拉曼信號強1010－1014，對拉曼信號干擾很大。拉曼光譜儀器的設(shè)計，必須能排除瑞利散射光，并具有高靈敏度（體現(xiàn)在弱信號檢測的高信噪比 ），才能有效地收集拉曼譜。,Renishaw拉曼光譜儀的優(yōu)勢:,優(yōu)勢 1. 高靈敏度： 靈敏度遠

5、高于其它同類拉曼譜儀檢驗標準：硅三階峰（約在1440 cm-1）的信噪比≧10:1，檢測條件為：激光輸出功率20mW，波長514.5nm，狹縫寬度50微米，曝光時間60秒，累加次數(shù)5次，binning為1或2，光柵為1800刻線。顯微鏡頭為 X50常規(guī)鏡頭。,高靈敏度,在Renishaw inVia拉曼光譜儀上測得的硅的三階與四階聲子模的拉曼峰。,高靈敏度,高靈敏度,雷尼紹拉曼光譜儀光路結(jié)構(gòu)示意圖,優(yōu)勢 2. 高穩(wěn)定性、高重復性

6、 穩(wěn)定性、重復性標志一臺儀器的質(zhì)量 - 保證了數(shù)據(jù)的可靠性及重復性 - 是檢測光譜微小變化的關(guān)鍵性能， 如材料的應(yīng)力、應(yīng)變引起的波數(shù)位移,高穩(wěn)定性、重復性,高穩(wěn)定性、高重復性,雷尼紹拉曼光譜儀的傳動部件使用了世界領(lǐng)先的RG2線形和圓形編碼器，克服了機械間隙。 能夠給光譜儀帶來空間與光譜的高穩(wěn)定性高重復性高

7、精度與高準確度,高穩(wěn)定性、高重復性,帶編碼器控制的自動平臺 重復性: ± 0.2 µm，較無編碼器控制的自動平臺提高了10倍 步長: 0.1 µm (x- and y-axes)1 µm (z-axis),高穩(wěn)定性、高重復性,圓形編碼器控制的光柵轉(zhuǎn)動臺技術(shù)直接測量轉(zhuǎn)動角度，同時編碼器精密伺服控制其轉(zhuǎn)動，而非采用計量馬達轉(zhuǎn)過多少圈的辦法確保光柵轉(zhuǎn)動的精確性和重復性。,*grat

8、ing and wavelength dependent,高重復性、高穩(wěn)定性,光柵轉(zhuǎn)動重復性實驗,14220 cm-114430 cm-114885 cm-114971 cm-1,This error plot show that during normal working day all the errors track and the typical errors are less than 0.05 cm-1,D Frequ

9、ency cm-1,光柵轉(zhuǎn)動重復性實驗,高重復性、高穩(wěn)定性,某條原子發(fā)射線隨光柵24小時轉(zhuǎn)動的位置重復性實驗結(jié)果細節(jié);間隔30分鐘的抖動是由于室內(nèi)空調(diào)的啟動與關(guān)閉引起的凌晨2點鐘時的最大偏差是由外部環(huán)境空氣溫度最低造成的盡管是在溫差較大的辦公室環(huán)境（而非溫度控制的實驗室環(huán)境） 最大偏離也不過0.06 cm-1,高重復性、高穩(wěn)定性,光柵轉(zhuǎn)動重復性實驗,Frequency shift due to stress,,,tensile

10、,compressive,高穩(wěn)定性、高重復性,µm,1 s exposure per spectrum(51x51=2601 spectra),Intensity / counts,,拉曼峰的微小移動,硅器件應(yīng)力測量,優(yōu)勢 3. 同步連續(xù)掃描專利技術(shù)（SynchroScan） （Patent No. EP0638788, US5,689,333）可一次性連續(xù)獲取任意寬波段范圍光譜（拉曼及發(fā)光光譜

11、），無需人為接譜，無需使用低分辨率的光柵，且保證高分辨率，并可平均掉單探測點噪音及缺陷。,同步連續(xù)掃描專利技術(shù),同步連續(xù)掃描（SynchroScan）技術(shù)光柵連續(xù)轉(zhuǎn)動CCD電荷的移動與光柵的轉(zhuǎn)動同步優(yōu)點無需接譜連續(xù)極端大范圍掃描（9000cm-1以上）信號橫越CCD的整個寬度，可將電荷 漏電等噪聲平均掉，不會產(chǎn)生贗譜避免了材料的熒光背景雖時間逐漸減弱(淬滅)產(chǎn)生明顯贗譜的問題。,同步連續(xù)掃描專利技術(shù),同步連續(xù)掃

12、描技術(shù)專利技術(shù),特別注意 連續(xù)掃描的光譜收集方式應(yīng)該是能常規(guī)使用,即有實用性,才有意義。 Renishaw公司的拉曼系統(tǒng)的連續(xù)掃描功能是在實驗中最常用的光譜收集方式。因有專利保護，現(xiàn)其它廠家無法使用。 如果有其它也稱之為“連續(xù)掃描”光譜收集方式，但須用巨量時間，則無實用意義。,同步連續(xù)掃描專利技術(shù),優(yōu)勢 4： 采用Leica顯微鏡 高熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性 目鏡：Leica 原配，符合歐洲及北美等安全標準。

13、好處是 a. 高分辨，大視野，可方便、準確地尋找微米 級樣品：如礦物包裹體等，以及低反差樣品；b. 可安全地觀察激光焦點，以確認激光焦點是否聚焦在微米顆粒上。 同時配有攝像機：彩色，高分辨，可觀察激光焦點，不飽和，提供圖像采集卡及軟件，可在計算機上存儲白光照片，無需照相機。 照明光源：Leica原配，確保質(zhì)量。,采用Leica顯微鏡,優(yōu)勢 5. 數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù)受專利保護的最新的顯微共焦系統(tǒng)技術(shù)，無需調(diào)節(jié)針孔，并可連續(xù)

14、調(diào)節(jié)共焦深度，大大提高了儀器的光通量和穩(wěn)定性。,數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),共焦原理Non-confocalConfocal,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

15、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),OLD,NEW,實現(xiàn)共焦的兩種方式,數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),共焦應(yīng)用:高分子樣品的深

16、度分布,Sample2 µm thick polyethylene (PE) filmThick polypropylene(PP) substrateLaser633 nm HeNeSpectrometer settingsSlit width 10 µm,數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),Conditionsx50 objectivefocus down through samp

17、le from PE to PPResultsweak PP features seen on PE spectrumstrength increases until only PP seen,數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),Liquid and gas inclusions in quartz,,共焦應(yīng)用 - 石英內(nèi)的氣、液包裹體,數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),,,quartz,H2O,CO2,CH4,,,,,,,,N2,,數(shù)字化顯微

18、共焦技術(shù)的優(yōu)點 ： 不需要額外的透鏡，信號透過率高 操作簡單、靈活深度共焦的效果： 完全可以達到深度分辨率2微 米,,4,數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),科學家評價： “Using these slits instead of pinholes makes it easier to make the optical alignments needed for co

19、nfocal Raman measurements.” (K.Ajito & K. Torimitsu, NTT Japan “Trends in Analytical Chemistry”, 20, 2001),Sample - SiO2 pattern on Si substrate,,Sample - SiO2 pattern on Si substrate,,Scan over a sharp edge, int

20、ensity variation shows lateral resolution,,激光擴束技術(shù) 空間分辨率可達至理論衍射極限,,數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),Raman microscopy: Confocal basics,The system laser focus beam waist (dl) is determined by:1) Excitation wavelength: l2) Microscope o

21、bjective focal length : f3) Effective laser beam diameter at the the objective backaperture: Dl,Lateral spatial resolution,雷尼紹拉曼光譜儀光路結(jié)構(gòu)示意圖,優(yōu)勢 6. 1. 16級激光功率縝密衰減 （可從100%至5x10-8%） 2. 采用激光擴束器

22、技術(shù)，可以連續(xù)改變激光焦點處光斑大?。?-250微米），進 而可以連續(xù)改變作用于樣品上的功率密度注：激光功率過高或者激光功率密度過高，有的樣品可能被燒，也有的樣品雖然不會破壞，但在激光加熱下，會產(chǎn)生應(yīng)力，導致拉曼峰的移動，影響了實驗結(jié)果的準確性。,激光功率衰減以及激光功率密度連續(xù)變化,激光功率衰減以及激光功率密度連續(xù)變化,激光功率16級衰減,激光功率衰減以及激光功率密度連續(xù)變化,激光擴束,,擴束,擴束器控制鍵,,優(yōu)勢 7.

23、自動化程度高激光光路計算機控制、調(diào)節(jié)、存儲激光光路的位置激光光路可自動準直激光波長可自動切換等等部件瑞利濾光片自動切換光柵可自動切換狹縫大小可自動調(diào)節(jié)等等功能共焦與非共焦可自動切換取譜模式與觀察樣品模式可自動切換自動切換激光的16級衰減模式等等,自動化程度高,優(yōu)勢 8. 選擇了最佳成像質(zhì)量的CCD芯片尺寸為什么Renishaw可以選擇小尺寸芯片？因為有專利保護的連續(xù)掃描技術(shù)，可以保證連續(xù)獲取任意寬波

24、段范圍的光譜,最新的顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),CCD芯片尺寸的選擇,CCD芯片尺寸的選擇,Renishaw inVia Series Typical Competitor芯片： EEV 576x398

25、 EEV 1024x256芯片寬度： 12.7mm 25.6mm由上圖可見，CCD芯片越寬，邊緣處光斑像差越大，選擇小尺寸芯片可以避免像差。,優(yōu)勢 9. 可以選擇的儀器分辨率/靈敏度 分辨率和靈敏度是一對矛盾，分辨率提高的同時，靈敏度將會下降。 分辨率和多種因素

26、有關(guān)，不僅僅取決于焦長。在Renishaw的儀器上，用戶可根據(jù)所研究的樣品來選擇分辨率和靈敏度，既可選擇高分辨率，也可選擇高靈敏度,最新的顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù),分辨率/靈敏度的選擇,Sample/Application determines required system resolution,咖啡的拉曼光譜相同的激光功率,分辨率 ~7 cm-1(光柵600 l/mm),分辨率 ~1 cm-1(光柵2400 l/mm),Sin

27、gle static scan with 600 l/mm, 10 stitched static scans with 2400 l/mm,10 秒,60秒,分辨率/靈敏度的選擇,功能擴展能力強,優(yōu)勢 10. 功能擴展能力強可與掃描電鏡（電子探針，能譜，陰極熒光）聯(lián)用 可與原子力顯微鏡/近場光學聯(lián)用可與付立葉紅外光譜儀聯(lián)用可與共聚焦掃描顯微鏡聯(lián)用注意：若需要聯(lián)用功能，可隨時升級,擴展功能強 Raman/SEM,將SE

28、M的高清晰的空間分辨率與拉曼光譜有效結(jié)合SEM性能不受影響可測紫外-可見-近紅外的拉曼與發(fā)光光譜可測磷光光譜可與低真空與高真空裝置聯(lián)用可與能譜聯(lián)用,Sample application - materials science,材料科學Diamond - top spectrumSilicon carbide - lower spectrum,,擴展功能強 Raman/SEM,BenefitsEnhanced spati

29、al resolution (NSOM)Enhanced sample imaging (AFM), same area analysisCombined software for AFM/Raman image acquisition and overlay.,擴展功能強 Raman/AFM/NSOMSEM,Nanonics NSOM/AFM 100Renishaw MicroscopeCustom software lin

30、king Nanonics and Renishaw packaged (Cavendish Instruments Ltd).,University of Sheffield, Dept Chemistry,擴展功能強 Raman/AFM/NSOM,Stress and phases,,14 mm,University of Sheffield, Dept Chemistry,擴展功能強 Raman/AFM/NSOM,功能擴展能力