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排列三:拉曼光譜助力物理材料領域的深入研究——訪中山大學測試中心陳建研究員

儀器信息網 2019/08/08 14:01:42 點擊 3311 次
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[導讀] 中國在拉曼光譜技術開發和應用方面做了很多工作,可以說2017年我國的拉曼光譜進入了一個黃金時段,物理、化學、材料、、環境等各行各業都得到廣泛的研究和應用,可謂百花齊放、蓬勃發展。

官方pc蛋蛋开奖历史查询 www.trluz.com   拉曼光譜是物質的非彈性散射光譜,能夠提供豐富的材料結構信息,已經成為研究材料物理性質,鑒別材料成分的基本手段,同時也是必不可少的一種有力工具。而作為科研級拉曼光譜儀的使用“大戶”,物理材料領域的研究一直代表著拉曼光譜應用的前沿和高端,當然其對儀器性能的要求也相對較高,甚至很多時候要求儀器達到“極致”的狀態。

  拉曼光譜在材料領域的應用現狀如何?目前的研究還存在哪些問題?物理材料領域的研究對拉曼光譜儀有哪些特殊要求?日前,儀器信息網特別采訪了中山大學測試中心陳建研究員。

陳建 (1).jpg

中山大學測試中心陳建研究員

  走進陳建研究員的辦公室,墻壁上的一張張照片,我們不僅看到了陳建研究員年輕時的身影,更看到了中國拉曼光譜研究和應用群體發展壯大的歷史軌跡。而我們的采訪,也是從尋找這些照片中的年輕身影和歷史蹤跡展開……

圖片展.jpg

辦公室墻壁上的照片展

  他的研究工作一直在追求“極致”

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ICORS94的廣州衛星會議期間展出的拉曼光譜儀

  談到當初儀器的選擇及購置,陳建研究員給我們講了一個很長的故事。從本科研究生階段的Jobin-Yvon U1000,到剛工作時的Spex 1403激光拉曼光譜儀,陳建說,一直非常期望能用上先進的拉曼光譜儀。1994年在中山大學召開的ICORS94廣州衛星會議期間的儀器展,剛工作沒多久的陳建與雷尼紹的拉曼光譜儀有了第一次的交集。鑒于初次謀面的好印象,之后的時間里便有了更多的接觸和了解,特別是納米金剛石的石墨化效應研究遇到信號極弱難題的時候,雷尼紹拉曼光譜儀的“高靈敏度”給了他很多幫助。據悉,該研究成果在國際著名學術期刊Applied Physics Letter和Angewandte Chemie International Edition上發表,首次報道了納米金剛石粉末在惰性氣氛下的石墨化效應以及石墨化溫度,深入研究了納米金剛石的熱效應,引起國內外研究學者的高度重視(1999-2005年)。

  經過縝密的調研,陳建實驗室于2005年購置了inVia Basis拉曼光譜儀(514 nm、785 nm);2012年,升級了633 nm波長的激光器和Streamline+SHR3D快速成像。之后,陳建研究員的研究工作“如魚得水”,克服了一個個科研難題。據介紹,基于這臺儀器,陳建研究員在拉曼光譜法研究聚合物分子鏈的動態運動過程方面開展了一系列的工作,包括拉曼光譜法研究PTT分子鏈的松弛運動及冷結晶動力學、CRM技術研究PS/PMMA雙層薄膜體系中分子鏈的擴散現象、拉曼Mapping成像法研究PS/HDPE共混體系的相態結構等。

  2006-2018年,陳建對一維納米材料(包括WOx、CdS、MoO3、ZnO、TiO2等)進行了系統的研究,開拓了單根一維納米材料光電特性和結構相變的新方向。此外,他還搭建了拉曼光譜及光電氣敏綜合測試平臺、拉曼光譜原位電化學反應機理測試平臺等,研究了表面等離子體共振效應在光-電-熱協同催化的應用及機理;據悉未來,陳建的研究方向將聚焦表面等離子體共振光譜和二維材料的結構與性能研究。

  陳建研究員實驗室的這臺拉曼光譜儀目前一天運轉八小時,一年的樣本量接近3000個,其中對校外服務的比例大約為10%,正常樣本的測試時段一般都要排到半個月甚至一個月之后。陳建說,“測試中心的工作主要是做測試,對儀器的靈敏度、重復性、穩定性、可靠性要求都比較高。更重要的是,要求儀器每天都正常運轉,所以結實耐用最關鍵?!彼?,從2005年到現在,除了激光器因壽命原因換過幾個以外,其他的,包括濾光片都沒有換過。而且,這十幾年下來,儀器的靈敏度跟剛購置的時候沒有太大的變化。對實驗室這臺儀器的皮實程度,陳建表示還是非常滿意的。當然,這也與管理過程中的細心呵護密不可分。據悉,鑒于科研的需求,2018年,實驗室又購置了inVia Qontor,配置了325 nm、532 nm、633 nm、785 nm激光器和各種成像功能(SL+SHR3D+Rapide+LiveTrack),以及高低溫與催化原位池,這臺儀器將于近期安裝。

儀器展.jpg

陳建研究員實驗室中的拉曼光譜儀

  采訪過程中,我們聆聽到許多拉曼光譜的相關故事,同時也感受到了陳建研究員嚴謹治學的態度。他對拉曼儀器及技術“了如指掌”,他愿意做困難的樣品,他對自動化程度特別高的儀器并不是特別喜歡,反而偏愛手動將儀器調整到“極致”的狀態,這些對陳建而言,是非常愉快而有意義的事情。

  談到當前拉曼光譜領域的研究,陳建說,雖然我國拉曼光譜相關研究群體比較大,涉及的領域也非常廣,但是目前更多的是將拉曼光譜儀作為一個可選的表征手段,真正進行深入研究的卻比較少。陳建認為,拉曼光譜在物理材料領域的應用就要追求“極致”,一方面是研究的深入程度,另一方面儀器性能條件也要調整到最佳?!爸揮姓庋拍艽蔥灤緣慕餼隹蒲兄械哪煙?,而不只是單純的應用表征?!?/p>

  物理材料領域的研究對拉曼光譜儀提出更高要求

  近年來,拉曼光譜的研究如火如荼,物理材料、生命科學、化學等各個領域都成績斐然。而鑒于各領域研究的深入,拉曼光譜的各種新技術也層出不窮:追求極致空間分辨率的AFM-Raman(TERS);實現形貌、微觀與成分結構原位分析與成像的SEM-Raman;用于活細胞原位控制與測試的光鎳技術;各種拉曼成像技術,如激光實時聚焦成像極大擴展了拉曼成像的樣品范圍,適合各種表面不規則樣品和動態變化的樣品等。說起近幾年的新技術,陳建如數家珍。

  物理與材料領域一直是高端拉曼光譜儀的“大戶”,對儀器性能的要求也相對較高。據陳建介紹,該領域需要測量波數更低、靈敏度更高、成像速度更快、空間分辨率更高的拉曼光譜技術。而隨著新材料的出現和檢測手段的更新,拉曼光譜中的物理參量及其相關的知識也在不斷的擴充和加深,比如由于分形結構、無序結構深入研究的需要出現了耦合系數,多壁納米管(如碳)研究的基礎上又給出了另一個新的參量—反轉系數;鑒于材料,特別是二維材料結構、性能等方面的研究需求,聯用技術在物理材料領域的應用需求也越來越明顯。

  不過,針對當前物理與材料領域的研究需求,陳建也分析了幾點局限性:“由于拉曼光譜信號比較弱,靈敏度還需要進一步提升,成像速度還需再加快,熒光還需要想辦法抑制或避免,新的時間分辨拉曼、CARS、SRS等技術雖然已經有一些解決方案,但受限于復雜的技術和高昂的成本,目前還未能普及?!?/p>

  而對于國內外的研究差別,陳建指出,目前國外在拉曼理論以及利用相干和受激拉曼散射、時間分辨拉曼散射進行材料相關研究的比較多,但國內相對還較少。

  國家教育投資或將促進拉曼光譜市場快速增長

  在過去的20多年里,中國拉曼光譜的研究群體持續增長,拉曼光譜儀的普及程度也在逐漸提高。陳建說,“我碩士畢業剛來中山大學的時候,拉曼光譜的普及程度還非常低,大部分的學生都沒聽說過拉曼光譜。而現在,走在校園里,十個理工科學生里面就有兩三個對拉曼光譜有所了解?!本菹?,目前陳建依然堅持在教學一線,教授研究生、本科生的拉曼光譜選修課,普及拉曼光譜知識。

  “中國在拉曼光譜技術開發和應用方面做了很多工作,可以說2017年我國的拉曼光譜進入了一個黃金時段,物理、化學、材料、環境等各行各業都得到廣泛的研究和應用,可謂百花齊放、蓬勃發展。未來,在臨床醫學、制藥、生命科學、司法鑒定等領域會有更大的發展空間?!?/p>

  對于拉曼光譜儀的市場,陳建評價說,最近幾年我們國家經濟增長比較快,國家對教育的投入也很大。根據日前公布的2019年高校年度預算來看,今年共有8所高校登上“百億俱樂部”。按照我們國家的國情而言,這些預算中很大一部分會用于設備的購置和人才引進。而在常規的設備很多都已經購置過的情況下,拉曼光譜等新儀器有望迎來比較快的增長。

  后記:

  1990-2019,回憶過去的29年,陳建和拉曼光譜有著“千絲萬縷的聯系”。陳建笑稱拉曼光譜是他最親密的伙伴,甚至比陪伴家人的時間都要長。其實,從陳建辦公室的布局,我們就能感受到拉曼光譜在其生活中的分量:辦公室進門右手邊的房間放置的是inVia拉曼光譜儀;左手邊是陳建的辦公室兼書房,書架上拉曼光譜相關的中英文書籍和文獻一應俱全;而正對門口的房間留給了即將入駐的新的拉曼光譜儀inVia Qontor。也許是興趣與愛好使然,但更多的應該是這許多年與拉曼光譜朝夕相伴的研究與探索,才成就了陳建今天的學識以及在行業中的地位。

  據悉,在他的帶領下,中山大學在拉曼光譜方面也有很強的創新性,敢為人先,目前已經累計購置了10余臺相關的產品。其中,光電材料與技術國家重點實驗室(大學城)擁有全球第一臺AFM-Raman-SEM聯用系統;材料學院擁有全球第一臺實現193 nm的micro-PL成像的拉曼系統;環境學院擁有全國第一臺與激光掃描共聚焦顯微鏡聯用的拉曼系統。

[來源:儀器信息網]
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