拉曼散射的应用

 拉曼散射的应用简介 在介绍拉曼光谱应用之前，首先简单说说什么是拉曼光谱。拉曼光谱是印度科学家C. V. Raman 在1928年首先在CCl4光谱中发现的，当一束光入射到样品上，在接收的散射光中测量到除了与入射光频率相同的光之外，同时还发现有一些频率发生变化的光，这部分变化的频率是与物质结构相关的，因此这种效应命名为Raman（拉曼）效应。 拉曼散射是一个非弹性散射过程，在此过程中，光子被物质分子或晶格散射，能量发生了改变。这种能量的变化表征了分子和化学键的特征，体现了物质的结构特征，其具体表现形式就是拉曼位移。因而人们把拉曼谱称为物质的“指纹”。 什么是拉曼光谱？什么是拉曼光谱？以单晶Si的拉曼光谱为例说明的拉曼光谱为例说明，说明，下图为单晶Si的拉曼光谱：的拉曼光谱： 拉曼光谱的横坐标（Raman Shift (cm-1)）：探测到的是散射光中频率发生改变的那部分光，数值大小代表频率改变的大小，这个大小是与物质结构紧密相关的，因此是不随入射光频率（波长）变化而发生改变的，所以这个特征谱线的位置可以给出物质的特定的结构信息。比如Si峰的位置：521 cm-1，表征了单晶Si结构中Si-Si振动的信息。 拉曼光谱的纵坐标（Intensity (cnt)）：表征了信号的强度。 35 00030 00025 000Intensity (cnt)20 00015 00010 0005 0000200400600Raman Shift (cm-1)8001 000 从拉曼光谱中我们可以分析什么信息？从拉曼光谱中我们可以分析什么信息？ 1 定性和定量信息：定性和定量信息： 1- 强度：正比于浓度 2- 峰位：表征化学组成和结构信息 3- 峰位移动：应力和温度效应的影响 4- 线宽：结构的有序度 拉曼光谱仪主要应用：拉曼光谱仪主要应用： 1. 无机、有机、高分子、爆炸物等化合物的定性分析； 2. 材料晶型变化、结构及其缺陷的研究； 3. 材料成分表面分布及其深度分布变化研究； 4. 高分子结构变化、相容性、应力松弛及分子相互作用研究； 5. 材料的变温过程分析。 6. 生物大分子的构象变化及相互作用研究； 7. 痕量分子的表面增强拉曼分析； 8. 地矿学岩石种类鉴定，包裹体研究 9. 其它如：中草药、文物、宝石、公安物证、爆炸物等无损分析； 下面简要叙述拉曼光谱所能提供的信息下面简要叙述拉曼光谱所能提供的信息。简要叙述拉曼光谱所能提供的信息。 拉曼光谱技术以其信息丰富，制样简单，对样品无损伤等独特的优点，在化学、材料、物理、高分子、生物、医药、地质等领域有广泛的应用。随相关技术的发展，如共焦技术，信号检测技术（CCD），高效率Notch/Edge filter，XYZ三维自动平台等的应用，使得操作更为简便，应用更加广泛。因而，拉曼光谱也越来越广泛地应用于各种材料制备、加工等方面的研究，其应用领域涉及生物，碳材料，半导体，薄膜，高分子，电化学，环境，医药等等。 2 一、拉曼光谱在化学研究中的应用 有机化学方面：主要是用来鉴定结构和分子相互作用，它与红外光谱互为补充，可以鉴有机化学方面别特殊的结构特征或特征基团。拉曼位移的大小、强度，拉曼峰形状以及拉曼峰的个数是鉴定化学键、官能团的重要依据。利用高分辨拉曼光谱，还可以作为分子异构体判断的依据。 无机化学方面：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，由此拉无机化学方面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，因此用拉曼光谱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。 催化化学：拉曼光谱能够提供催化剂本身以及表面上物种的结构信息，还可以对催化剂催化化学制备过程进行实时原位条件下 (高温、高压，复杂体系) 的研究。因此在表征催化剂结构及性能，活性中心，催化剂表面反应吸附态、中间物，以及催化动力学等重要方面是不可替代的。 二、拉曼光谱技术在材料科学研究中的应用 拉曼光谱中材料科学中是物质结构研究的有力工具，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多工作。比如： （1）薄膜结构材料拉曼研究：拉曼光谱已成为薄膜的检测和鉴定手段。拉曼可以研薄膜结构材料拉曼研究究单、多、微和非晶硅结构以及硼化非晶硅、氢化非晶硅、金刚石、类金刚石等薄膜的结构。 （2）超晶格材料研究：可通过测量超晶格中的应变层的拉曼频移计算出应变层的应超晶格材料研究力，根据拉曼峰的对称性，知道晶格的完整性。 （3）半导体材料研究：拉曼光谱可测出经离子注入后的半导体损伤分布，可测出半半导体材料研究磁半导体的组分，外延层的质量，外延层混品的组分载流子浓度。 （4）耐高温材料的相结构拉曼研究。耐高温材料的相结构拉曼研究 （5）碳材料的拉曼研究材料的拉曼研究。的拉曼研究 （6）纳米材料的量子尺寸效应研究。纳米材料的量子尺寸效应研究 3 举例说明：举例说明： 一、典型的纳米材料－典型的纳米材料－碳纳米管：碳纳米管： 拉曼光谱中可以得到样品组成和纯度，碳纳米管的手性和直径，均匀性等信息。碳纳米管具有极高的韧性，兼具金属性和半导体性，其强度比钢高一百倍，而比重只有钢的六分之一，因而碳纳米管具有广泛的应用前景，涉及气体储存、量子导线，电子器件和催化剂载体及复合材料等诸多方面。 拉曼光谱被广泛用于表征碳纳米管和单壁碳纳米管的直径和手性。碳纳米管的径向呼吸振动模（RBM）表征了碳纳米管的重要特征。其中，单壁碳纳米管的呼吸振动模的拉曼位移与碳纳米管的直径的倒数为线性相关。有实验表明，对于孤立的单壁碳纳米管的直径，拉曼位移＝224/dt。而非孤立的碳纳米管的直径受管间的相互作用而造成其RBM频率向高波数移动6～14cm-1。 下图是单壁碳纳米管各个主要振动频率的指认。 其中拉曼光谱仪的重要参数－其中拉曼光谱仪的重要参数－分辨率：分辨率： 分辨率----用于分开靠得很近的谱峰；对于某个特定类型的碳纳米管或各种管径混合的碳纳米管都存在这种现象。如下图所示，对于样品上的同一点，红色谱线是高分辨的结果，蓝色谱线是一般分辨率的结果，可以看到高分辨的结果可以明显的区分碳纳米管的呼吸振动模，以便于管径分布的计算： 4 x1034035Intensity (cnt)30252015105120140160180200220240260Raman Shift (cm)-1 二、拉曼光谱在纳米器件方面的应用：拉曼光谱在纳米器件方面的应用： 图1为具有图形结构的Si片表面的白光图，通过共焦显微拉曼光谱给出Si片表面结构变化的一维，二维和三维图谱，如图2所示。（Si峰在压应力或者张应力的作用下会产生拉曼位移的变化，因而可以定量的得出该位置的应力大小）。 图1：具有图形结构的Si片表面——每隔250 nm有一条宽度为350 nm划痕 5 3000280022.72600250022.8Length Y (祄)Intensity (counts/s)2400200022.922002000150023.0180030.531.0Length X (祄)31.532.030.531.0Length X (祄)31.532.0 图2：Si片表面图形及深度方向的拉曼光谱二维、一维和三维成像图 3000521.4521.22500521.02000520.8520.61500520.4借助于XYZ自动平台或高精度Piezo平台，使用mapping技术能很好的表征应力在空间的分布。在集成电路上的缺陷等问题有些归结为由于在制造过程各个环节产生的应力造成的。这些问题将会随着集成电路形状和基底的复杂化而更为尖锐。因而拉曼光谱在这个领域的应用是非常有前景的。同时，拉曼光谱也同样可以用于其它的半导体纳米器件材料如ZnO，CdS, Si, GaN等等。 三、拉曼光谱在生物学研究中的应用 拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。生物大分子的拉曼光谱可以同时得到许多宝贵的信息： （1）蛋白质二级结构：α-螺旋、β-折叠、无规卷曲及β-回转 （2）蛋白质主链构像：酰胺Ⅰ、Ⅲ，C-C、C-N伸缩振动 （3）蛋白质侧链构像：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的侧链和后二者的构像及存在形式随其微环境的变化 （4）对构像变化敏感的羧基、巯基、S-S、C-S构像变化 6 （5）生物膜的脂肪酸碳氢链旋转异构现象。 （6）DNA分子结构以及和DNA与其他分子间的作用。 （7）研究脂类和生物膜的相互作用、结构、组分等。 （8）对生物膜中蛋白质与脂质相互作用提供重要信息。 举例说明：举例说明： 拉曼光谱在医药中的应用 拉曼光谱可以用来研究：同分异构的鉴别，涂层，聚合物，组分的mapping，分子结构的判定，相的辨别，原材料的确认等等。 药物的形态影响溶解度和药效，但是在制药过程中可能会发生改变，药物活性成分在要药片上的分布可以保证正确的剂量，但是哪怕是原材料和工艺的变化很微小也不能确保药物不发生聚集。而拉曼光谱可以给出这方面的详细的信息。 下面左图是药品中不同成分的拉曼光谱图，右边是二维拉曼成像。其中绿色是乳糖，红色是药物的活性成分，可见拉曼成像更能清晰而明确的显示出各个组分的分布。对于研究药物吸收与药物成分在药品中分散有重要意义。 四、拉曼光谱在高分子材料中的应用 拉曼光谱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、结晶与取向、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 7 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。 总之，拉曼光谱在生物和材料科学中的应用越来越广泛和深入，为新材料的制备和表征提供了许多重要的信息。 五、拉曼在晶体加工中的应用介绍：拉曼在晶体加工中的应用介绍： 以上提到了拉曼在各个领域的应用，那么针对晶体加工过程中遇到的问题，讲述一下拉曼光谱在这个领域内的应用。 （1） 晶体加工质量控制：表面是否产生无序，是否引入缺陷，杂质 （2） 多种晶形不同相结构的鉴别：可以区分各种晶相和无定形结构 （3） 应力研究：可以分析晶体表面或者内部的裂痕周围应力的分布 （4） 合金材料化学计量：因为含量与拉曼光谱之间有简单的对应关系 对于这个领域的应用，对于仪器的性能方面需要以下要求： 1- 高的光谱分辨率：特别是对于应力测试和相变测试，由于峰位的移动变化非常小，因此光谱仪必须具备能够准确得到谱峰的位置，分辨不同谱峰的能力。 8 2- 高的空间分辨率：XYZ自动平台配合自动聚焦附件可以得到高空间分辨率的拉曼光谱成像功能。 3- 使用多个波长激发：可以分辨拉曼光谱和荧光光谱，并且避开荧光光谱的干扰。 4- 真共焦特性：可以控制测试样品的深度。 下面举例说明： 1: Si材料，具有很多种结构，不同的结构又具有不同的拉曼特征谱，在对Si片加工过程中表面可能会产生其他结构的Si材料，通过拉曼光谱可以知道这些不同结构Si材料的分布。同时可以计算得到单晶Si和微晶Si含量的比例。例如：单晶Si，微晶Si和无定形Si材料的光谱如下图所示： crystalline c-Si micro-crystalline µc-Si amorphous a-Si Intensity [a.u.] 300400500Raman Shift [cm-1600700] 45 00040 00035 00030 000µc-Si µc-Si a-Si a-Si 430.5 475.2 496.6 508.5 512.9 50 000µc-Si 25 00020 00015 00010 0005 0000380400420440460480500520540560 9 2：应力测量：在纳米材料器件应用中（二-2），讲了这个部分的应用，可以参考。 拉曼光谱拉曼光谱仪光谱仪介绍：介绍： 现代拉曼光谱仪的基本组成有5个部分：激光器及外光路系统、滤除瑞利线元件、光谱仪、信号检测系统和数据采集、处理系统。 选择拉曼光谱仪系统需要从以下几个方面考虑： 1：空间分辨率 2：光谱分辨率 3：系统灵敏度 4：光谱仪是否无色差 5：系统稳定性 6：光谱仪是否可以灵活扩展 a) 如何提高如何提高空间分辨率提高空间分辨率。 空间分辨率一般采用共焦的方式来提高空间分辨率，共焦是指纵向分辨率，可以逐层测量多层薄膜。共焦采用什么方式非常重要，原因有两个： 1) 针孔共焦：在共焦的情况下，仍有很高的灵敏度，也就是说，我们既要去除我们不需要或不想得到的信号，又要最好地得到我们需要的信息。下图是在共焦（针孔200微米）和非共焦（针孔400微米）下的灵敏度实验。由此可见和非共焦条件相比，在共焦状况下背景（杂散光）下降，但信噪比并没有明显下降，而O2和N2的峰要弱得多。 10 85008000750070006500Intensity (cnt)600055005000针孔：400微米 针孔：200微米 O2 N2 450040003500300015002000-1Raman Shift (cm)2500实验条件： 光栅：600g/mm 分辨率：小于2cm-1 激发波长：532nm, 到样品上功率：10毫瓦 积分时间：100s X 3（平均） Binning: 1 2) 在针孔共焦光路设计中，计算机控制调节共焦孔径，直接在软件设置，共焦孔径可在10到1000微米连续变化，使得做共焦实验非常简单，也非常容易地达到极限空间分辨率。 还有一些低成本简单共焦方法采用的是用狭缝和CCD像元虚拟针孔方式，非针孔。做共焦实验时，虽然会对信号和灵敏度会有很大的影响，但造价便宜，也有些厂家采用这种方式。因为是虚拟的针孔，不能做到在10-1000微米范围内连续可调，也不能用软件控制连续调节。再者，此种方法在做共焦实验时，需要调节狭缝和CCD像元，非常麻烦，即使是全自动的仪器，虚拟针孔只有“开、关”两个位置，无法做到连续调节。 b) 高光谱分辨率 高光谱分辨率 为什么需要高分辨仪器？ 11 下图是碳纳米管的谱图，由此可见，更高的光谱分辨率可以对不同尺寸的碳纳米管进行更细致的观察。 x1034035普通分辨率 高分辨率模式 Intensity (cnt)30252015105120140160180200220240260Raman Shift (cm-1)如何提高如何提高光谱提高光谱设备光谱设备的设备的光谱分辨率光谱分辨率？分辨率？ 长焦长的拉曼光谱仪具有更高的光谱分辨率，如果选用800mm焦长，在全程范围内分辨率好于0.65波数，因为使用1800g/mm，所以效率也非常高。 对于短焦长的仪器，250mm或300mm的仪器，用1800g/mm光栅，在514.5nm激发时，分辨率约为2波数，如想小于1波数，必须使用3000g/mm。而3000g/mm光栅的光谱范围非常窄，Cut off为560nm, 对于拉曼信号较弱的样品，为了保证有足够的通光效率，探测范围则更窄。而在514.5nm激发时，通常的拉曼光谱范围应为514nm到648nm之间，显然已经超出3000g/mm光栅的最佳工作区域，因此3000g/mm光栅在514nm激发时不能得到全范围的拉曼光谱，在可以得到光谱的区域，因为此时光栅角度非常大，灵敏度将会很差。而3000g/mm在632.8nm激发时则无法工作。所以很多光谱公司更倾向于选用长焦长，低刻数光栅来达到好的光谱分辨率。 在紫外波长激发时，分辨率的高低显得更为重要，因为在244nm激发时，分辨率要较514.5nm差约4倍，在325nm激发时，分辨率要比514.5nm差约3倍，也就是说，如果在514nm激发时为2cm-1的话，在244nm激发时，分辨率约为8cm-1，在325nm激发时，分辨率约为6cm-1。因此长焦长、高分辨率的仪器显得更为重要。 用长焦长仪器，可在全波段范围达到高分辨率。在同样分辨率时，灵敏度要高，因为采用了最佳的光栅使用范围。 12 c) 系统的高灵敏度 系统的高灵敏度来源于优质元器件（光栅，镜子，CCD等）和高水平的光路整体设计。 通常用硅的第三和第四阶拉曼峰的信噪比，来表示拉曼系统的灵敏度，下图是单晶硅片灵敏度实验。由图可看出，在同样的分辨率的情况下，三阶峰的信噪比可以好于15:1请注意： O2和N2的两峰强度相对小很多，说明拉曼光谱系统的Z方向空间分辨率好，这是真共焦方式的优点。若采用连续扫描方式，信噪比会更好（图2）。 85008000750070006500Intensity (cnt)6000550050004500400035003000针孔：400微米 针孔：200微米 O2 N2 图1： 实验条件： 光栅：600g/mm 分辨率：小于2cm-1 激发波长：532nm, 到样品上功率：10毫瓦 积分时间：100s X 3（平均） Binning: 1 扫描方式：多窗口 85008000750070006500Intensity (cnt)600055005000450040003500300015002000-1Raman Shift (cm)2500 多窗口 连续扫描 图2： 实验条件： 光栅：600g/mm 分辨率：小于2cm-1 激发波长：532nm, 到样品上功率：10毫瓦 积分时间：100s X 3（平均） Binning: 1 针孔：400微米 扫描方式：连续扫描 250015002000-1Raman Shift (cm) 13 d) 光谱仪的光谱仪的选择 选择 光谱仪要是无色差的，即从可见到近红外全谱段内取谱除了需更换滤除瑞利线的滤光片和光栅外，不需更换其它光学元件，如透镜。 色差示意：色差示意： 透镜的折射率折射率是波长的函数。使用透镜的光谱仪只在某一个一个波长λ0是严格聚焦的。折射率一个其它λ越远离λ0，焦距偏差越大（见图）。一副透镜不可能在紫外-可见-近红外这样宽的谱段上工作。 如果测宽谱的PL或FL信号，不管中途换或不换透镜，也许软件可将光谱连接在一起，但光谱实质上都是失真的和/或不连续的，即色差是不能忽略的。即色差是不能忽略的 透镜 = 色差 λ1, λ2, λ3 如下左图，如下左图，λ2的短波和长波方向的λ1, λ3在狭缝平面都是在狭缝平面都是不聚焦的 透镜 狭缝 狭缝 反射镜为基础的光谱仪则没有色差没有色差 反射镜反射镜 = 无色差 （全谱段聚焦） e) 系统具有高度稳定性系统具有高度稳定性：整体性结构，激光光源，显微镜，光路光学元件，光谱仪及系统具有高度稳定性CCD探测器等直接与光路有关的主要部件都刚性地固定于一个机箱上，整体机械稳定性很高，无需经常调整仪器。 f) 切换波长容易f) 切换波长容易，只需几分钟，波长切换后无需调整光路，操作简单，真正可以做到切换波长容易想换波长时即可换。 g) 灵活扩展性g) 灵活扩展性：灵活扩展性：可以根据需要配置和升级多个激发波长及各种附件，例如，开放式显微镜（对于大样品或重样品是必需的）－用于在线实时检测样品加工反应过程；光纤探头；水平显微镜等高级功能附件。 14 h）与多种其他测试手段的耦合：与多种其他测试手段的耦合：可以与FTIR（红外），AFM（原子力显微镜），SEM（扫描电镜），TCSPC（时间相关单光子计数技术，做时间分辨）等耦合。 15