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成果速递| 微秒级时间分辨超灵敏红外光谱仪-IRis-F1

Quantum Design中国子公司 2019-12-05 10:14:29 579  浏览
  • 引言

        电场对光谱的影响被称为斯塔克效应或电致色变效应,它已在电子斯塔克光谱学中得到广泛利用。类似的效果也可以在振动光谱中观察到,即电场会扰动化学键振动模式的基态和激发态,从而导致其吸收能发生转移,该效应被称为振动斯塔克效应(VSE),并被应用于蛋白质和其他生物系统、电极界面、溶质-溶剂相互作用等研究中。VSE可以帮助我们在分子水平上深入了解材料的静电性质,这在生物学,化学和材料科学领域中是具有普遍意义的重要话题。具体来讲,它能够帮助我们理解电场在化学键非谐性,材料中的能带结构,键合和催化过程以及酶的过渡态稳定化等研究中的影响,而这在蛋白质设计和蛋白质工程及其在生物催化中的应用非常重要。
     
        振动斯塔克光谱(VSS)是一种直接测量凝聚态物相VSE的实验方法,它可以定量给出振动模式对外部电场的敏感性,并用斯塔克调谐率来表示,单位是cm-1/(MV/cm)。一般情况下中红外波段的VSS谱可以通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测得。然而,FTIR光谱仪所使用的红外光源一般亮度较低,再考虑到VSS信号的低灵敏度和冷冻样品的各向同性等因素,要得到一个较好的VSS光谱,通常需要较长的测量时间,而电场的长时间施加无疑会增加样品介电击穿的几率。

    Z新动态

        幸运的是,近期IRsweep公司及斯坦福大学Jacek Kozuch团队利用微秒级时间分辨超灵敏双光梳红外光谱仪-IRis-F1(Dual-comb spectrometer, DCS)功克服了这一问题[1]。他们利用双光梳光谱仪测量了氟苯的斯塔克光谱,并发现在测量时间缩短250倍的情况下,DSC方法仍可获得与FTIR方法相媲美的定性和定量数据。对氟苯的斯塔克调谐率估算结果显示,DCS方法测得数值((0.81±0.09)cm-1 /(MV / cm))和之前报道测量数值0.84 cm-1 /(MV / cm)相吻合,并且相较传统FTIR方法测得数值((0.89±0.15)cm-1 /(MV / cm))更加jing准。更进一步,在数据信噪比(SNR)方面,DCS表现也更胜一筹。该应用成功证明IRis-F1双光梳光谱仪所用的DSC技术可以通过其高速、短时和高亮度的特点将振动斯塔克光谱的应用领域加以拓展,并且其0.328cm-1的谱采样率相较于传统FTIR也更具优势。 

    图文导读 

     
    图1:双梳光谱仪(Dual-comb spectrometer, DCS)配置图 
     
     
    图2:振动斯塔克效应电场触发示意图和测量参数 
     
     
    图3:主要测量结果:DSC方法在1.536 s的测量时间下得到了与FTIR方法384 s测量时间相一致的结果,估算出的塔克调谐率也与之前报道相一致 
     

    相关参考 

    1. Markus Geiser et al., Vibrational Stark Spectroscopy on Fluorobenzene with Quantum Cascade Laser Dual Frequency Combs, Accepted for publication in Applied Spectroscopy, Spectroscopic Techniques.
     

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成果速递| 微秒级时间分辨超灵敏红外光谱仪-IRis-F1

引言

    电场对光谱的影响被称为斯塔克效应或电致色变效应,它已在电子斯塔克光谱学中得到广泛利用。类似的效果也可以在振动光谱中观察到,即电场会扰动化学键振动模式的基态和激发态,从而导致其吸收能发生转移,该效应被称为振动斯塔克效应(VSE),并被应用于蛋白质和其他生物系统、电极界面、溶质-溶剂相互作用等研究中。VSE可以帮助我们在分子水平上深入了解材料的静电性质,这在生物学,化学和材料科学领域中是具有普遍意义的重要话题。具体来讲,它能够帮助我们理解电场在化学键非谐性,材料中的能带结构,键合和催化过程以及酶的过渡态稳定化等研究中的影响,而这在蛋白质设计和蛋白质工程及其在生物催化中的应用非常重要。
 
    振动斯塔克光谱(VSS)是一种直接测量凝聚态物相VSE的实验方法,它可以定量给出振动模式对外部电场的敏感性,并用斯塔克调谐率来表示,单位是cm-1/(MV/cm)。一般情况下中红外波段的VSS谱可以通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测得。然而,FTIR光谱仪所使用的红外光源一般亮度较低,再考虑到VSS信号的低灵敏度和冷冻样品的各向同性等因素,要得到一个较好的VSS光谱,通常需要较长的测量时间,而电场的长时间施加无疑会增加样品介电击穿的几率。

Z新动态

    幸运的是,近期IRsweep公司及斯坦福大学Jacek Kozuch团队利用微秒级时间分辨超灵敏双光梳红外光谱仪-IRis-F1(Dual-comb spectrometer, DCS)功克服了这一问题[1]。他们利用双光梳光谱仪测量了氟苯的斯塔克光谱,并发现在测量时间缩短250倍的情况下,DSC方法仍可获得与FTIR方法相媲美的定性和定量数据。对氟苯的斯塔克调谐率估算结果显示,DCS方法测得数值((0.81±0.09)cm-1 /(MV / cm))和之前报道测量数值0.84 cm-1 /(MV / cm)相吻合,并且相较传统FTIR方法测得数值((0.89±0.15)cm-1 /(MV / cm))更加jing准。更进一步,在数据信噪比(SNR)方面,DCS表现也更胜一筹。该应用成功证明IRis-F1双光梳光谱仪所用的DSC技术可以通过其高速、短时和高亮度的特点将振动斯塔克光谱的应用领域加以拓展,并且其0.328cm-1的谱采样率相较于传统FTIR也更具优势。 

图文导读 

 
图1:双梳光谱仪(Dual-comb spectrometer, DCS)配置图 
 
 
图2:振动斯塔克效应电场触发示意图和测量参数 
 
 
图3:主要测量结果:DSC方法在1.536 s的测量时间下得到了与FTIR方法384 s测量时间相一致的结果,估算出的塔克调谐率也与之前报道相一致 
 

相关参考 

1. Markus Geiser et al., Vibrational Stark Spectroscopy on Fluorobenzene with Quantum Cascade Laser Dual Frequency Combs, Accepted for publication in Applied Spectroscopy, Spectroscopic Techniques.
 
2019-12-05 10:14:29 579 0
成果速递| 微秒级时间分辨超灵敏红外光谱仪-IRis-F1 可用于氟苯振动斯塔克光谱快速测量

引言

    电场对光谱的影响被称为斯塔克效应或电致色变效应,它已在电子斯塔克光谱学中得到广泛利用。类似的效果也可以在振动光谱中观察到,即电场会扰动化学键振动模式的基态和激发态,从而导致其吸收能发生转移,该效应被称为振动斯塔克效应(VSE),并被应用于蛋白质和其他生物系统、电极界面、溶质-溶剂相互作用等研究中。VSE可以帮助我们在分子水平上深入了解材料的静电性质,这在生物学,化学和材料科学领域中是具有普遍意义的重要话题。具体来讲,它能够帮助我们理解电场在化学键非谐性,材料中的能带结构,键合和催化过程以及酶的过渡态稳定化等研究中的影响,而这在蛋白质设计和蛋白质工程及其在生物催化中的应用非常重要。
 
    振动斯塔克光谱(VSS)是一种直接测量凝聚态物相VSE的实验方法,它可以定量给出振动模式对外部电场的敏感性,并用斯塔克调谐率来表示,单位是cm-1/(MV/cm)。一般情况下中红外波段的VSS谱可以通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测得。然而,FTIR光谱仪所使用的红外光源一般亮度较低,再考虑到VSS信号的低灵敏度和冷冻样品的各向同性等因素,要得到一个较好的VSS光谱,通常需要较长的测量时间,而电场的长时间施加无疑会增加样品介电击穿的几率。

Z新动态

    幸运的是,近期IRsweep公司及斯坦福大学Jacek Kozuch团队利用微秒级时间分辨超灵敏双光梳红外光谱仪-IRis-F1(Dual-comb spectrometer, DCS)功克服了这一问题[1]。他们利用双光梳光谱仪测量了氟苯的斯塔克光谱,并发现在测量时间缩短250倍的情况下,DSC方法仍可获得与FTIR方法相媲美的定性和定量数据。对氟苯的斯塔克调谐率估算结果显示,DCS方法测得数值((0.81±0.09)cm-1 /(MV / cm))和之前报道测量数值0.84 cm-1 /(MV / cm)相吻合,并且相较传统FTIR方法测得数值((0.89±0.15)cm-1 /(MV / cm))更加jing准。更进一步,在数据信噪比(SNR)方面,DCS表现也更胜一筹。该应用成功证明IRis-F1双光梳光谱仪所用的DSC技术可以通过其高速、短时和高亮度的特点将振动斯塔克光谱的应用领域加以拓展,并且其0.328cm-1的谱采样率相较于传统FTIR也更具优势。 

图文导读 

 
图1:双梳光谱仪(Dual-comb spectrometer, DCS)配置图 
 
 
图2:振动斯塔克效应电场触发示意图和测量参数 
 
 
图3:主要测量结果:DSC方法在1.536 s的测量时间下得到了与FTIR方法384 s测量时间相一致的结果,估算出的塔克调谐率也与之前报道相一致 
 

相关参考 

1. Markus Geiser et al., Vibrational Stark Spectroscopy on Fluorobenzene with Quantum Cascade Laser Dual Frequency Combs, Accepted for publication in Applied Spectroscopy, Spectroscopic Techniques.
 
2. 微秒级时间分辨超灵敏红外光谱仪:http://www.qd-china.com/products2.aspx?id=471


2019-12-05 16:00:47 636 0
极端反应“探索者”—— 微秒级时间分辨超灵敏红外光谱仪助力高

    高温、高压和快速反应相关的高能反应系统常常依赖于吸收光谱学进行反应动力学基础研究及在线监控。对于这样的极端环境,高带宽的吸收光谱测量可以为非平衡环境中的物质形成、温度测量和量子态种群的研究提供丰富的信息。通常此类反应时间短,且经常伴随复杂的热化学反应,因此在高带宽基础上,光谱测量速度至关重要。然而在如此极端的条件下直接进行快速光谱测量是一个极具挑战的技术难题。现有的宽带测量技术,例如傅立叶变换红外光谱仪或快速调谐的宽扫描外腔量子级联激光光谱,虽然能提供令人满意的光谱覆盖范围,达到宽光谱的测量要求,但由于其原理上低时间分辨率的特点,无法达到快速测量的目的。通常,快速测量解决方法是使用一系列激光测量系统在特定范围波长下获取物质的光谱信息,然后组合形成混合的光谱信息。这种方法虽然可以较快速地实现光谱测量,但其所能提供的频谱信息十分有限,限制了其在相关高能反应系统体系下进行反应动力学研究的应用。


    针对这一技术难题,IRsweep公司基于快速发展的量子级联激光(QCL)双频率梳技术开发了红外固态快速双光梳红外光谱仪 (DCS)。DCS突破了传统傅里叶红外光谱仪受其工作原理和光源限制所带来的时间分辨率低、高的分辨率下信噪比低、红外透射方法难以测量厚度大及毫米尺度的样品等缺点。可同时满足高测量速度(微秒级时间分辨率,< 1 µs)、高光谱分辨率(3x10-4 cm-1)和宽光谱范围的要求,能够成功用于高温、高压、快速反应的极端条件下的快速红外光谱研究。因此,该双光梳光谱仪在相关应用和文献报道中引起了研究者的广泛关注。


    近期,斯坦福大学的NICOLAS H. PINKOWSKI研究团队与IRsweep公司合作成功利用微秒级时间分辨超灵敏双光梳红外光谱仪-IRis-F1(Dual-comb spectrometer, DCS)为我们演示了中红外QCL的双梳状光谱仪在高能气相反应中的微秒分辨单次测量的应用。实验中配备了两个频率梳和多套独立的验证测量系统,在压力驱动下的高温、高压反应釜中研究了一种剧烈的丙炔氧化化学反应 (图1)。具体而言,作者在1225 K,2.8 大气压和2%p-C3H/ 18%O2的预点火条件下,测量了丙炔与氧气之间1.0 毫秒高温反应的详细动力学光谱(图2)。实验所采用的量子级联激光的双梳状光谱仪(DCS)是由两个独立运行的,非固定频率的频率梳组成,其发射波长带宽为179 cm-1 (1174 cm-1-1233 cm-1), 具有9.86 GHz的自由频谱范围和5 MHz的频梳间距,可实现实测4 μs的时间分辨率(理论时间分辨率 2 μs)。同时,作者使用另一套独立的带间级联激光(ICL)光谱仪对DCS测量的精度做了仔细的对比研究,确认了DCS测量的准确性。研究结果表明,单脉冲DCS可以以4 μs时间分辨测量速率解析丙炔氧化动力学(图3),DCS数据清楚显示:在反应早期(0-0.6 ms)能观察到宽带丙炔吸收特征峰,而在0.75 ms之后可以观察到水的精细特征光谱。在剧烈的高温高压反应中(1 ms 内约2500K和60倍的温度和压力变化)DCS数据显示了出良好的信噪比,其信号的自然噪声YZ和时间分辨率在高焓测试环境中显示出明显优势。同时,独立的辅助激光测量光谱(ICL)结果与DCS系统测量结果具有良好的一致性(图4)。此外,DCS能够解析与温度直接相关的量子态信息。并且,随着光谱模型和高温截面数据库的改进,将来DCS系统的测量准确性会进一步提升。 随着中红外双梳光谱技术的出现,为超灵敏双光梳红外光谱仪在高焓反应和非平衡环境的反应动力学研究中提供了广阔的研究机遇。研究者坚信超灵敏双光梳红外光谱仪在高能反应动力学研究中将会有更多应用前景。



图1 高能反应系统实验装置示意图

A:QCL双光梳快速红外光谱系统(DCS)包括相应的探测器;B:独立的ICL激光系统用于探测p-C3H4反应;C:独立的ICL激光探测系统,用于探测反应中水的变化

 


图2 2% p-C3H4 / 18% O2/ 80%  Ar 在1225 K,2.8 大气压条件下丙炔氧化反应动力学研究结果

(a)测量和模拟反应的热力学条件;(b)DCS测量的吸收光谱随时间的变化关系。 白色虚线区域表示具有高信噪比的两个区域


 

图3 丙炔氧化反应动力学DCS研究结果( 1215 cm-1-1225 cm-1


图4 p-C3H4 / Ar在 1120 K、3大气压条件下的高温扫描QCL激光(ICL, 灰色)和DCS(蓝色)光谱对比

 

参考文献:

[1] Nicolas H. Pinkowski et al., Dual-comb spectroscopy for high-temperature reaction kinetics, 2020,  Meas. Sci. Technol. 31 055501, https://doi.org/10.1088/1361-6501/ab6ecc


2020-03-25 14:03:28 563 0
直播|微秒级时间分辨超灵敏红外光谱仪高温反应动力学研究新机遇

[报告简介]

    高能反应系统常常依赖于吸收光谱学进行反应动力学基础研究及在线监控。然而在如此极端的条件下直接进行快速光谱测量是一个极具挑战的技术难题。现有的测量技术,例如:傅立叶变换红外光谱仪或快速调谐的宽扫描级联激光光谱,由于其原理上低时间分辨率的特点,无法达到快速测量的目的,限制了其在相关高能反应系统体系下进行反应动力学研究的应用。幸运的是IRsweep公司基于量子级联激光的双梳状技术(DCS)的开发的微秒级时间分辨超灵敏光谱仪(IRis-F1)为高温反应动力学研究为提供了令人兴奋且极富挑战性的试验场,具有良好时间分辨率的超灵敏红外光谱仪的使用为苛刻的动态环境中高温快速光谱测量提供了新机遇。

    本报告主要介绍由斯坦福大学Ronald Hanson教授组与IRsweep公司的合作研究,他们利用微秒级时间分辨超灵敏双光梳红外光谱仪(IRis-F1)成功为我们演示了中红外双梳状光谱仪在丙烷高能气相反应中的微秒分辨单次测量的应用。

    本报告将由斯坦福大学参与研究的Nicolas Pinkowski博士亲自介绍具体的实验细节及研究中面临的挑战及解决方案。


[注册链接]

PC端用户点击此处报名(https://us02web.zoom.us/webinar/register/WN_y7u9ojRLSV23q9IQOHrXPw?utm_source=Master+List&utm_campaign=81d0bbec96-webinar-invite-07-may-2020_html&utm_medium=email&utm_term=0_1ac0a41be8-81d0bbec96-118796863) 

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[主讲人介绍]

Markus Geiser 博士

瑞士IRsweep公司共同创始人


Nicolas Pinkowski 博士

斯坦福大学  Ronald Hanson教授组,NDSEG 研究员和研究助理


[报告时间]

开始  2020年05月14日  23:00

结束  2020年05月15日  24:00

请点击注册报名链接,预约参加在线讲座


2020-05-11 17:16:47 470 0
微秒级时间分辨红外光谱仪简介
微秒级时间分辨红外光谱仪简介
2019-11-20 16:23:20 936 2
成果速递|超高分辨散射式近场光学显微镜在超快研究领域ZX应用

    近年来,范德瓦尔斯(vdW)材料中的表面极化激元(SP)研究,例如等离极化激元、声子极化激元、激子极化激元以及其他形式极化激元等,受到了广大科研工作者的关注,成为了低维材料领域纳米光学研究的热点。其中,范德瓦尔斯原子层状晶体存在独特的激子极化激元,可诱导可见光到太赫兹广阔电磁频谱范围内的光学波导。同时,具有较强的激子共振可以实现非热刺激(包括静电门控和光激发)的光波导调控。

    前期的众多研究工作表明,扫描近场光学显微镜(SNOM)已经被广泛用于稳态波导的可视化表征,非常适合评估范德瓦尔斯半导体的各向异性和介电张量。 如上所述,范德瓦尔斯材料中具有异常强烈的激子共振,这些激子共振能产生吸收和折射光谱特征,这些特征同样被编码在波导模式的复波矢量qr中,鉴于范德瓦尔斯半导体在近红外和可见光范围内对ab-平面的光学极化率有重大影响,因此引起了人们的研究兴趣。

    2020年7月,美国哥伦比亚大学Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上发表了题为:”Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦尔斯半导体中的WSe2材料为例,利用德国neaspec公司的纳米空间分辨超快光谱和成像系统,通过飞秒激光激发研究了WSe2材料中光波导在空间和时间中的电场分布,并成功提取了飞秒光激发后光学常数的时间演化关系。同时,研究者也通过监视波导模式的相速度,探测了WSe2材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光学斯塔克(Stark)位移。                                                                原文导读:

①    在纳米空间分辨超快光谱和成像(tr-SNOM)实验中(图1,a),研究者首先将Probe探测光(蓝色)照到原子力显微镜(AFM)探针JD的顶点上,从探针JD顶点(光束A)散射回的光被离轴抛物面镜(OAPM)收集并发送到检测器。同时,WSe2材料的中的波导被激发并传播到样品边缘后,进而波导被散射到自由空间(光束B)。第二个Pump泵通道(红色)可均匀地扰动样本并改变波导的传播。 通过在WSe2/SiO2界面处的近场tr-SNOM的振幅图像(图1b)可明显观察到约120 nm厚WSe2材料边缘(白色虚线)处形成的特征周期条纹—光波导电场分布。研究者进一步通过定量分析数据,分别获取了稳态和光激发态下,WSe2中波导的光波导的相速度q1,r和q1,p。

图1:纳米空间分辨超快光谱和成像系统对WSe2材料中光波导的纳米成像结果。

a:实验示意图(蓝色为Probe光,红色为Pump光);b:近场纳米光学成像 c: 在稳态下,WSe2边缘的近场光学振幅图像;d: 光激发态下,延迟时间 Δt=1ps的WSe2边缘的近场光学振幅图像;e: 分别对c、d进行截面分析,获取定量数据。Probe探测能量,E=1.45 eV

②    研究者通过变化Probe探测能量范围(1.46–1.70 eV)及其理论计算成功获取了WSe2晶体稳态下的色散关系和理论数据显示A-exciton所对应的能量。

图2:WSe2晶体稳态动力学的时空纳米成像研究。

a: 不同Probe能量的近场光学振幅;b: 傅里叶变换(FT)分析; c:  Lorentz拟合的WSe2块体材料介电常数面内组成;d: 基于Lorentz模型理论计算的能量动量分布(吸收光谱)。Probe探测能量,E 1.46–1.70 eV。

③    为了进一步研究光激发下WSe2中波导的色散和动力学,研究者进一步在90 nm的WSe2材料上,通过探测能量E = 1.61 eV,泵浦能量E = 1.56 eV,泵浦功率1.5 mW的实验条件进行了一列的纳米空间分辨超快光谱和理论研究。研究结果表明(图3a,b),研究者成功获取到了不同延迟时间Δt与δq2和δq1的关系。结果表明:光激发后的DY个ps内,虚部q2(图3a)突然下降(δq2<0)并迅速恢复。另一方面,理论计算结果(图3,c)显示了在A-exciton附近(黑色虚线箭头),初始能量Ex处,稳态(黑色虚线)和激发态A-exciton能量Ex’(蓝色箭头)分别的色散关系。

    为了弄清各种瞬态机制,微分色散关系被研究者引入。首先,研究者定义了微分关系:δqj=qj,p – qj,r,(j=1,2 分别代表波矢的实部和虚部,p, pump激发态,r 稳态)。研究者的理论及实验微分色散关系结果(图3 d、e)成功显示了光诱导转变中A-exciton的动力学行为。结果表明:A-exciton附近微分色散的特征是由两个伴随效应引起的:(i)仅在Δt=0时观察到的A-exciton的7 meV蓝移; (ii)A-exciton的漂白(定义为光谱频谱展宽和/或振荡强度降低(见图3d)。 趋势(i)在1 ps内恢复,与YZ耗散的动力学一致(图3a)。因此,研究者得出结论,A-exciton共振的瞬态蓝移是由于相干的光诱导过程所引起。 趋势(ii)持续时间更长,因此归因于非相干激子动力学。


图3:WSe2中波导模的微分色散和动力学研究。

a: δq2与Δt曲线;b: δq1与Δt曲线;  c: 平衡和非平衡条件下洛伦兹模型计算的色散关系;d: 理论微分色散关系;e: 实验微分色散关系

    综上所述,波导的瞬态纳米超快成像使我们能够以亚皮秒(ps)时间分辨率来量化光诱导变化的WSe2光学特性。研究者在WSe2上成功观察到了光诱导相速度的大幅变化,这表明所观察到的效应可能在范德瓦尔斯半导体中普遍存在。此外,研究者的研究结果表明,我们可以按需调谐范德瓦尔斯半导体的光学双折射行为。另一方面,研究者的工作开创性地发展了利用tr-SNOM探测超快激子动力学的工作,并为利用波导作为定量光谱学工具研究纳米级光诱导动力学铺平了道路。研究者认为这种超快泵浦探测方法的高空间和时间分辨率,可能同样适用于新奇拓扑材料中的边缘模式和边缘效应的研究。

    neaspec公司利用十数年在近场及纳米红外领域的技术积累,开发出的全新纳米空间分辨超快光谱和成像系统,其Pump激发光可兼容可见到近红外的多组激光器,Probe探测光可选红外(650-2200 cm-1)或太赫兹(0.5-2 T)波段,实现了在超高空间分辨(20 nm)和超高时间分辨(50 fs)上对被测物质的同时表征,可广泛用于二维拓扑材料、范德瓦尔斯(vdW)材料、量子材料的超快动力学研究。

 

参考文献:

[1]. Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020);https://www.nature.com/articles/s41467-020-17335-w


2020-09-03 12:37:49 473 0
超快时间分辨光谱研讨会丨助力科研人员实现超快梦

时间分辨光谱是指一种能观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间的光谱。条纹相机技术是一种同时具备高时间分辨(皮秒)与高空间分辨(微米)的瞬态光学过程测量手段,常用于超快系统的脉冲持续时间测量。

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● 光通讯,量子器件的响应测量

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2019-10-23 16:51:57 406 0
时间分辨荧光?
时间分辨荧光测试是固体样品还是液体啊?
2017-11-25 10:57:18 619 1
成果速递|亚微米空间分辨同步IR + Raman光谱成像分析 PLA/PHA生物微塑料薄片

    来源于石油中的塑料产品已经成为现代生活不可分割的一部分,它们性能优异,用途广泛且相对便宜,但同时也引发了人们对于塑料垃圾在环境中累积问题的担忧,迫使我们尽快采取行动探索替代传统塑料的新型材料。生物塑料, 如聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸酯(PHA)等均来源于天然资源(如糖,植物油等),它们在适当条件下可发生生物降解,因此其制成的产品即使不小心泄漏到环境中,也不会像传统塑料一样长期残留在土壤和水道中,而是Z终回归自然,安全而又环保。

    虽然典型的PLA和PHA在分子层面上基本不混溶,但得益于其优异的相容性,它们可以以不同比例形成复合材料,创造出许多性质迥异的功能材料。为了更好地理解这两种材料在微观上的相互作用,美国特拉华大学Isao Noda教授课题组与Photothermal Spectroscopy Corp公司合作,利用基于光学光热红外技术(O-PTIR)的新一代非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage(图1)对PLA和PHA的复合薄片进行红外拉曼同步成像分析,探究这两种材料结合的方式和内在机理

图1. 非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mIRage结构示意图

    光学光热红外技术(O-PTIR)是一种新兴的光谱分析技术,可以提供几百纳米尺度上高空间分辨的振动光谱,且远低于传统红外显微镜的衍射极限(~10-20 μm)。在O-PTIR光谱学中,高频率调制下的强红外光束源,如量子级联激光器(QCL),用于照射样品。当红外光束波数与样品分子振动频率相匹配时,红外光被吸收,能量被转化为热。当被激发的分子回到基态时,温度会以光源调制的频率发生波动,从而引发相应的体积变化(光声效应)和折射率变化(光热效应)。这些信号可被具有远低于传统红外源空间衍射极限的高度聚焦的可见激光束所探测,同时在同一位置上伴随O-PTIR信号产生一个拉曼散射信号,从而实现真正的同时红外吸收和拉曼散射测量,并具有亚微米级的空间分辨率。

    O-PTIR作为一种新型的光谱技术,具有传统FTIR显微镜不可比拟的优点,并克服了许多限制。首先,O-PTIR可以提供空间分辨率约为500 nm的红外谱图,远远超过了典型的红外衍射极限空间分辨率,且不依赖于入射红外波长。更重要的是,它能够以反射/非接触(远场)工作模式简单快速的生成高质量的类似于FTIR的谱图,从而避免了制备样本薄切片的必要,且光谱与商用FTIR数据库搜索完全兼容和可译。另外,即使样品中包含易产生荧光干扰的组分(压制拉曼信号或造成其饱和),O-PTIR的可调制信号收集特性也确保它完全不受任何荧光的影响。IR和Raman在O-PTIR方法的结合下,可以充分利用这两种互补性技术的优势,实现同步的红外吸收和拉曼散射测量,并相互印证。

    该工作中,作者首先对这PHA和PLA的结合面进行了固定波数下的红外成像(图2)。通过对比可以发现,在约330 nm的范围内(空气/PHA界面)1725 cm-1处的红外信号出现了急剧的下降,而在PHA/PLA界面处几微米范围内1760 cm-1处的变化较为平缓,且无清晰的边界,表明PHA和PLA可能有某种程度的分子混合。由于使用O-PTIR技术,不存在困扰传统红外成像设备的米氏散射效应,因此能够确定这一模糊的边界是来自于两种材料间的相互渗透而非光学伪影。

图2. 使用O-PTIR技术实现PLA和PHA在固定波数下的红外成像。(A)红外成像图(红色1725 cm-1为PHA;绿色1760 cm-1 为PLA);(B)A图中黑色线性区域PHA/PLA红外吸收强度分布对比

    为了进一步研究PHA/PLA界面处的化学成分变化,作者对这大概2 μm左右交界面的红外图谱进行了间隔200 nm的线性红外扫描分析(图3)。从羰基(C=O)伸缩振动区和指纹区(图3 A和B)的线性扫描红外谱图可以清晰的区分PHA(1720和1740 cm-1)和PLA分子(1750-1760 cm-1)。区别于理想的简单二元系统(不互溶或无分子相互作用),PHA/PLA薄片羰基伸缩振动红外叠加图谱(图3 C)并不存在一个明显的等吸收点,反映了在界面区域存在着复杂的组分变化及两种以上不同物种的分布。

图3. PHA/PLA界面区域每200 nm间隔的羰基伸缩振动区域(A)和指纹图谱区域 (B) 以及羰基区域伸缩振动的叠合O-PTIR图谱(C)

    为获取更详细的界面处PHA/PLA组分的空间分布规律,同步和异步二维相关光谱(2D-COS,two-dimensional correlation spectroscopy)被用来分析羰基拉伸区域采集到的红外谱图(图4A和4B),并以等高线的图形式展现,详细的分析方法可以参考相关信息(Combined Use of KnowItAll and 2D-COS, https://www.youtube.com/watch?v=0UCcD3irVtE)。结果显示,在主要为PHA的混合界面区域同时观测到来源于PLA的1760 cm-1红峰外,表明部分PLA渗透到PHA层,且与PHA层的其余部分相比,界面附近的PHA结晶度明显降低。在对指纹图谱区域进行2D PHA/PLA相关光谱同步和异步对比时,也得到了同样的结果(可参照发表文章,在此不再显示), 即PLA向PHA渗透,且PHA的晶型有所改变。另外,作者还通过O-PTIR技术对该区域进行了同步红外和拉曼分析(图4C),两者选择性和灵敏度不同却可以很好的互补,进一步验证了这一发现的可靠性。结果证实,即使是表面上不混相的PHA和PLA聚合物对,也存在一定程度的分子混合,这种混合可能发生在界面只有几百纳米的空间水平上,很好的解释了这两种生物塑料之间的高度相容性。

图4.  PHA/PLA羰基伸缩振动区域二维同步(A)和异步(B)相关光谱(2D-COS)分析以及交界区域同步O-PTIR红外和拉曼光谱分析(左为红外,右为拉曼)


参考文献:

[1] Two-dimensional correlation analysis of highly spatially resolved simultaneous IR and Raman spectral imaging of bioplastics composite using optical photothermal Infrared and Raman spectroscopy,Journal of Molecular Structure, DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.128045.


2020-05-28 09:39:14 581 0
布鲁克VERTEX 70v研究级红外光谱仪

仪器简介:

VERTEX 70v 光谱仪采用 RockSolid™ 准直高性能干涉仪,能满足从常规分析测量到高端科研领域的各种应用需求。可以供从紫外/可见光(50000 cm-1) 到远红外/太赫兹(5 cm-1)的广泛光谱范围、极高的光谱和时间分辨率以及卓越的灵活性。高端真空研究级红外光谱仪VERTEX 70v系统能够通过的技术,为高端研究应用提供完美的解决方案。


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数据采集使用delta-sigma自激型数/模转换器,该转换器具备真正的24位ADC动态范围。布鲁克先进技术DigiTect将此数模转换器与检测器自带的电子前置信号放大器整合到一起。大限度地避免了外界模拟信号对光谱的干扰,确保了出色的信噪比。


产品性能:

最高的光谱分辨率
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外部附件、源和探测器

VERTEX 70v 真空光谱仪配备五个光束出口端口和两个光束输入端口,可随时升级具有外部测量附件、源和探测器的系统。这包括以下内容:

用于 VCD 和 PM-IRRAS 的 PMA 50 偏振调制附件

PL II 光致发光模块

RAM II FT-拉曼模块和RamanScope III FT-拉曼显微镜

TGA-FT-IR 联用

HYPERION 系列FTIR显微镜

HYPERION 3000 FT-IR 成像系统

HTS-XT 高通量筛选eXTension

IMAC 焦平面阵列宏观成像附件

外部样品室 XSA(真空或吹扫)

外部真空密闭的超高真空腔室(UHV)

真空PL/PT/PR测量单元

带中红外或近红外光纤探头的光纤耦合单元(用于固体和液体)

大型积分球

自动进样器

外接远红外Hg灯光源

宽带中红外-远红外分束器和检测器(BRUKER FM)

外部发射适配器

外部高性能中红外光源

外部真空4位检测器腔

适用于远红外

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尔迪仪器代理bruker VERTEX 70v,有需要可联系我司。


尔迪仪器创建于2013年,是一家从事仪器设备销售、技术服务与工艺开发的创新公司。总部办公地点位于上海,在北京、深圳、重庆、合肥等地设有办事处。通过多年稳步发展,急客户之所急,想客户之所想,应客户之所需,行客户之未行,12小时内响应,24小时内上门,形成售前专业全面、售中细致严谨、售后周到快捷的完整服务体系。

 


2022-06-02 13:20:53 407 0
雷达物位计的时间分辨能力
一般的雷达物位计的分辨力是3mm,来回两个行程也就是6mm 光在空气中速度是30万KM每秒 这样雷达对时间的分辨能力不是要达到(0.006/300000000)秒? 即0.00000000002秒,是怎么做到的? 是不是有其他的方法?
2018-12-02 04:50:54 431 0
国产超分辨荧光显微镜到哪里采购?
 
2018-11-13 17:33:12 376 0
时间分辨荧光免疫层析技术平台

      随着科技的发展,即时诊断领域中的免疫层析技术,从diyi代胶体金、彩色乳胶到第二代荧光微球技术,实现了从定性到定量分析的飞跃。而时间分辨荧光免疫层析技术则更进一步,提升了检测的稳定性和灵敏度。 
  时间分辨荧光免疫分析(TRFIA)是在传统荧光分析的基础上创立的一种新型非放射性免疫分析技术。TRFIA以含有镧系稀土元素的纳米微球作为标记物的,根据镧系金属螯合物荧光持续时间长且Stokes位移大,用时间分辨技术测量荧光,有效排除非特异性荧光的干扰,具有灵敏度高、特异性强和稳定性好等特点。


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2019-08-21 14:05:33 520 0

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