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RM5帶你探索偏振拉曼光譜

來源：時(shí)間：2024-06-05 13:56:32 瀏覽：2194次

前言

對于某些分子或樣品，普通的拉曼光譜數(shù)據(jù)可以通過控制激發(fā)樣品的光的偏振和樣品的光散射來擴(kuò)展。利用這種技術(shù)收集的拉曼光譜分析可以提供有關(guān)樣品分子結(jié)構(gòu)的信息，包括其振動(dòng)模式的對稱性，以及高度有序的樣品，如晶體、聚合物和碳材料。

RM5共焦顯微拉曼光譜儀可以配置由電腦軟件自動(dòng)控制的偏振片，能夠讓用戶更加輕松方便地獲取并分析拉曼光譜和偏振拉曼的Mapping譜圖。測試數(shù)據(jù)均可保證< 1μm的空間分辨率，這均歸功于RM5真正的共焦針孔。

本應(yīng)用將介紹關(guān)于光的偏振和偏振拉曼光譜的基本理論，以及RM5應(yīng)用偏振拉曼的測試實(shí)例。

什么是光的偏振？

在經(jīng)典物理學(xué)中，光被認(rèn)為是一種電磁波。每一種電磁波都是由相互垂直的電場和磁場組成的。為了簡化，只考慮電場(EF)分量：非偏振光由EFs朝向所有不同方向的波組成(圖1)。線性偏振光由EF沿光的傳播方向在一個(gè)平面上排列的波組成。圓偏振光由兩個(gè)相互垂直、振幅相等、相位差為π/2的EF分量的波組成。橢圓偏振光由兩個(gè)相互垂直但振幅和相位差不相等的EF分量的波組成。

可以改變這些不同類型的光，以利于實(shí)驗(yàn)使用。例如，有些材料只允許特定方向的電磁波通過。這些材料被稱為偏振器，它們可以用來產(chǎn)生不同類型的偏振光。

在RM5中，半波片用于改變線性偏振光的偏振方向，四分之一波片用于將線性偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。

圖1.、偏振光的類型(注:線性偏振光和圓偏振光可被認(rèn)為特殊情況的橢圓偏振光)

什么是偏振拉曼？

拉曼光譜中峰的位置可以根據(jù)組成分析樣品分子內(nèi)部的分子振動(dòng)來確定。標(biāo)準(zhǔn)條件下的拉曼光譜可以告訴我們樣品的化學(xué)成分，而偏振的拉曼光譜可以提供更進(jìn)一步的信息，比如振動(dòng)模式的對稱性和樣品的方向。

利用偏振拉曼光譜獲得的信息眾多應(yīng)用均有意義，例如：

‐ 電子學(xué)和光學(xué)，確定元器件取向

‐ 納米材料，測量單壁碳納米管的排列

‐ 晶體學(xué)，評估晶體結(jié)構(gòu)

‐ 聚合物，揭示應(yīng)力的位置

‐ 生物學(xué)，描述非癌性和癌性人類乳腺組織的各向同性和各向異性振動(dòng)反應(yīng)

‐ 理論研究，提供振動(dòng)模式的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和數(shù)值

為了幫助理解偏振拉曼光譜中使用的概念、硬件和符號，需要考慮兩種不同類型的樣品——各向同性和各向異性：

各向同性樣品(隨機(jī)取向的樣品，如液體、微晶粉末)

拉曼散射光包括具有平行于激發(fā)光的偏振和與其垂直的偏振光的組合。在標(biāo)準(zhǔn)拉曼測量過程中，這兩種成分在同一光譜中測量。相反，在偏振拉曼光譜測量中，偏振濾光片被用來分別測量各個(gè)成分的拉曼光譜。

各向異性樣品(定向樣品，如晶格、聚合物)

在這些樣品中，分子處于固定的位置，這意味著它們內(nèi)部的化學(xué)鍵可以移動(dòng)到特定的激發(fā)極化排列中。拉曼峰及其強(qiáng)度隨排列的不同而不同，從而產(chǎn)生了不同的光譜，為樣品提供了有用的信息。

去極化率

對于一個(gè)特定的峰值，取其垂直強(qiáng)度與平行強(qiáng)度之比，得到去極化率（ρ）：

去極化率能夠提供分子對稱性的信息，以及拉曼峰所代表的振動(dòng)模式。

眾所周知, 對于一個(gè)完全對稱的振動(dòng)模式, ρ小于0.75，做極化帶。如果ρ大于或等于0.75, 叫去極化帶(即是不完全對稱的)。

這些信息可以用來幫助識別振動(dòng)模式以及樣品的結(jié)構(gòu)和特性。

Porto符號

“Porto符號”用于標(biāo)準(zhǔn)化的方式記錄極化條件，以便能夠準(zhǔn)確地比較多組數(shù)據(jù)。波爾圖符號采用以下形式：A (B C) D。這里，A是激發(fā)（激光）傳播方向；B是激發(fā)（激光）偏振方向；C是散射（拉曼）偏振方向；D是散射（拉曼）傳播方向。

圖2顯示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置和相應(yīng)的Porto符號的示例，其中`z 散射傳播方向表示180°后散射配置（如RM5中使用的）。

由于各向同性樣品的拉曼光譜不依賴于樣品的方向，因此可以進(jìn)行兩種不同的極化測量，激發(fā)極化方向和散射極化方向之間的關(guān)系如下:

水平，例如：

豎直，例如：如圖2所示，

圖2. Porto 符號實(shí)例

當(dāng)使用各向異性樣品時(shí)，有必要記錄樣品相對于臺/顯微鏡的取向。例如，這可以通過使用臺或樣品（例如晶體結(jié)構(gòu)）的坐標(biāo)系來完成，或者如果未知，則捕獲樣品的白光圖像。從圖2中的實(shí)驗(yàn)裝置來看，可能有四種不同的激發(fā)和散射極化組合：

實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果

為了說明這些技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，對各向同性和各向異性樣品的測量如下。所示的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是使用RM5拉曼顯微鏡（圖3）收集的，該顯微鏡配備了自動(dòng)偏振器，可由RM5軟件Ramacle軟件輕松控制。532nm激發(fā)激光與20x物鏡和1800 gr/mm光柵一起使用。用半波片改變線性偏振光的偏振方向。將400微升環(huán)己烷添加到96孔板孔中，并將鈮酸鋰放置在顯微鏡載玻片上。

圖3. RM5顯微拉曼共焦光譜儀

各向同性樣品-環(huán)己烷

在下面的光譜中可以觀察到，完全對稱的振動(dòng)模式在平行和垂直構(gòu)型之間表現(xiàn)出最大的強(qiáng)度變化。

圖4. 環(huán)己烷的偏振拉曼譜圖(532 nm, 1800 gr/mm)

環(huán)己烷的拉曼光譜（圖4）包含極化和去極化的拉曼峰。在383、801和1157cm-1處可以看到極化峰（ρ<0.75），它們來自完全對稱模式。例如，在801cm-1處，光譜中最強(qiáng)的峰來自CH2變形振動(dòng)和環(huán)振動(dòng)。

在425、1028、1266、1345和1444 cm-1處可以看到去極化峰（ρ≥0.75），并且來自非完全對稱的模式。例如，1444cm-1處的峰值來自CH2剪切振動(dòng)。

各向異性樣品-鈮酸鋰

在下面的光譜中，我們將觀察到晶體和拉曼光譜儀之間的方向是重要的考慮因素，并使用Porto符號進(jìn)行詳細(xì)說明。

鈮酸鋰是一種單軸鐵電材料。它具有非線性光學(xué)系數(shù)大等特點(diǎn)，使得它在技術(shù)上具有重要意義，特別是在（非線性）光學(xué)應(yīng)用中。

本應(yīng)用使用的樣品被切割成晶體X軸面，這個(gè)面垂直于入射激光的方向（平行于樣品臺表面），以及Y軸和Z軸的方向均如圖5所示。

利用圖5我們還可以獲得用于每次光譜測量的拉曼儀器配置的Porto符號。

圖5. 鈮酸鋰樣品取向?qū)嵗?/section>

圖6顯示了使用四種不同的偏振配置獲得的鈮酸鋰光譜?？梢钥闯?，在不同的光譜中，存在的模式以及它們的強(qiáng)度和位置都有很大的變化。與之前的各向同性液體樣品相比，在不同的極化結(jié)構(gòu)中，峰值強(qiáng)度是主要變量。

比較各向異性樣品的極化光譜信息有助于識別材料及其晶體結(jié)構(gòu)和取向。

圖6. 鈮酸鋰偏振光光譜 (532 nm, 1800 gr/mm)

結(jié)論

本應(yīng)用意在說明光的偏振如何提供標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜研究中無法提供的有用信息。我們討論了去極化率以及它如何提供振動(dòng)模式對稱性的信息，我們還討論了波爾圖符號及其在記錄光譜、樣品、儀器和光的方向之間的關(guān)系中的應(yīng)用。對于各向同性(液體環(huán)己烷)和各向異性(晶體鈮酸鋰)樣品，我們演示了如何在RM5拉曼顯微鏡下建立極化拉曼實(shí)驗(yàn)，并分析合成光譜。

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