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【拉曼光谱技术科普与应用论坛】刘晓文:拉曼光谱在矿物材料中的应用
时间:2018-04-23    来源:MIGS    浏览数: 字体:【

    

 

 

  演讲嘉宾

       刘晓文

  中南大学资源加工与生物工程学院

  



 

  论坛现场

  


 

 

  拉曼光谱在矿物材料中的应用

 

  刘晓文

 

  大家好,我非常高兴和大家分享《拉曼光谱的联用技术和拉曼光谱在矿物材料中的应用》。

  拉曼光谱的联用技术:一个是微束方法,一个是谱学方法。

 

  微束方法:以电子束、离子束、激光束、质子束或其他粒子束激发样品的微区,产生各种信息,将这些信息加以收集、分析处理、放大、转换成各种图象、图谱或强度数字的技术,可进行成分、形貌和结构的直接观察和测定。主要有扫描电子显微镜、电子探针、透射电子显微镜、质谱仪等;

 

  谱学方法:间接探测矿物中原子的外层电子构型、相互关系以及原子、分子的结构,即通过不同波长、不同能量的电磁波作用于矿物样品时,晶体结构中的电子、原子核、分子之间发生相互作用使其原子的电子能级或核能级之间产生不同类型的跃迁,利用各种专门的测试技术….主要有X射线衍射光谱、红外光谱、拉曼光谱等。

  谱学大概分为三类:发射光谱、吸收光谱和联合散射光谱。今天要讲的拉曼光谱是属于联合散射光谱。

  



 

  对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性。如:N2、O2、Cl2 等。非对称分子:有偶极矩,红外活性。分子振动也可能引起分子极化率的变化,产生拉曼光谱。拉曼光谱不是观察光的吸收, 而是观察光的非弹性散射。非弹性散射光很弱,过去较难观测。激光拉曼光谱的出现使灵敏度和分辨力大大提高,应用日益广泛。

  



 

  拉曼光谱是研究分子和光的相互作用的散射光的频率。入射光进入后只有非常少的部分,大概千分之一或是万分之一发生散射,还有就是非弹性散射,这就更少了,大概有十万分之一,刚刚台湾黄怡帧教授说是一万分之一,可见真的是非常少了。激光技术的成熟提供了光源,拉曼光谱才得到了推广。

  

 

  拉曼偏振:拉曼光谱的光源为激光光源,且激光属于偏振光。当入射激光沿x轴方向与分子O作用时,可散射出不同方向的偏振光。若在y轴方向上放置一个偏振器P,当偏振器平行于激光方向时,则zy面上的散射光可以通过,当偏振器垂直于激光方向时,则xy面上的散射光可以通过。

  



 

  若偏振器平行、垂直于激光方向时,散射光的强度分别为I║、I^,则两者之比称为退偏比,即rP=I^/ I║。退偏比与分子的极化率有关:

  



 

  对于球形对称振动来说,rP为零。对非对称振动而言,极化率是各向异性的。rP越小,分子的对称性越高。 通过测定拉曼线的退偏比,可以确定分子的对称性。

  拉曼最主要的特征是有拉曼位移。Δn即散射光频率与激发光频之差。由于拉曼位移Δn只取决于散射分子的结构而与no无关,所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱,适合于分子结构分析。

  在拉曼光谱RamanSpectrum中,由于拉曼位移与激发光无关,一般仅用Stokes位移部分。对发荧光的分子,有时用反Stokes位移。

  拉曼光谱的信息有很多,从它的频率确认嫩分析物质的组成;拉曼峰位的变化对应张力;拉曼的峰宽就是代表晶体的质量等。

  



 

  拉曼的特点之前几位老师讲的也很详细了,我想补充的是拉曼光谱有一个最大的特点,就是可以做水体研究。这个非常重要,当我们做了基础研究课题,尤其对无机物的研究远比红外吸收光谱方便。再一个拉曼覆盖的波数非常大,一次可同时覆盖50-2000cm-1波数区间。我们可以将中红外和远红外一次性监测出来。一般的实验室都只有中红外这种仪器。我们说红外有近红外,中红外,远红外,每一个区段它研究的峰结构是不一样的。

  



 

  在2017年的芒果国际珠宝的展会上我们带来了一个便携式的拉曼仪器,但是它的激光能量还是有限的,效果不如实验室的机器,但是也是比较准确的。它有探头,利于翡翠原石直接现场的检测。

  



 

  还有色散性的拉曼光谱仪器、傅里叶变换拉曼光谱仪、共振拉曼光谱、表面增强拉曼光谱。

  



 

  



 

  



 

  



 

  

 

  我们说有了激光才有了拉曼光谱,下面是拉曼光谱的联用技术。第一个是红外光谱与拉曼光谱联用,红外吸收和拉曼共点测量。

 


 

  AFM和拉曼光谱仪联用

  

 

 

  显微共焦拉曼/ 同步辐射联用技术

  



 

  



 

  显微共焦拉曼/扫描电镜联用技术

  



 

  显微共焦拉曼/显微x射线衍射联用技术

  

 

 

  



 

  拉曼光谱在矿物材料中的应用就是与材料有关的矿物学分支学科矿物材料。矿物材料是从矿物原料性质与特点出发,研究矿物材料的组成与结构、制备与合成、性能、应用及其相互关系与规律的一门学科。矿物材料研究的内容:矿物原料性质、矿物材料组成与结构、矿物材料性能测试、矿物材料组成,结构与性能关系、矿物材料深加工、改造与使用过程中变化机理。

  

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