原位拉曼光譜在線分析

1、原位拉曼光譜原位拉曼光譜報報 告告 人：人： 指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 報告時間：報告時間： Dalian University of TechnologyCollege of the Environment1234背景介紹背景介紹機(jī)理介紹機(jī)理介紹實(shí)驗應(yīng)用實(shí)驗應(yīng)用展展 望望(1) 原位透射紅外方法(2) 原位發(fā)射光譜方法(3) 原位漫反射光譜方法(4) 原位拉曼光譜方法原位分子光譜表征手段原位紅外技術(shù)在催化劑原位表征中占主導(dǎo)地位。張思華, 王亞明. 原位測試技術(shù)在催化研究中的應(yīng)用J. 工業(yè)催化, 2009, 17(2):15-20.(5) 雙分子探針方法(6) 程序升溫質(zhì)譜方法(7) 化學(xué)捕獲和同

2、位素標(biāo)記方法u共性：共性：測定分子結(jié)構(gòu)，同屬振動光譜u各自特點(diǎn)各自特點(diǎn)中紅外光譜中紅外光譜拉曼光譜拉曼光譜生物、有機(jī)材料為主生物、有機(jī)材料為主無機(jī)、有機(jī)、生物材料無機(jī)、有機(jī)、生物材料對極性鍵敏感對極性鍵敏感對非極性鍵敏感對非極性鍵敏感需簡單制樣需簡單制樣無需制樣無需制樣光譜范圍：光譜范圍：4004000cm-1光譜范圍：光譜范圍：503500cm-1局限：含水樣品局限：含水樣品局限：有熒光樣品局限：有熒光樣品紅外及拉曼光譜儀對比紅外及拉曼光譜儀對比拉曼光譜是對紅外光譜檢測的補(bǔ)充張思華, 王亞明. 原位測試技術(shù)在催化研究中的應(yīng)用J. 工業(yè)催化, 2009, 17(2):15-20.一些在紅外光譜

3、中的弱譜帶，在拉曼光譜中可能為強(qiáng)譜帶，如：l 同分子非極性鍵SS，C=C，N=N，CC等；l 由CN，C=S，SH等組成的伸縮振動譜帶；l 環(huán)狀化合物的對稱伸縮振動；l X=Y=Z，C=N=C，O=C=O類對稱伸縮振動；l C-C伸縮振動；l 某些醇類和烷烴。1928 年印度科學(xué)家 C.V.Raman 首次發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)；20世紀(jì) 60 年代隨著激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼光譜得以復(fù)興20 世紀(jì) 70 年代以后，隨著顯微拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展，拉曼光譜技術(shù)已可以對微米量級的樣品進(jìn)行分析；20 世紀(jì) 80 年代以后，纖維光學(xué)探針被引入拉曼光譜技術(shù)，使得拉曼光譜的遠(yuǎn)程測量成為可能；20 世紀(jì) 90 年代以后，出

4、現(xiàn)的傅里葉變換拉曼光譜儀可以顯著降低甚至消除樣品的熒光背景，提高光譜信噪比；基于納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）和針尖增強(qiáng)拉曼光譜（TERS）在超高靈敏度檢測方面蓬勃發(fā)展。發(fā)展歷程拉曼活性是由于極化率改變產(chǎn)生的。對于雙原子，其分子振動期間電荷分布變化引起電子極化率()的變化。(Q)作為簡正坐標(biāo)Q的函數(shù)及隨Q在平衡位置Q0處做微小振動示意。 laser scatter laser瑞利散射瑞利散射 scatter= laser拉曼散射拉曼散射光散射的過程：激光入射到樣品，產(chǎn)生散射光。 彈性散射（頻率不發(fā)生改變-瑞利散射） 非彈性散射（頻率發(fā)生改變-拉曼散射）拉曼散射光由于受到了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)制

5、，因此攜帶了物質(zhì)的信息。在光的非彈性散射過程中，光子被分子散射而失去部分能量導(dǎo)致其頻率發(fā)生變化，散射光與入射光的頻率之差并不隨入射光頻率而變化，僅與樣品分子的振動、轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。姜承志.拉曼光譜數(shù)據(jù)處理與定性分析技術(shù)研究D. 長春:中國科學(xué)院大學(xué), 2014.根 據(jù) 玻 耳 茲 曼（Boltzman）分布定律，由于熱平衡，處于低能級的分子數(shù)總是大于次高能級的分子數(shù)，因此斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度總是大于反斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度。通常使用的拉曼散射都是指斯托克斯拉曼散射定性分析物質(zhì)的拉曼位移與入射光的頻率無關(guān)，僅取決于分子固有的振動和轉(zhuǎn)動的能級結(jié)構(gòu)。因此，每一種具有拉曼活性的物質(zhì)具有其特定的拉曼

6、位移，具有拉曼活性物質(zhì)的拉曼特征峰中，只具有單一拉曼活性振動形式的物質(zhì)體現(xiàn)在拉曼譜圖上只有單一的峰，具有多種拉曼活性的振動形式體現(xiàn)在拉曼譜圖上有多個峰。測定的未知物質(zhì)的拉曼光譜，只需找出該物質(zhì)的特征拉曼光譜，就可以識別物質(zhì)的種類。姜承志.拉曼光譜數(shù)據(jù)處理與定性分析技術(shù)研究D. 長春:中國科學(xué)院大學(xué), 2014.20000150001000050000500100015002000250030003500n ni = n no-n n (cm-1) 500 1000 1500 2000 2500 3000 350020000150001000050000Intensity (A.U.)OH st

7、retchingCH3 Stretching ModesSkeletal BendingCCO modesOH BendingCH2 Bending Modes乙醇-甲醇拉曼光譜HO-CH2-CH3 HO-CH2定量分析應(yīng)用拉曼光譜作定量分析的基礎(chǔ)是測得的分析物拉曼峰強(qiáng)度與分析物濃度間有線性比例關(guān)系。分析拉曼峰面積（累積強(qiáng)度）與分析物濃度間的關(guān)系曲線是直線，這種曲線稱為標(biāo)定曲線。通常對標(biāo)定曲線應(yīng)用最小二乘方擬合以建立一方程式，從拉曼峰面積計算得到分析物濃度。姜承志.拉曼光譜數(shù)據(jù)處理與定性分析技術(shù)研究D. 長春:中國科學(xué)院大學(xué), 2014.拉曼對CCI4濃度的定量分析02040608010060

8、00260004600066000含量含量/%峰面積峰面積l 顯微共焦拉曼光譜技術(shù)l 共振增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)l 傅里葉變換拉曼光譜技術(shù) 濾光器型拉曼光譜儀 色散型拉曼光譜儀 傅里葉變換型拉曼光譜儀技術(shù)分類儀器分類l 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)l 高溫拉曼在線分析技術(shù)l 紫外拉曼光譜技術(shù)l 激發(fā)光源l 采樣系統(tǒng)l 分光儀l 檢測器l 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)激光照射樣品之后，樣品的拉曼散射光經(jīng)過采樣系統(tǒng)輸入至分光儀，檢測器將得到的拉曼光譜數(shù)據(jù)輸入至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析。儀器結(jié)構(gòu)姜承志.拉曼光譜數(shù)據(jù)處理與定性分析技術(shù)研究D. 長春:中國科學(xué)院大學(xué), 2014.激發(fā)光區(qū)域 激光波長 激光器類型可見區(qū) 514nm Ar+

9、 633nm He-Ne 785nm 半導(dǎo)體近紅外 1064nm YAG 紫外 325nm He-Cd 激發(fā)光源采樣系統(tǒng) 耦合光路（收集散射光） 瑞利濾光片（去除瑞利散射光）分光儀l 單光柵光譜儀（復(fù)雜的散射光分解成光譜線用于檢測）探測器l 探測器（CCD探測器） 拉曼光譜能夠提供催化劑本身以及表面上物種的結(jié)構(gòu)信息； 較容易實(shí)現(xiàn)原位條件(高溫、高壓、復(fù)雜體系)下的催化研究； 拉曼光譜可用于催化劑制備及反應(yīng)過程的機(jī)理研究，特別是水相到固相的實(shí)時研究。熒光干擾和靈敏度較低是阻礙其廣泛應(yīng)用的最主要的問題原位拉曼在催化領(lǐng)域中的優(yōu)勢原位拉曼的不足胡曉紅.拉曼光譜的應(yīng)用及其進(jìn)展J. 分析儀器, 2011(

10、6): 1-4.紫外共振拉曼光譜熒光通常出現(xiàn)在 300700 nm區(qū)域或者更長波長區(qū)域，而在紫外區(qū)的某一波長以下熒光極少出現(xiàn)。紫外共振拉曼光譜由于一些組分在紫外區(qū)有明顯的吸收，紫外光可以選擇性地激發(fā)這些組分相應(yīng)的信息，從而使與這些組分相關(guān)的拉曼信號大大增強(qiáng)，得到共振拉曼光譜。相對于普通拉曼 (非共振拉曼)，共振拉曼光譜的強(qiáng)度可以增大幾個數(shù)量級。利用自行設(shè)計的可用于原位研究水熱合成過程的原位紫外拉曼光譜池，對幾種典型分子篩(X型分子和Fe-ZSM-5)的合成過程實(shí)現(xiàn)了拉曼光譜研究。中科院大連化物所催化基礎(chǔ)實(shí)驗室利用紫外拉曼以及共振拉曼光譜技術(shù)研究了分子篩合成機(jī)理以及氧化物表面相結(jié)構(gòu)。范峰滔, 李

11、燦.催化材料的紫外拉曼光譜研究J. 催化學(xué)報, 2009, 30(8): 717-739.Fe-ZSM-5合成機(jī)理的紫外拉曼光譜研究不同晶化時間的 Fe-ZSM-5 (Si/Fe=152)在325 nm 紫外拉曼光譜利用激發(fā)線 (325 nm) 的紫外拉曼光譜可以選擇性地激發(fā)得到骨架結(jié)構(gòu)的相應(yīng)信息。 五元環(huán)和六元環(huán)的SiOSi結(jié)構(gòu)增加，合成中期形成該次級結(jié)構(gòu)單元 形成了大量的具有MFI 結(jié)構(gòu)的晶體 四面體配位鐵物種附近的SiOSi結(jié)構(gòu)變得剛性化不同晶化時間的 Fe-ZSM-5 (Si/Fe=152)在244nm 紫外拉曼光譜Fe-ZSM-5合成機(jī)理的紫外拉曼光譜研究利用激發(fā)線 (244 nm)

12、 的紫外拉曼光譜可以選擇性地激發(fā)得到鐵物種的相應(yīng)信息。l 在Fe-ZSM-5 形成的初期已經(jīng)存在大量四面體配位的Fe-(OSi)4，但它們的配位環(huán)境不如在晶化完全的分子篩骨架中那么剛性化l 分子篩骨架的結(jié)晶度不斷提高拉曼光譜結(jié)果表明，F(xiàn)e-ZSM-5骨架的形成是從樣品核心開始的，然后由內(nèi)到外逐漸晶化。Fe-ZSM-5 的晶化機(jī)理Fe-ZSM-5合成機(jī)理的紫外拉曼光譜研究范峰滔, 李燦.催化材料的紫外拉曼光譜研究J. 催化學(xué)報, 2009, 30(8): 717-739.u紫外拉曼光譜由于避開了熒光干擾和具有較高的靈敏度u利用紫外拉曼以及共振拉曼光譜技術(shù)可以非?？煽?、準(zhǔn)確地鑒別出微孔和介孔材料中活性位的結(jié)構(gòu)u紫外拉曼光譜在原位研究分子篩合成機(jī)理方面顯示了強(qiáng)大的優(yōu)越性將紫外拉曼技術(shù)推進(jìn)到深紫外拉曼技術(shù)將會拓展其在分子篩材料、雜原子分子篩材料以及寬禁帶半導(dǎo)體材料表征方面的應(yīng)用。將紫外拉曼技術(shù)與時間分辨技術(shù)相結(jié)合將會進(jìn)一步擴(kuò)展時間分辨光譜在光催