表面增强拉曼光谱

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电化学由于其在电池、燃料电池、腐蚀、合成和催化等各个领域的广泛应用而受到越来越多的关注。在电化学系统中，会发生各种复杂的过程，包括物质的吸附、解吸和扩散，表面重建，电荷转移，表面和物种之间化学键的形成或断裂以及发生在电化学界面化学反应等。因此，电化学界面的结构决定了整个电化学系统的电化学响应以及材料的性质和性能电化学的研究主要涉及电化学界面的结构、性质和性能之间的内在关系，以促进电化学设备的合理设计。电化学表征技术主要基于电信号的测量，包括电流和电势，这些方法可以根据电化学理论分析电信号来获得丰富的信息，包括界面性质的热力学和动力学信息、表面上反应物的数量以及电极的反应性。然而，由于反应物的化学指纹信息缺乏，很难在没有经验的情况下确定化学结构。另外，从整个电极表面的响应测量得到的电信号，是针对整个电极的，对于非均匀电极的结构和性能无法进行研究。因此，需要开发具有丰富化学信息和高空间分辨率（低至几个纳米）的原位表征方法，以全面了解电化学界面和过程。 电化学-针尖增强拉曼光谱（ EC-TERS）是一种具有纳米尺度空间分辨率分子指纹信息的技术，可以用于实现上述目标。 EC-TERS联用优势● 分子水平的一致性：拉曼光谱可以提供分子水平的信息，可以检测到电化学界面上的单个分子。这使得我们能够研究电化学反应的瞬间变化。● 高空间分辨率：通过使用针尖增强拉曼光谱（TERS）技术，可以在纳米探针上实现高空间分辨率。这使得我们能够研究界面的局部结构。● 可以在液体环境下工作：拉曼光谱可以在液体环境下进行测量，这对于研究电化学修饰过程非常重要。传统的电化学表征技术通常需要在干燥的条件下进行测量，而拉曼光谱可以在多孔溶液中直接进行测量。● 化学指纹信息：拉曼光谱可以提供化学指纹信息，通过分析拉曼光谱的峰位和强度，可以研究反应的中间体、吸附物和反应产物。● 非破坏性测量：拉曼光谱是一种非破坏性测量技术，不需要对样品进行特殊处理或标记。这使得我们能够对电化学界面进行实时监测。EC-TERS方案电化学-针尖增强拉曼光谱测试系统系统采用倒置显微镜结构，底部激发，底部拉曼信号收集。兼容常规拉曼测试、常规电化学拉曼测试，针尖增强拉曼测试。电化学池位于XY压电位移台上，可以进行纳米级的步进移动； 探针链接XYZ压电位移台，可进行三维精细调节；从而实现探针-激光-样品三位一体。 电化学-针尖增强拉曼光谱测试系统技术参数 光谱分辨率2cm-1激发光源532nm激光器，100mW633nm激光器，15mW光谱仪焦距320mm，配置3块光栅探测器≥2000*256像素，300-1000nm响应，峰值效率高于90%，芯片深度制冷到-60℃常规拉曼空间分辨率1um@XY方向

紫外共振拉曼光谱系统--UVRaman100 新一代紫外共振拉曼光谱仪中国科学院大连化学物理研究所中国科学院李灿院士及其研究小组自行研制了我国第一台紫外共振拉曼三联光谱仪，获得中国科学院发明二等奖、国家发明二等奖。并于2008年4月8日，和北京卓立汉光仪器有限公司共同组建“现代仪器联合实验室”，强强联手，迈出了研究成果向产品转化的重要一步。紫外共振拉曼系统简述共振拉曼或紫外共振光谱系统组成主要是：1、激光器部分：紫外或可见光激光器，紫外可调谐窄线宽激光器。2、光谱仪部分：三联单色仪＋高灵敏度科学级CCD。3、信号采集部分：高效率光谱采集组件。共振拉曼或紫外共振拉曼的优点是： ◆ 合适的紫外激光激发可以完全避免荧光本底的干扰。◆ 由于拉曼信号强度正比于激发激光频率的四次方，紫外激光激发拉曼信号效率更高。（同等功率266nm激光可激发出比532nm激光高16倍的拉曼信号）。◆ 共振拉曼可以提供很高的共振增强因子，（理论极限可达106倍）从而大幅度提升检测极限。◆ 可以实现选择性激发，当我们把激光器调谐到某物质激发峰上时，可以只对此特定物质实现共振增强提升几个数量级的信号强度，其他物质由于几乎没有共振增强，可以进一步提升信噪比，这一点对于催化和生物研究非常有利。◆ 由于采用的是三联单色仪滤除瑞利散射，而非陷波滤波器，设备可以测试地低到到几个波数的拉曼光谱。设备详细指标与参数1、激光器部分：◆ 325nm HeCd激光器：325nm TEM00 mode 激光功率30mW-50mW输出备选◆ 244nm倍频可调谐氩离子激光器： 244nm TEM00 mode 激光功率24mW 另有229，238，248，250，257，264nm输出谱线◆ 532nm 绿光DPSS激光器：TEM00 mode，激光功率20-100mW备选◆ 窄线宽可调谐掺钛蓝宝石激光器：可调谐范围输出平均功率单个晶体可调谐范围基频700-960nm1W100nm二倍频350-480nm90-500mW50nm三倍频233-320nm20-250mW33nm四倍频193-240nm5-100mW25nm光谱线宽0.1cm-1功率稳定度3% rms注：如须覆盖整个光谱波段需要更换晶体Tips： 共振增强并不是是在一个特定的波长上急剧开始，而是存在着一个波长范围。实际上，即使激发激光的波长处于分子电子跃迁波长之下几百个波数的时候就可以看到5到10倍的增强作用。这个“前共振”增强作用在实验上是非常有用的。我们往往可以采用相对比较便宜的激光器，比如325nm的氦铬激光器，可调谐倍频氩离子激光器虽然不是连续可调谐，也可以达到一定程度的共振增强效应。当然，为了求得最高的增强因子，我们需要一种波长连续可调谐且光谱线宽很窄的的紫外激光器，比如窄线宽可调谐掺钛蓝宝石激光器激光器。2、紫外共振拉曼光谱仪部分A.光谱仪：◆ 光谱仪焦距：500mm ；f/6.5◆ 光栅尺寸：68mm×68mm or 68mm×84mm◆ 扫描最小步长：好于0.005nm◆ 镜片反射率：紫外和可见区的镜子的反射率达到90%B.相减模式拉曼光谱采集◆ 分辨率: 4.0 cm-1 (紫外区), 3.0 cm-1 (可见区)◆ 波数范围：50-4000 cm-1 (紫外区), 25-4000 cm-1 (可见区)C.光谱探测器CCD或EMCCD光谱CCD光谱CCD光谱EMCCD像素数1024×2562048×5121600×400像素尺寸 um26×2613.5×13.516×16成像面积　mm26.6×6.727.6×6.925.6×6.4最低制冷温度 oC-100-100-100电子增益NANA1-1000应用方向：● 催化研究● 生物化学，生命科学● 材料学，高分子科学● 纳米科学● 半导体，光电材料附录：附录1.紫外拉曼与共振拉曼原理与应用简述荧光干扰问题和灵敏度较低严重阻碍了常规拉曼光谱的广泛应用。但近年来发展起来的紫外拉曼光谱技术有效地解决了上述问题。紫外拉曼光谱技术的出现和发展大大地扩展了拉曼光谱的应用范围。右图是紫外拉曼光谱避开荧光干扰的原理图。荧光往往出现在300 nm-700 nm区域，或者更长波长区域。而在紫外区的某个波长以下，荧光极少出现。 因此，对于许多在可见拉曼光谱中存在强荧光干扰的物质，例如氧化物、积碳等，通过利用紫外拉曼光谱技术就可以成功的避开荧光从而得到信噪比较高的拉曼谱图。从下图磷酸铝分子筛ALPO-5 示例可以看出，紫外共振拉曼光谱技术由于能避开荧光，可以成功用于微孔和介孔分子筛材料的表征。紫外拉曼光谱技术的另一个突出特点是，拉曼信号可以通过共振拉曼信号得到增强。共振拉曼效应可以从拉曼散射截面公式得到解释：根据Kramers-Heisenberg-Dirac 散射公式: 在公式 (1)中，ωri 是初始态i到激发态r的能量差频率，ωL是入射激光频率。当激发光源频率靠近电子吸收带时，第一项分母趋近于零，因而其散射截面异常增大, 导致某些特定的拉曼散射强度增加104~106 倍。共振拉曼光谱的谱峰强度随着激发线的不同而呈现出与普通拉曼不同的变化。将紫外共振拉曼用于表征多组份体系时，可以选择性的激发某些组分相应的信息，从而使与这些组分相关的拉曼信号大大增强，得到共振拉曼光谱这种共振增强或者共振拉曼效应是非常有用的一个技术，它不仅可以极大的降低拉曼测量的探测极限，而且还可以引入到电子选择上面。这样，如果我们使用共振拉曼技术来研究样品，不仅可以看到它的结构特征，而且还可以得到它的电子结构信息。金属卟啉，类胡萝卜素以及其他一系列生物重要分子的电子能级之间跃迁能量差都处在可见光范围之内，这使得它们成了共振拉曼光谱的理想研究材料。共振选择技术还有一个非常实际的应用。那就是二分之一载色体的光谱由于这种共振作用会得到增强，而它周围的环境则不会。对于生物染色体来说这就意味着，我们使用可见光即可特定的探测到有源吸收中心，而它们周围的蛋白质阵列则不会探测产生影响（这是因为这些蛋白质需要紫外光才能使其产生共振增强作用）。共振拉曼光谱在化学上探测金属中心合成物，富勒分子，联乙醯以及其他的稀有分子上也是一种重要的技术，因为这些材料对于可见光都有着很强的吸收。其他更多的分子吸收光谱由于处于紫外，所以需要紫外激光进行共振激发，我们就称之为紫外共振拉曼（UlraViolet Resonance Raman Spectroscopy） 紫外共振拉曼光谱技术是研究催化和复杂生物系统中分子分析的一个重要工具。大多数的生物系统都吸收紫外辐射，所以它们都能提供紫外的共振拉曼增强。这样高的共振拉曼共振选择效应使得象蛋白质和DNA等重要生物目标的拉曼光谱得到极大增强，而其他物质则不会，非常便于目标确认及分析。例如，200nm的激励光能够增强氨基化合物的振动峰；而220nm的激励光则可以增强特定的芳香族残留物的振动峰。水中的拉曼散射非常弱，这个技术使得与水有关的微弱系统的拉曼分析也变成了可能。附录2：实验举例◆ 微孔-介孔材料骨架中超低含量的孤立的过渡金属离子(例如Ti-MCM-41)能够通过紫外共振拉曼光谱可靠、准确地鉴别出来。 ◆ 利用紫外拉曼避开荧光和增加灵敏度的特点,可以对分子筛合成过程中的合成前体、中间物以及分子筛晶体的演化过程进行研究。◆ 紫外拉曼光谱可以选择性地得到在紫外区具有强吸收的物质（例如TiO2和ZrO2）的表面相信息。