高溫拉曼光譜技術發展與應用

尤靜林團隊是國內最早一批從事高溫拉曼相關研究的科研人員，當時俄羅斯、美國、法國等也同時開展了相關研究工作。國際上，是尤靜林團隊首次將ICCD (增強型電荷耦合裝置)探測器與高溫拉曼結合的。ICCD具有電子開關作用，可以同步脈沖激光的步調，有脈沖時，電子開關同步打開接受信號；沒有激光脈沖時則關閉，這樣就大大提升了拉曼光譜信號，削弱了黑體輻射，起到去除黑體輻射背景干擾的作用。

談到ICCD與高溫拉曼的結合，尤靜林回顧了與HORIBA成功合作的往事。2003年，尤靜林看到有關原子光譜與ICCD結合的技術后，產生了將高溫拉曼光譜儀與ICCD結合的想法，并轉達給HORIBA，希望其能做技術嘗試。幾個月后，HORIBA法國嘗試成功，尤靜林也很快選購了ICCD，同時在2004年又采購了HORIBA第二套光譜設備（HR800）。

    有了ICCD的助攻，配合納秒級脈沖激光，確保了檢測的穩定和便捷，結合了多個不同功能的高溫熱臺，使該技術迅速應用在包括硅鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、氟鋁酸鹽等多種高溫無機熔體或熔鹽的拉曼光譜溫致結構變化實測和反應過程原位跟蹤研究中，成為高溫熔體結構重要和有效的實驗驗證手段。

ICCD和拉曼光譜HR EVOLUTION聯用

尤靜林表示，高溫拉曼光譜技術應用面很廣，比如高溫熔融狀態下，核反應堆研究對拉曼等檢測手段需求呈上升趨勢。結合拉曼共焦技術，利用空間分辨能力，成為應用于高溫熔體晶體生長邊界層的一支利劍，具有比其它方法如高溫X-射線散射技術和核磁共振譜的顯著的優勢。還有如焦炭制備過程、地質巖漿探測等，相比以往冷卻下來再觀測，高溫原位觀測則可以實時真實地研究其結構及其變化過程。

為何要使用高溫拉曼技術？“高溫”與常規拉曼區別？

尤靜林表示，許多使用拉曼光譜技術的科研人員都會涉及到變溫拉曼的需求，比如說300度、500度、800度、1000度，有的甚至是1500度。變溫時，如果是溫度低于攝氏1000度，那目前常規拉曼光譜儀完全可以勝任。但如果超過攝氏1000度，常規的拉曼光譜儀就有了自身局限性。

拉曼光譜HR evolution的2種加熱臺

出現局限性是什么原因呢？當溫度超過1000度時，高溫黑體輻射背景，就會成為一個壓倒性的強光背景，把拉曼信號掩蓋掉。這樣就無法采集到拉曼信號。所以我們非常需要研發出一種技術手段，能夠把強大黑體輻射背景去除并提取出拉曼信號，這是高溫拉曼技術的核心所在。

相比高溫核磁、高溫XRD等，高溫拉曼的技術優勢？

針對高溫液態熔體結構的，除了高溫拉曼光譜技術，還有高溫X射線散射技術和高溫核磁共振譜等，但相比之下，高溫拉曼技術有哪些優勢？

尤靜林表示，高溫X射線散射也可以實現原位測量，溫度也能做到攝氏1500度甚至1600度。但它獲取的信息量比較有限。對于熔融無序態，高溫X射線散射可以給出第一近鄰的鍵長、化學鍵、配位數等信息，再遠的位置很難再獲取其它有效信息。雖然通過統計方法可以擬合一些宏觀性質，但對于理解熔體微觀結構還遠不夠。

尤靜林教授講解隨筆

高溫核磁共振技術的弱點在于，當樣品熔融到了液態時，該技術對結構捕捉的靈敏度就很差，會將液態的快速動態結構信息平均化，所以測到的信息實際上是被扭曲了，信息量就大打折扣。

而高溫拉曼光譜技術卻是一種較有效的方法。它不僅可以獲取鍵長、配位數信息、不同配位數的團簇信息，以及通過定量獲得對應的微結構種類含量等，還可以提供更豐富的結構信息，對理解熔體結構和進行相關計算機結構模擬比較研究等提供更多可能。

計算機模擬技術不可少

由于熔融結構的高溫拉曼技術研究開展較早，對應的拉曼光譜沒有可以參考的數據庫，尤靜林團隊便不得不同時開展了“解釋”譜圖的工作——計算機模擬。尤靜林團隊利用工作站，通過分子動力學方法、從頭計算分子動力學和密度泛函理論等方法進行結構模擬和光譜模擬，用以比較解讀實測的拉曼光譜，二十多年的實踐，計算機模擬方面的工作也獲得了很好的效果。同時，尤靜林團隊還開發出了結構和光譜模擬方法，也與許多合作單位開放共享。

來源：儀器信息網   編輯：楊厲哲