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拉曼光谱助力物理材料领域的深入研究——访中山大学测试中心陈建研究员

仪器信息网 2019/08/08 14:01:42 点击 3489 次
赛多利斯
[导读] 中国在拉曼光谱技术开发和应用方面做了很多工作,可以说2017年我国的拉曼光谱进入了一个黄金时段,物理、化学、材料、、环境等各行各业都得到广泛的研究和应用,可谓百花齐放、蓬勃发展。

  拉曼光谱是物质的非弹性散射光谱,能够提供丰富的材料结构信息,已经成为研究材料物理性质,鉴别材料成分的基本手段,同时也是必不可少的一种有力工具。而作为科研级拉曼光谱仪的使用“大户”,物理材料领域的研究一直代表着拉曼光谱应用的前沿和高端,当然其对仪器性能的要求也相对较高,甚至很多时候要求仪器达到“极致”的状态。

  拉曼光谱在材料领域的应用现状如何?目前的研究还存在哪些问题?物理材料领域的研究对拉曼光谱仪有哪些特殊要求?日前,仪器信息网特别采访了中山大学测试中心陈建研究员。

陈建 (1).jpg

中山大学测试中心陈建研究员

  走进陈建研究员的办公室,墙壁上的一张张照片,我们不仅看到了陈建研究员年轻时的身影,更看到了中国拉曼光谱研究和应用群体发展壮大的历史轨迹。而我们的采访,也是从寻找这些照片中的年轻身影和历史踪迹展开……

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办公室墙壁上的照片展

  他的研究工作一直在追求“极致”

图片历史仪器.jpg

ICORS94的广州卫星会议期间展出的拉曼光谱仪

  谈到当初仪器的选择及购置,陈建研究员给我们讲了一个很长的故事。从本科研究生阶段的Jobin-Yvon U1000,到刚工作时的Spex 1403激光拉曼光谱仪,陈建说,一直非常期望能用上先进的拉曼光谱仪。1994年在中山大学召开的ICORS94广州卫星会议期间的仪器展,刚工作没多久的陈建与雷尼绍的拉曼光谱仪有了第一次的交集。鉴于初次谋面的好印象,之后的时间里便有了更多的接触和了解,特别是纳米金刚石的石墨化效应研究遇到信号极弱难题的时候,雷尼绍拉曼光谱仪的“高灵敏度”给了他很多帮助。据悉,该研究成果在国际著名学术期刊Applied Physics Letter和Angewandte Chemie International Edition上发表,首次报道了纳米金刚石粉末在惰性气氛下的石墨化效应以及石墨化温度,深入研究了纳米金刚石的热效应,引起国内外研究学者的高度重视(1999-2005年)。

  经过缜密的调研,陈建实验室于2005年购置了inVia Basis拉曼光谱仪(514 nm、785 nm);2012年,升级了633 nm波长的激光器和Streamline+SHR3D快速成像。之后,陈建研究员的研究工作“如鱼得水”,克服了一个个科研难题。据介绍,基于这台仪器,陈建研究员在拉曼光谱法研究聚合物分子链的动态运动过程方面开展了一系列的工作,包括拉曼光谱法研究PTT分子链的松弛运动及冷结晶动力学、CRM技术研究PS/PMMA双层薄膜体系中分子链的扩散现象、拉曼Mapping成像法研究PS/HDPE共混体系的相态结构等。

  2006-2018年,陈建对一维纳米材料(包括WOx、CdS、MoO3、ZnO、TiO2等)进行了系统的研究,开拓了单根一维纳米材料光电特性和结构相变的新方向。此外,他还搭建了拉曼光谱及光电气敏综合测试平台、拉曼光谱原位电化学反应机理测试平台等,研究了表面等离子体共振效应在光-电-热协同催化的应用及机理;据悉未来,陈建的研究方向将聚焦表面等离子体共振光谱和二维材料的结构与性能研究。

  陈建研究员实验室的这台拉曼光谱仪目前一天运转八小时,一年的样本量接近3000个,其中对校外服务的比例大约为10%,正常样本的测试时段一般都要排到半个月甚至一个月之后。陈建说,“测试中心的工作主要是做测试,对仪器的灵敏度、重复性、稳定性、可靠性要求都比较高。更重要的是,要求仪器每天都正常运转,所以结实耐用最关键。”他说,从2005年到现在,除了激光器因寿命原因换过几个以外,其他的,包括滤光片都没有换过。而且,这十几年下来,仪器的灵敏度跟刚购置的时候没有太大的变化。对实验室这台仪器的皮实程度,陈建表示还是非常满意的。当然,这也与管理过程中的细心呵护密不可分。据悉,鉴于科研的需求,2018年,实验室又购置了inVia Qontor,配置了325 nm、532 nm、633 nm、785 nm激光器和各种成像功能(SL+SHR3D+Rapide+LiveTrack),以及高低温与催化原位池,这台仪器将于近期安装。

仪器展.jpg

陈建研究员实验室中的拉曼光谱仪

  采访过程中,我们聆听到许多拉曼光谱的相关故事,同时也感受到了陈建研究员严谨治学的态度。他对拉曼仪器及技术“了如指掌”,他愿意做困难的样品,他对自动化程度特别高的仪器并不是特别喜欢,反而偏爱手动将仪器调整到“极致”的状态,这些对陈建而言,是非常愉快而有意义的事情。

  谈到当前拉曼光谱领域的研究,陈建说,虽然我国拉曼光谱相关研究群体比较大,涉及的领域也非常广,但是目前更多的是将拉曼光谱仪作为一个可选的表征手段,真正进行深入研究的却比较少。陈建认为,拉曼光谱在物理材料领域的应用就要追求“极致”,一方面是研究的深入程度,另一方面仪器性能条件也要调整到最佳。“只有这样才能创新性的解决科研中的难题,而不只是单纯的应用表征。”

  物理材料领域的研究对拉曼光谱仪提出更高要求

  近年来,拉曼光谱的研究如火如荼,物理材料、生命科学、化学等各个领域都成绩斐然。而鉴于各领域研究的深入,拉曼光谱的各种新技术也层出不穷:追求极致空间分辨率的AFM-Raman(TERS);实现形貌、微观与成分结构原位分析与成像的SEM-Raman;用于活细胞原位控制与测试的光镍技术;各种拉曼成像技术,如激光实时聚焦成像极大扩展了拉曼成像的样品范围,适合各种表面不规则样品和动态变化的样品等。说起近几年的新技术,陈建如数家珍。

  物理与材料领域一直是高端拉曼光谱仪的“大户”,对仪器性能的要求也相对较高。据陈建介绍,该领域需要测量波数更低、灵敏度更高、成像速度更快、空间分辨率更高的拉曼光谱技术。而随着新材料的出现和检测手段的更新,拉曼光谱中的物理参量及其相关的知识也在不断的扩充和加深,比如由于分形结构、无序结构深入研究的需要出现了耦合系数,多壁纳米管(如碳)研究的基础上又给出了另一个新的参量—反转系数;鉴于材料,特别是二维材料结构、性能等方面的研究需求,联用技术在物理材料领域的应用需求也越来越明显。

  不过,针对当前物理与材料领域的研究需求,陈建也分析了几点局限性:“由于拉曼光谱信号比较弱,灵敏度还需要进一步提升,成像速度还需再加快,荧光还需要想办法抑制或避免,新的时间分辨拉曼、CARS、SRS等技术虽然已经有一些解决方案,但受限于复杂的技术和高昂的成本,目前还未能普及。”

  而对于国内外的研究差别,陈建指出,目前国外在拉曼理论以及利用相干和受激拉曼散射、时间分辨拉曼散射进行材料相关研究的比较多,但国内相对还较少。

  国家教育投资或将促进拉曼光谱市场快速增长

  在过去的20多年里,中国拉曼光谱的研究群体持续增长,拉曼光谱仪的普及程度也在逐渐提高。陈建说,“我硕士毕业刚来中山大学的时候,拉曼光谱的普及程度还非常低,大部分的学生都没听说过拉曼光谱。而现在,走在校园里,十个理工科学生里面就有两三个对拉曼光谱有所了解。”据悉,目前陈建依然坚持在教学一线,教授研究生、本科生的拉曼光谱选修课,普及拉曼光谱知识。

  “中国在拉曼光谱技术开发和应用方面做了很多工作,可以说2017年我国的拉曼光谱进入了一个黄金时段,物理、化学、材料、环境等各行各业都得到广泛的研究和应用,可谓百花齐放、蓬勃发展。未来,在临床医学、制药、生命科学、司法鉴定等领域会有更大的发展空间。”

  对于拉曼光谱仪的市场,陈建评价说,最近几年我们国家经济增长比较快,国家对教育的投入也很大。根据日前公布的2019年高校年度预算来看,今年共有8所高校登上“百亿俱乐部”。按照我们国家的国情而言,这些预算中很大一部分会用于设备的购置和人才引进。而在常规的设备很多都已经购置过的情况下,拉曼光谱等新仪器有望迎来比较快的增长。

  后记:

  1990-2019,回忆过去的29年,陈建和拉曼光谱有着“千丝万缕的联系”。陈建笑称拉曼光谱是他最亲密的伙伴,甚至比陪伴家人的时间都要长。其实,从陈建办公室的布局,我们就能感受到拉曼光谱在其生活中的分量:办公室进门右手边的房间放置的是inVia拉曼光谱仪;左手边是陈建的办公室兼书房,书架上拉曼光谱相关的中英文书籍和文献一应俱全;而正对门口的房间留给了即将入驻的新的拉曼光谱仪inVia Qontor。也许是兴趣与爱好使然,但更多的应该是这许多年与拉曼光谱朝夕相伴的研究与探索,才成就了陈建今天的学识以及在行业中的地位。

  据悉,在他的带领下,中山大学在拉曼光谱方面也有很强的创新性,敢为人先,目前已经累计购置了10余台相关的产品。其中,光电材料与技术国家重点实验室(大学城)拥有全球第一台AFM-Raman-SEM联用系统;材料学院拥有全球第一台实现193 nm的micro-PL成像的拉曼系统;环境学院拥有全国第一台与激光扫描共聚焦显微镜联用的拉曼系统。

[来源:仪器信息网]
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编辑: 叶建
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