高温拉曼光谱技术发展与应用

尤静林团队是国内最早一批从事高温拉曼相关研究的科研人员，当时俄罗斯、美国、法国等也同时开展了相关研究工作。国际上，是尤静林团队首次将ICCD (增强型电荷耦合装置)探测器与高温拉曼结合的。ICCD具有电子开关作用，可以同步脉冲激光的步调，有脉冲时，电子开关同步打开接受信号；没有激光脉冲时则关闭，这样就大大提升了拉曼光谱信号，削弱了黑体辐射，起到去除黑体辐射背景干扰的作用。

谈到ICCD与高温拉曼的结合，尤静林回顾了与HORIBA成功合作的往事。2003年，尤静林看到有关原子光谱与ICCD结合的技术后，产生了将高温拉曼光谱仪与ICCD结合的想法，并转达给HORIBA，希望其能做技术尝试。几个月后，HORIBA法国尝试成功，尤静林也很快选购了ICCD，同时在2004年又采购了HORIBA第二套光谱设备（HR800）。

    有了ICCD的助攻，配合纳秒级脉冲激光，确保了检测的稳定和便捷，结合了多个不同功能的高温热台，使该技术迅速应用在包括硅铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟铝酸盐等多种高温无机熔体或熔盐的拉曼光谱温致结构变化实测和反应过程原位跟踪研究中，成为高温熔体结构重要和有效的实验验证手段。

ICCD和拉曼光谱HR EVOLUTION联用

尤静林表示，高温拉曼光谱技术应用面很广，比如高温熔融状态下，核反应堆研究对拉曼等检测手段需求呈上升趋势。结合拉曼共焦技术，利用空间分辨能力，成为应用于高温熔体晶体生长边界层的一支利剑，具有比其它方法如高温X-射线散射技术和核磁共振谱的显著的优势。还有如焦炭制备过程、地质岩浆探测等，相比以往冷却下来再观测，高温原位观测则可以实时真实地研究其结构及其变化过程。

为何要使用高温拉曼技术？“高温”与常规拉曼区别？

尤静林表示，许多使用拉曼光谱技术的科研人员都会涉及到变温拉曼的需求，比如说300度、500度、800度、1000度，有的甚至是1500度。变温时，如果是温度低于摄氏1000度，那目前常规拉曼光谱仪完全可以胜任。但如果超过摄氏1000度，常规的拉曼光谱仪就有了自身局限性。

拉曼光谱HR evolution的2种加热台

出现局限性是什么原因呢？当温度超过1000度时，高温黑体辐射背景，就会成为一个压倒性的强光背景，把拉曼信号掩盖掉。这样就无法采集到拉曼信号。所以我们非常需要研发出一种技术手段，能够把强大黑体辐射背景去除并提取出拉曼信号，这是高温拉曼技术的核心所在。

相比高温核磁、高温XRD等，高温拉曼的技术优势？

针对高温液态熔体结构的，除了高温拉曼光谱技术，还有高温X射线散射技术和高温核磁共振谱等，但相比之下，高温拉曼技术有哪些优势？

尤静林表示，高温X射线散射也可以实现原位测量，温度也能做到摄氏1500度甚至1600度。但它获取的信息量比较有限。对于熔融无序态，高温X射线散射可以给出第一近邻的键长、化学键、配位数等信息，再远的位置很难再获取其它有效信息。虽然通过统计方法可以拟合一些宏观性质，但对于理解熔体微观结构还远不够。

尤静林教授讲解随笔

高温核磁共振技术的弱点在于，当样品熔融到了液态时，该技术对结构捕捉的灵敏度就很差，会将液态的快速动态结构信息平均化，所以测到的信息实际上是被扭曲了，信息量就大打折扣。

而高温拉曼光谱技术却是一种较有效的方法。它不仅可以获取键长、配位数信息、不同配位数的团簇信息，以及通过定量获得对应的微结构种类含量等，还可以提供更丰富的结构信息，对理解熔体结构和进行相关计算机结构模拟比较研究等提供更多可能。

计算机模拟技术不可少

由于熔融结构的高温拉曼技术研究开展较早，对应的拉曼光谱没有可以参考的数据库，尤静林团队便不得不同时开展了“解释”谱图的工作——计算机模拟。尤静林团队利用工作站，通过分子动力学方法、从头计算分子动力学和密度泛函理论等方法进行结构模拟和光谱模拟，用以比较解读实测的拉曼光谱，二十多年的实践，计算机模拟方面的工作也获得了很好的效果。同时，尤静林团队还开发出了结构和光谱模拟方法，也与许多合作单位开放共享。

来源：仪器信息网   编辑：杨厉哲