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【拉曼光譜技術科普與應用論壇】劉曉文:拉曼光譜在礦物材料中的應用
時間:2018-04-23    來源:MIGS    瀏覽數: 字體:【

    

 

 

  演講嘉賓

       劉曉文

  中南大學資源加工與生物工程學院

  



 

  論壇現場

  


 

 

  拉曼光譜在礦物材料中的應用

 

  劉曉文

 

  大家好,我非常高興和大家分享《拉曼光譜的聯用技術和拉曼光譜在礦物材料中的應用》。

  拉曼光譜的聯用技術:一個是微束方法,一個是譜學方法。

 

  微束方法:以電子束、離子束、激光束、質子束或其他粒子束激發樣品的微區,產生各種信息,將這些信息加以收集、分析處理、放大、轉換成各種圖象、圖譜或強度數字的技術,可進行成分、形貌和結構的直接觀察和測定。主要有掃描電子顯微鏡、電子探針、透射電子顯微鏡、質譜儀等;

 

  譜學方法:間接探測礦物中原子的外層電子構型、相互關系以及原子、分子的結構,即通過不同波長、不同能量的電磁波作用于礦物樣品時,晶體結構中的電子、原子核、分子之間發生相互作用使其原子的電子能級或核能級之間產生不同類型的躍遷,利用各種專門的測試技術….主要有X射線衍射光譜、紅外光譜、拉曼光譜等。

  譜學大概分為三類:發射光譜、吸收光譜和聯合散射光譜。今天要講的拉曼光譜是屬于聯合散射光譜。

  



 

  對稱分子:沒有偶極矩,輻射不能引起共振,無紅外活性。如:N2、O2、Cl2 等。非對稱分子:有偶極矩,紅外活性。分子振動也可能引起分子極化率的變化,產生拉曼光譜。拉曼光譜不是觀察光的吸收, 而是觀察光的非彈性散射。非彈性散射光很弱,過去較難觀測。激光拉曼光譜的出現使靈敏度和分辨力大大提高,應用日益廣泛。

  



 

  拉曼光譜是研究分子和光的相互作用的散射光的頻率。入射光進入后只有非常少的部分,大概千分之一或是萬分之一發生散射,還有就是非彈性散射,這就更少了,大概有十萬分之一,剛剛臺灣黃怡幀教授說是一萬分之一,可見真的是非常少了。激光技術的成熟提供了光源,拉曼光譜才得到了推廣。

  

 

  拉曼偏振:拉曼光譜的光源為激光光源,且激光屬于偏振光。當入射激光沿x軸方向與分子O作用時,可散射出不同方向的偏振光。若在y軸方向上放置一個偏振器P,當偏振器平行于激光方向時,則zy面上的散射光可以通過,當偏振器垂直于激光方向時,則xy面上的散射光可以通過。

  



 

  若偏振器平行、垂直于激光方向時,散射光的強度分別為I║、I^,則兩者之比稱為退偏比,即rP=I^/ I║。退偏比與分子的極化率有關:

  



 

  對于球形對稱振動來說,rP為零。對非對稱振動而言,極化率是各向異性的。rP越小,分子的對稱性越高。 通過測定拉曼線的退偏比,可以確定分子的對稱性。

  拉曼最主要的特征是有拉曼位移。Δn即散射光頻率與激發光頻之差。由于拉曼位移Δn只取決于散射分子的結構而與no無關,所以拉曼光譜可以作為分子振動能級的指紋光譜,適合于分子結構分析。

  在拉曼光譜RamanSpectrum中,由于拉曼位移與激發光無關,一般僅用Stokes位移部分。對發熒光的分子,有時用反Stokes位移。

  拉曼光譜的信息有很多,從它的頻率確認嫩分析物質的組成;拉曼峰位的變化對應張力;拉曼的峰寬就是代表晶體的質量等。

  



 

  拉曼的特點之前幾位老師講的也很詳細了,我想補充的是拉曼光譜有一個最大的特點,就是可以做水體研究。這個非常重要,當我們做了基礎研究課題,尤其對無機物的研究遠比紅外吸收光譜方便。再一個拉曼覆蓋的波數非常大,一次可同時覆蓋50-2000cm-1波數區間。我們可以將中紅外和遠紅外一次性監測出來。一般的實驗室都只有中紅外這種儀器。我們說紅外有近紅外,中紅外,遠紅外,每一個區段它研究的峰結構是不一樣的。

  



 

  在2017年的芒果國際珠寶的展會上我們帶來了一個便攜式的拉曼儀器,但是它的激光能量還是有限的,效果不如實驗室的機器,但是也是比較準確的。它有探頭,利于翡翠原石直接現場的檢測。

  



 

  還有色散性的拉曼光譜儀器、傅里葉變換拉曼光譜儀、共振拉曼光譜、表面增強拉曼光譜。

  



 

  



 

  



 

  



 

  

 

  我們說有了激光才有了拉曼光譜,下面是拉曼光譜的聯用技術。第一個是紅外光譜與拉曼光譜聯用,紅外吸收和拉曼共點測量。

 


 

  AFM和拉曼光譜儀聯用

  

 

 

  顯微共焦拉曼/ 同步輻射聯用技術

  



 

  



 

  顯微共焦拉曼/掃描電鏡聯用技術

  



 

  顯微共焦拉曼/顯微x射線衍射聯用技術

  

 

 

  



 

  拉曼光譜在礦物材料中的應用就是與材料有關的礦物學分支學科礦物材料。礦物材料是從礦物原料性質與特點出發,研究礦物材料的組成與結構、制備與合成、性能、應用及其相互關系與規律的一門學科。礦物材料研究的內容:礦物原料性質、礦物材料組成與結構、礦物材料性能測試、礦物材料組成,結構與性能關系、礦物材料深加工、改造與使用過程中變化機理。

  

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