仪器分析2014振动光谱三技术

1、振动光谱-3 仪器和方法Vibrational Spectroscopy任斌brenZ利用群论方法分析振动光谱的方法ysV（xz） sV(yz)C2vEc2Ga步骤：1. 根据确定x的空间结构，的点群；A11111TZx2;y2;z2A11-1-1Rxy2Z2. 确定在对称操作下不动原子数目；B11-11-1Tx;RyxzB21-1-11Ty;RxyzGxyz3-1113. 结合特征标表x,y,z坐标的特征标，求出运动的总的可约表示；不动原子数31134. 从运动的总可约表示中减去转动和平动的不可约表示，获得振动的可约表示，通过约化G总9-113公式得到简正振动的不可约表示。G平动=Gxyz3

2、-1115. 利用光谱选律确定某一简正振动是否具有红外或者Gy (1)活性：是否含有全对称不可约表示：G转动3-1-1-1Äa Ä Gy (0)Ä (Gm) Ä Gy (0)Gy (1)G振动3113对于基频（全对称不可约表示），可用简化方法ÄaGy (1)Ä GmGy (1)G振动=2A1+B2简正振动的对称性分析H2OZ全对称 不可约表示yx原子数目´ cG(R)xyzcG (R) = cG(R) + cG(R) + cG(R)总平动转动振动cG(R) = cG(R) + cG(R) + cG(R)xyzRxRyRzR)

3、 + cG(R) + cG(R)yzC2vEc2sV（xz）sV(yz)A11111TZx2;y2;z2A211-1-1RZxyB11-11-1Tx;RyxzB21-1-11Ty;RxyzGxyz3-111cG(R) = cG(不动原子数3113xyzxG总9-113cG(R) = 不动G平动=Gxyz3-111总G转动3-1-1-1G振动3113简正振动的对称性分析Zyx1håRgc(R)cG (R)ai =) = 2G1ia=(1A14a= 1 (1´1´3+1´1´1+ (-1)´1´1+ (-1)´1

4、80;3) = 0A24G=2A +B振动121aB= 4 (1´1´3+ (-1)´1´1+1´1´1+ (-1)´1´3) = 01a= 1 (1´1´3+ (-1)´1´1+ (-1)´1´1+1´1´3) =1B24C2vEc2sV（xz）sV(yz)A11111TZx2;y2;z2A211-1-1RZxyB11-11-1Tx;RyxzB21-1-11Ty;RxyzG振动3113振动光谱选律-简化方法红外选律Gy (1)

5、6; GmG振动=2A1+B2é B1 ùé A ùé B , B , A ùÄ êBú =1121êB úê A , A , Búê2 ú都含有全对称不可约表示A1，3个振动ë2 ûë22 ûê A ú1ë1 û都是红外和性的。活选律ÄaGy (1)é A ù1ê A úé A ùé A

6、 , A , B , Bùú Ä êú = ê121212úêê B1 úëB2 ûëB2 , B1 , B2 , A1 ûêB úë2 û振动光谱测试技术 振动光谱理论-指认的振动类型，如何对峰进行 实验技术：如何利用仪器高灵敏地获取正确的数据 振动光谱用于光谱分析最常用到的两个特征量： 频率物种的依据-结合强度 强度定量分析的依据u 两者结合用于未知物种的鉴定，或者物种反应过程的表征u 而已知频率，可以利用最强的

7、一个或者几个特征峰用于浓度（或含量）的分析共焦显微仪器光路激光波长对信号的影响变换-光谱仪光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064mm）；检测器：砷探头或者Ge探测器；波长和共振增强光谱632.8 nmV28000虚态S1VV1060004000x1002000V20SV01V0400500600700800Wavelength (nm)单层检测灵敏度Raman (Stokes)Raman (anti Stokes)AbsorptionIntensity波长和穿透深度不同波长的光 在不同材料中的穿透深度不同,决定于材料的光学性质能量的换算hc1.9864 ´10(m)-23n

8、=E = h=(J )计算激发光能量和能量的匹配时用体系ll(m)1.9864 ´10-23=1.6 ´10-19 ´ l(m) (eV )波长(nm) 244325514.5532632.87851064能量(eV) 5.083.822.412.331.961.581.16= 1.24 ´10-6(eV )l(m)= 1.24 ´103107-1(eV ) =l(nm) (cm)l(nm)= 0.124 ´n (meV )1 cm-1=0.124 meV1 meV = 8.06 cm-1和EELS数据对照时换算显微镜头放大倍数黄色

9、x10工作距离：ULWDNA 值NA值越高对环境和距离的变化越灵敏x40,50 LWDNA =nsinq窗片校正？白色 x100分辨率,决定于NA而非放大倍数！光学元件原理滤光片Notch /edge filterEdge: 一般镀的是无机介质膜，稳定性非常好Notch: 高聚物，温度湿度变化而bandpassT%0l nm在光谱和荧光光谱中用于滤除激发光和波长小于激发光的光谱信号光栅波长越短要求光栅的分光能力越强1503600条/mm光栅的刻度越细，分光能力越强，检测器上每点接收到的光子数就少，信号下降。需要根据实验需要选择合适的光栅。T64000顶级谱仪-色散型低波数：2-5 cm-1 分

10、辨率： 0.15 cm-1 大光路和显微光路检测器最常用CCDAPDPMT高检测灵敏度计数高灵敏度低噪声噪声较高高噪声读出慢读出快读出快变换光谱（FT-）原理色散型FTGe, InGaAs和色散型的比较FT当荧光不背景干扰的情况下色散型的信噪比要比FT)2好I = KI C(n-n )4 ( da00dQvib色散型叶变换波长范围200-800 nm1064 nm灵敏度高低 水干扰（倍频）荧光干扰显著基本没有分辨率1-4 cm-10.5 cm-1检测器CCDGe, InGaAs光通量受狭缝限制，聚焦不受限制，无需聚焦激光是否聚焦需要（发热，破坏）无需（发热低）分段不牺牲分辨率，SNR降低国重室

11、现有的光谱仪器Nanophoton光纤式的仪器海水、恶劣环境等检测、体内检测实验对样品的要求有机，无机，生物，晶格振动表面吸附物种光谱实验对样品的激发光，可用普通无特殊要求。对于可见区或石英作为样品池。气体：提高气压，增加光程液体：增加光程固体：压片（显微：粉末）开始实验前的频率和强度标定位移：散射光与入射光之间的频率的差值1l=vib107-nlvib(nm)ex都要做合理标定：线，日光灯Si,硅，频率和光谱分辨强度和不同谱峰的相对强度 弱信号的检测仪器波长响应校正光谱仪器分辨率考虑 波长 紫外->近红外共同决定了 光谱分辨率。实验的 激光的线宽(0.1 5 cm-1)， 光谱仪的分辨

12、率(2-10 cm-1) 待测谱峰的线宽(5-20 cm-1)测定谱峰宽度时尤为重要 线宽常用和换算 GHz, cm-1, nmv = cccl 2= cn%dl = d (cn%)dv =d ( l )c: 3x108cm/slcDl = cDn%Dv = l 24.5GHz的线宽，相当于0.15 cm-1相当于488 nm时的，0.003 nmHznmcm-1Dl = Dn%405 nm时0.1 nm的激光器的线宽频率为 6 cm-1如果线宽为1 nm，其线宽频率为60 cm-1.l 2实验中非光的干扰 激光源的等离子线带通滤光片消除散射-好的单色仪或者带阻滤光片-artifact 环境白

13、光或日光灯-暗室 荧光更换波长，时间分辨，荧光消除法 外界环境对频率的影响 （对于长时间取谱比较光谱的情形） 弱信号体系的背景扣除（背景的合理选择）样品温度对光谱实验影响-黑体辐射5x10124x10123x10122x10121x101200500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500n 3黑体辐射将影响可见和红外光区的光谱测量，形成巨大的背景。Wavelength (nm)2hUn (W) = c3ehn/(kT ) -1 黑体：吸收所有到达它上面的辐射，不反射任何的光。所有发射的辐射都来自黑体自身的温度的变化。一个黑体辐射的温度不但影响其

14、强度，还影响其发射的波长。 T 高，波长短波移，发射强度增加IntensityH1000 E2000 H3000 I4000光学窗片 防止挥发性或者腐蚀性样品损坏仪器 石英 （紫外-可见-近红外）-（可见-近红外），载玻片，-注意是否有荧光片- CaF2（可见-红外） 拿到窗片材料后自一下吸收光谱，检测在你关心的谱段是否有信号。波片-改变光谱的偏振状态线偏振光通过l/4波片后将变为椭圆(圆)偏振光线偏振光通过l/2波片后仍为线偏振光，但振动方向与原振动方向相比转过2q 角Aeq光轴q qqAo线偏振光椭圆(圆)偏振光1/2波片改变偏振方向转45°,对应偏振垂直改变圆或主轴与波片光轴平

15、行的正椭圆偏振光通过l/4波片后可变为线偏振光仪器做吸收光谱？显微吸收光谱Microabsorption Spectroscopy也可做荧光光谱？（决定于光栅和激光波长的选择）激光功率密度问题仪器中,激光经在共聚焦显微显微镜镜头聚焦于采样点，即使使用的激光功率很低, 到达样品采样点处的激光功率密度仍然很大.显微:1 mW/1mm2 1´108 mW /cm2常规:100 mW/1mm2 1´104 mW /cm21 s2 s3 s900120015001800Raman Shift (cm-1)考虑样品的承受能力，激光功率密度不能太高，否则可能由于光热或光解作用而使样品发生

16、变化。方法有:1.2.3.4.采用能量低的激发光降低激光功率: 使用衰减片降低激光功率;小倍数的收集透镜离焦: 让样品脱离激光聚焦焦点,功率密度即成指数下降线聚焦散焦检测的优点2200 m m1.00.80.68000 m m0.42.3 mm0.225 mm0.5 mm0.0-100-50050100Focus deviation (mm)0255017.8281001.70.131005018Normalized Intensity距离(mm)直径(mm)功率密度强度离焦防止光解的例子d (mm)0102030120015001800Raman Shift (cm-1)一个完整的实验需要提

17、供哪些信息 所用的仪器类型 采用的检测器类型（CCD） 采用的激光和波长 到达样品的激光功率-非激光出口功率 采用的镜头类型（对于显微系统, NA） 仪器分辨率（或者提供采用的光栅） 采谱时间和累积次数 谱线是原始谱线，是否平滑处理，是否背景扣除，是否差谱以下谱图的问题25002000 强度，频率，分辨率200400600800100012001400WavenumbersIntensity309.7397.4749.71393.9红外光谱仪器-色散型红外光谱仪置于吸收池之后可避免杂散光的干扰调节 T%或称基线调平器色散型红外光谱仪以光栅为分光元件的红外光谱仪不足之处：1） 需采用狭缝，光通量

18、受到限制；2） 扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪器联用；3） 不适于过强或过弱的吸收信号的分析。变换红外光谱仪器-基本原理每一台变换红外光谱仪，由以下几部分：一个光源、一个一个检测器。仪（分束器是它的一部分）以及仪是FTIR的心脏部件在仪的出口，两光程差的光发生，然后到样品。变换红外光谱仪器FT-IR：制样，分别测背景和测样品单光Isignal/Ibg，得到样品的红外光谱可以工作于透射或者反射方式谱，红外光谱仪器红外分光光度计空间分辨率10 mm变换红外光谱仪振动光谱的测试技术-红外光谱任何时候都需要注意湿度、CO2、和温度变化对红外测试的干扰；注意水汽对红外窗片的腐蚀。常规样品需要注意样

19、品和KBr的合适比例，如果样品太多， 测出来的吸收峰太强，如果样品太少，有些弱峰将测不出来。溴化钾和样品用前在红外干燥箱里充分干燥压片时，把样品和KBr混合物放到压片模具时，请保证样品是均匀铺平在模具里，否则压出来的片子有雾状，更加严重的是容易损坏模具。表面红外注意提高灵敏度表面光谱技术气态自由表面吸附状态发生改变表面吸附位光谱选律 (对称性)利用选律分析-表面 体系低覆盖度吸附分析和表面的相互作用高覆盖度或岛状包括位点、取向、构型自由振动自由度气态自由的自由度平动转动单核(x, y and z)3(x, y and z)00表面振动总数3和表面的作用决定了表面振动吸附后为表面贡献3N个自由度

20、吸附对自由度的描述取决于的吸附类型和吸附强度在吸附状态下, 任何运动都可以看成振动平动物理吸附(频率低)伸缩振动平动:化学吸附(频率较高)和基底间的振动转动和金属的扭曲振动物理吸附(频率影响小, 与气相有较好的对应)振动:化学吸附(可能引起内振动内部键连的变化,影响较大)光谱表面选律-表面电场以Ag表面为例表面红外：平行于表面的电场 相消，垂直于表面的电场加强。在垂直于表面的方向有偶极分 量的振动可以得到最大的增强。表面选律严格。 表面：可见光区，平行于表面的电场并没有等于零， 仍有一定的场强。但垂直方 向的具有最大的场强（约5 10倍）表面选律相对宽松。不同的材料表面的电场分布不同，基本的趋

21、势相同光谱表面选律金属：可以看做完美导体红外禁阻红外活性 -良好的电子外来电场红外(IR)性可以-只有垂直表面的偶极距分量才是红外活性的(Raman)只有垂直表面的极化率分量才是活性的注意: 当到可见, 金属并不是完美导体,因此选律不象红外严格+ M-Surface-表面的吸附位界面的对称操作与表面垂直的对称面, 与表面垂直的旋转轴Cn, Cnv:C1, CS, C2, C3, C4, C6, C2v, C3v, C4v, C6v1fcc (110)fcc (111)fcc (100)Site 1 (on top)Site 3 (threefold hollow)Site 2 (on brid

22、ge)Site 4 (fourfold hollow)表面对称性吸附后, 由和能体现对称性的表面原子形成吸附体系 (surface complex)对称性由与表面吸附位的对称性共同决定HHHOCCOMMMCuCuCuMCuMCuC 3v C4v CsCH3O MM-CH3OCO MM-COC v C4v C4vCO具有3个平动自由度, 2个转动自由度, 1个振动自由度3个平动自由度AAABBBMMMMMMMMMMMMMMM(BMM)(BMM)(BM)A+A2 个转动自由度B-BMMMMMMMMMM(MBAA(MBA)1 个振动自由度，CO内部振动BMMMMM(AB)如果和表面不是垂直，则所有的

23、振动在垂直于表面的方向上都将有分量，都可能具有活性。O二维阵列的振动CC与之间的相互作用会影响分子的振动频率影响的大小主要取决于有序结构单元之间的相互作用的类型和强度例如, CO等小体系偶极- 偶极 相互作用JCP, 1995,103(22),9832表面和体相 假设光照点的半径r=2mm 探测区面积=4p mm2 假设一个 为0.2 nm2 探测区的的占据的面积（覆盖度）数 6.28x107 假设光照点的半径r=2mm 探测的光程=50 mm 探测区的体积=200 p mm3=628x10-15L 假设浓度为 10-3 mol/L数：628x10-15x10-3x6.02x1023=3.78

24、x108，本体-如何优化条件得到信号灵敏度是关键表面增强光谱的发现(Surface-enhanced Raman Spectroscopy)1974年Fleischmann等在电化学粗糙的Ag电极上得到高质量的吡啶的表面光谱归结为因粗糙电极表面积增加所导致的表面吸附浓度的增加。1976 年 Van Duyne 等系统研究了相同体系，排除了浓度增加因素和共振效应后指出: 5-6个数量级的增强是来自一种与粗糙的电极表面相关表面增强效应。106能有效避免溶液相中相同物种的信号干扰, 获取高质量的与表面单层或亚单层物种相关的表面信号。5Å 0.5 mm光谱电磁场增强机理-SPR纳米粒子的光学

25、性质：E大小、形状、组成、局域环境、状态KEM增强10214Surface plasmons:are collective oscillations of thecores。conduction electrons against the background of ionic m当一和金属纳米粒子相互作用时，会导致纳米粒子内部的导带的电子相对于离子性金属原子核发生集体的振荡。如果激光频率合适，则发生表面等离子体的共振，导致强烈的吸收或者散射。从而导致纳米粒子周围产生局域的增强的电场。具有自由电子的Au和Ag等纳米粒子，这种效应特别显著。自由电子的移动性越强，SPR越强。表面等离子体共振SPR

26、 粒子增大 粒子的长径比增大SPR峰往长波移 粒子耦合SPR散射和吸收：粒子小，吸收为主；粒子大，散射为主同时验证电荷传递机理电位调制 在固定入射光能量时，可以简单的通过改变电极电位来调制金属的Fermi能级， 从而使得CT过程调制进入或偏离共振状态。 可以得到CT态的能级的位置和CT带宽。ELUMOV3VISERS3V2V1电位负移，电子能量升高V1 V2 V3EEmax正移金属àn ­HOMOSERS表面选律Ag表面 表面：可见光区，平行表面红外：平行于表面的电场 相消，垂直于表面的电场加强。在垂直于表面的方向有偶极分 量的振动可以得到最大的增强。表面选律严格。于表面的

27、电场并没有等于零， 仍有一定的场强。但垂直方 向的具有最大的场强（约5 10倍）表面选律相对宽松。如何吸附构型和取向 利用表面选律：具有垂直于表面azz的分量的振动模式会产生最大的增强。全对称极化率得到最大增强。具有非全对称极化率式增强要小一些。 基于和自由（ axz ,ayz ）的振动模相比。 EM机理的长程作用机理：越接近表面的模式得到越大的增强（对于小不显著）。Gµ(a+H)-12 化学作用：通常和表面直接作用的基团的频率会有明显的位移。 电荷传递：一般全对称模得到最大的增强。表面增强因子的估算 吸附在表面上的每个对信号的贡献与体相中每个对信号的贡献：G = Isurf/ Ns

28、urfIbulk / N？bulk= RANsurfsR:表面粗糙度s:每个占据的表面积(任何测覆盖度的方法)SERS vs TERSSERSTERS反馈 基底材料受限 基底的形貌受限 空间分辨受限针尖增强光谱Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS)Ag/AuSPMTiphnh(n+D n)h(n-D n)Fluorescence；SHG；InfraredTERS的突出特点TERS>SPM+Raman 可以同时得到表面形貌的信息和+光谱（化学）信息 高灵敏度适用于光滑或单晶表面30nm可在表面的取向Inp modeop mode 高的空间分辨率，适合于

29、研究具有纳米尺度不均一的表面TERS商品化仪器同时获得表面形貌和光谱图2006001000140018Raman shift (cm-1)Appl. Phys. Lett. 91,101105 (2007)Tip tunnelingWithout tip碳纳米管的TERS高空间分辨成像碳纳米管碳纳米管共焦显微像TERS成像分辨率：14 nm分辨率：275 nm. J. Am. Chem. Soc. 127, 2533 （2005）Novotny L针尖增强荧光检测细胞膜的离子通道普通荧光成像针尖增强荧光成像Novotny L. Nano Lett., 8, 642 (2008)和频光谱技术su

30、m frequency generationwviswswsfgwiwwvisirRamanIRSFGSFG is a second-order nonlinear optical three-wave mixing process which involves the addition of infrared and visible light to produce light at the sum of these two frequencies非线性光学效应I>2.5 kW/cm2 才能在介质中激发出非线性响应2.5 mW, 1.75 mm2, (d=1.5 mm)140kW/cm

31、2目前显微中使用的激光功率密度已足以产生非线性效应E 电场强度c(n)n阶电极化率P电极化强度当频率为w1和 w2 的光通过非线性介质时，可产生2w1，3w1,. 2w2, 3w2,. w 1+w2, w1 -w2等分量为使某分量的辐射增强而不发射其它分量，要尽量满足相应分量的相位匹配条件，对于SFG，要求k1+k2k3,对于w1 SHG，2k1k2P = e0c× E + e c: EE + e cMEEE +L(1)( 2)(3)00SFG 原理- wirwDFGwDFG= wviskDFG= kvis - kirwSFG=wvis+ wirwkSFG= kvis + kirvi

32、swkiSFGksvirwir( 2 ) |2L L L | XU US-偏振S-偏振的红外光在表面上由于子的镜像场作用，抵消S µ s12S12 ATLs, L1, L2菲涅耳因子以及激光的偏振性U1, U2 入射激光功率p-偏振T 激光脉宽A 光照面积电极化率（susceptibility)Xs(2)p- 偏振的光同时有s和p分量，SFG 可以不同的入射和收集的偏振性来作实验在表面和界面的取向p分量并抵消和频光谱系统外部光路图PL2143 ADelayHAMMONIID2PMTCHWP1MNUNITOPGGP1Notch filterOPAHWP2ML3HWP2GP2MDFG M

33、L4MMPDSampleID4 L1holderTiltBSID1X,Y,Z-stageMIRVisL2Spacer-rotationMMMMagnetic baseLDID3SFMMCOMPUTERSFG 光谱选律( 2 ) |2L L L | XU U红外诱导偶极矩S µ s12S12 AT¶m¶a(1)1=AAq nlm = åq2wq¶c(2)Sw- w + iGq极化率的变化IRqq第q种振动模的振子强度第q种振动模的振动频率第q种振动模的湮灭因子入射可调频红外光的频率AqwqGqwIR当wq wIR，共振SFG光谱选律：只有同时是红

34、外和活性的振动才是SFG活性的。在具有对称中心的体系，由于 活性的，因此不具有SFG活性。互不相容现象，没有振动是同时和红外但是，在界面，所有的对称中心消失，具有SFG活性。SFG研究 气/固、液/固界面ASSSO的影响液/固界面气/固界面Annu. Rev. Phys. Chem. 2002. 53,43765SFG 研究电化学界面吸附的取向DODSASJ. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 7679-7702表面光谱的对比性能表面红外表面增强表面和频表面选律严格宽松严格水、空气干扰有可忽略有是否绝对谱否是是低波数性能差优差灵敏度较高低中溶液物种有干扰无干扰无干扰分辨率（时间， 空间和光谱）空间分辨率稍低较好时间分辨率很强对样品破坏无有有实验操作难易较容易容易较难仪器成本低中高Coherent anti-Stokes Raman Spectroscopy(CARS)相干反光谱当两束不同频率进行混频的时候，产生一个较低的beat频率和一个较高的carrier频率。 当beat频率等于某一时，将激发该振动。 另外一束pump光将使其从虚态打下，产生类似于激光的过程。振动频率Gary R. Holtom Cytometry Part A 2006, 69A:779791Advantages of CARS