VERTEX 80v and VERTEX 70v

采用 VERTEX 真空光谱仪的 高端傅立叶变换红外光谱应用

概览

High-End Applications

采用 VERTEX 真空光谱仪的高端应用

真空光学设备用于严苛傅立叶变换红外光谱实验的强大优势有哪些?实验室空气中水气和二氧化碳的不同振动模式在整个 MIR (中红外)和 FIR/THz (远红外/太赫兹)光谱范围上都有其吸收频带(见图)。尤其是在远红外光谱区,水与二氧化碳分子的纯旋转振动模式甚至会完全吸收红外光线。降低空气干扰效果最常见的方法是吹扫光学平台,就像在 VERTEX 80 和 INVENIO 傅立叶变换红外光谱仪上所做的那样。但是,甚至“干燥”吹扫空气中也总是包含残余水分和 CO2,从而引起严重的大气干扰并降低灵敏度。尤其在要求极高的中红外和远红外研发测量上,这样很难甚至无法获取令人满意的结果。只有真空光谱仪才能完全克服这些固有缺陷。

布鲁克的 VERTEX 80v 和 VERTEX 70v 真空傅立叶变换红外光谱仪具有最高的灵活性和稳定性,可用于高级研究应用。全真空光学设计消除了所得光谱中的大气干扰,并减少了由环境温度波动引起的人为因素。特别是 VERTEX 80v 真空光谱仪及其独特的 UltraScan™ 干涉仪,是公认的最高端应用的黄金标准,这些应用需要最高的灵敏度、最宽的光谱范围(特别是 远红外/太赫兹波段)、最高光谱分辨率或最高时间分辨率。

中红外和远红外/太赫兹波段的空气吸收。 点击放大

 

傅立叶变换红外光谱仪的真空优势

  • 没有环境产生的温度波动影响
  •  没有空气吸收掩藏弱光谱特征,或者与高分辨率光谱吸收峰进行干扰
  • 不会因吹扫空气供应的波动而产生问题
  • 最高稳定性和复现性
  • 最高灵敏度

 

VERTEX 真空功能

  • 用高速、干燥且低噪音的真空泵快速抽真空
  • 四个分束器 (BMS) 可供 VERTEX 80v 真空光学平台全自动更换
  • 自动样品室闸板选件可实现最快速更换样品和最高 SNR
  • 如特定实验需要吹扫样品室,有固定窗口或可调伸缩窗口供选择

FIR & THz

用于 VERTEX 80v 的 VerTera 太赫兹扩展

The world's first combined FT-IR/cw THz Spectrometer

 

众所周知,VERTEX 80v 研究型傅立叶变换红外光谱仪可以实现低至 5 cm-1 (约 0.15 太赫兹)光谱范围的测量,并保持着使用傅立叶变换红外光谱技术在真空下测量最广光谱范围的记录。VERTEX 80v 和 VERTEX 70v 真空光谱仪采用室温 FIR DTGS 检测器结合外部 Hg arc 光源和恰当的分束器,可以达到 10 cm-1。该配置杰出的设备性能和灵敏度可以满足大多数化学或物理应用在远红外波段的需求。此外,在一些需要远红外/太赫兹波段极端灵敏度以探测极为微弱的光谱特征的严苛实验里,或者光谱范围低至几波数的测量实验里,可以额外应用液氦制冷的辐射热测量计。

VERTEX 真空光谱仪远红外/太赫兹光谱范围性能极为优秀

  • 采用 RT DTGS 检测器,灵敏度优异,达 50 cm-1
  • 额外采用外部水冷汞弧 FIR 光源,达 10 cm-1
  • 可供应多种 FIR BMS 用于优化性能,以及中红外-远红外宽范围 BMS 用于轻松操作
  • 采用 VERTEX 80v 和液氦冷却的辐射热测量计,保证远红外/太赫兹光谱范围的最高灵敏度直至 5 cm-1

为了达到远红外/太赫兹谱区扩展极限、最高灵敏度或分辨率,通常需要液氦冷却的辐射热测量计作为检测器。由于液氦成本极高,有些地方甚至根本无法获得,这种低温液体的处理需要经验丰富的操作人员和大量的准备时间,因此日益被众多研究人员视为瓶颈。替代的干式脉冲管冷却的辐射热测量计需要很长的抽真空和冷却时间(约 3-4 小时),其脉冲管的振动可能会给实验造成干扰而且该类型检测器仍然很昂贵。

现在,这些问题都被适配给 VERTEX 80v 真空光谱仪的新颖独特的 verTera 太赫兹扩展组件所克服。借助 verTera 的功能,VERTEX 80v 成为世界上第一款且仅有的一款结合傅立叶变换红外光谱和连续波太赫兹技术的光谱仪,具有多种令人惊喜的可能性。可以覆盖到低至 3 cm-1 (0.09 THz) 的光谱范围,而无需任何低温制冷部件。

借助 VERTEX 80v 和 verTera 扩展给科研带来令人振奋的无限可能

  • 集成最新技术的连续波太赫兹技术
  • 光谱范围低至 3 cm-1 (0.09 THz)
  • 有效光谱分辨率优于 0.0007 cm-1 (好于 20 MHz
  • 同时用于傅立叶变换红外光谱和太赫兹测量的样品室和附件
  • 通过真空和独特的太赫兹算法实现最高太赫兹性能
  • 可进行透射、反射和 ATR 实验
  • 按下按钮即可测量(无需准备时间)
  • 傅立叶变换红外光谱和太赫兹模式皆通过强大的 OPUS 软件进行控制

UHV FT-IR

UHV FT-IR Spectroscopy

VERTEX Vacuum Spectrometers adapted to Customized Ultra-High Vacuum Apparatus

为何以及何时需要将超高真空 (UHV) 和傅立叶变换红外 (FTIR) 技术组合起来?

  • 研究课题需要极为精确地定义条件(如压力、浓度、温度等)以研究模型系统并更好地理解真实流程。
  • 样品本身需要进行清洁、制备、改装和/或在超高真空条件下存放。
  • 跨学科研究项目中的其他常用分析技术(如 XPS、LEED、TDS 等)尤其需要超高真空条件。
  • 不仅是 UHV 室,还包括等离子室、高压室、ALD制备腔或其他定制大型反应室都可以与傅立叶变换红外技术进行组合。
在卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 功能界面研究所 (IFG) 的客户 UHV 室进行的光谱测量显示了 UHV-FTIR 的杰出灵敏度(经 IFG 主任 Christof Wöll 教授许可)。 点击放大

 

傅立叶变换红外光谱学可以作为一种非破坏性且高灵敏度的分析技术与超高真空设备结合,或与各种特制腔体联接使用。与吹扫光谱仪相比,布鲁克的 VERTEX FTIR 真空系列科研光谱仪 VERTEX 80v 和 VERTEX 70v 及全套的真空光学配置具有优异的灵敏度、稳定性和复现性,因为整个光路都可以抽真空以避免大气和环境扰动。尤其是 VERTEX 80v 真空光谱仪是高端 FTIR 应用的黄金标准,可以测量低至 10-5 au (吸光度单位)甚至更弱的吸收峰。此外,对与真空光谱仪联用的真空室的改造和密封可以在材料选择和技术上更加高效且可靠。

UHV FTIR) 光谱 VERTEX 真空光谱仪可联接各种超高真空系统。

 

布鲁克在这一要求颇高的应用领域经验丰富,可以提供专门的 UHV FTIR 解决方案。我们已经成功地与多家 UHV 供应商制造的不同 UHV 系统进行了嫁接联用。我们能够提供灵活的解决方案以适应不同尺寸和设计的 UHV 室。

为了全面理解您的应用挑战并满足您的独特实验需求,我们向您提供 UHV FTIR 问卷以便您更好的表达您的需求,确保顺利高效的沟通。

Step Scan

Step Scan TRS Spectroscopy

VERTEX 80v Provides Highest Accuracy Using Time Resolved Stepwise Data Acquisition

步进扫描可以对极快的可重现反应的短暂过程进行监控。干涉仪动镜逐步移动到单独的干涉点,并在每点开始可重复实验和快速数据采集。所有 VERTEX 系列光谱仪和INVENIO科研级别光谱仪均可以获取极佳的时间分辨数据和卓越的步进速率,这对于实验可行性至关重要。通过 UltraScan™ 干涉仪和全真空光学台的优势,VERTEX 80v 被研究领域广泛接受,因为它可以实现无与伦比的步进扫描性能和最精确的扫描仪控制。

 

为何真空对步进扫描技术很重要?

在 VERTEX 80 和 VERTEX 80v 光谱仪里,可以实现优于 1 nm 的动镜机械定位精度。在这样的数量级下,约 0.1 K 的最小温度波动会引起约 9 nm 的额外光路变动。由于在吹扫式仪器中永远无法排除这样的波动,只有真空光谱仪才能实现几 nm 范围内的有效精度。通过将真空优势和独特的 UltraScan™ 干涉仪结合,VERTEX 80v 成为能够实现优于1 nm有效定位精度的仅有的商业化谱仪。此外,该款科研谱仪还可以达到每秒50步的惊人步进频率,这对于有效缩短测量时间和增加实验可行性都有重要意义。

VERTEX 80v 无可匹敌的步进扫描性能

  • 高达每秒 50 步的最高步进速率
  • 动镜的有效机械定位精度优于 1 nm
  • 最佳时间分辨率和调幅/调相光谱实验性能
  • 采用标配 24Bit 内置 ADC 实现 6 µsec 的时间分辨率
  • 通过瞬态记录仪、快速检测器和快速前置放大器实现纳秒级时间分辨率
图 1:采用步进扫描 TRS 测量的单激光脉冲发射光谱三维图。 点击放大

 

步进扫描实验有不同的操作模式。时间分辨步进扫描光谱学用于追踪极快且可重复的反应或过程,如图中所示激光的发射光谱和脉冲持续时间。步进式数据采集产生的干涉点矩阵可以同时确保最高光谱分辨率和最高时间分辨率。幅度调制步进扫描可用于从其他周边信号中强化较弱调制信号,可用于中红外波段的光致发光实验(详情见 MIR PL 应用举例)。相调制步进扫描可用于诸如光声光谱学的纵深分析等应用。

MIR Photoluminescence

MIR PL

Amplitude Modulated Step Scan

 

光致发光 (PL) 是材料/半导体科学和光电子学的一种重要分析方法。在红外光谱波段,傅立叶变换红外技术的灵敏度要大大高于色散光谱仪。布鲁克在提供带有 FTIR 科研光谱仪的强大 PL 解决方案上拥有数十年的经验。

对于近红外 PL,水蒸气和 CO2 的大气吸收较弱,不成问题,所以真空 FTIR 光谱仪不是必需的。在中红外波段,PL 实验面临两种额外的挑战。首先,大气吸收大大增强。因为 PL 测量通常意味着单通道光谱,没有参考测量来抵消大部分大气干扰。第二,LN2 冷却的 PL 检测器对 MIR 300 K 的热背景辐射很敏感,这种热辐射将会掩盖较弱的 MIR PL 信号。考虑到这一点,必须使用幅度调制步进扫描技术以去除热背景的干扰。

为此,需要使用调幅的激光激发,并相应地需要步进扫描数据采集。激发出的PL 信号也将会是调制信号,且频率与激发激光频率一致。通过最新技术的双通道电子设备和锁相放大技术,已知调制频率的 PL 信号被放大,而恒定的热背景干扰则被压制并滤除。由于上述两种挑战,我们高度推荐在 MIR PL 实验中采用配备专用真空 PL 模块的真空光谱仪。由于整个光路都在真空中,大气吸收可以完全避免。此外,对于幅度调制实验,真空光谱仪尤其是 VERTEX 80v 具有最佳的步进扫描性能来压制热背景。

Ultra-thin Layers

Characterization of Ultra-Thin Layers

Highest Sensitivity for Mono-Molecular Layers

金属或介质基底上的超薄层可以用傅立叶变换红外光谱技术以反射模式进行表征。由于金属基底的表面选择定理,在任意入射角 S 偏振光无法与吸附分子进行互动,而 P 偏振光可以在掠角入射时达到吸光度最大值。因此,金属基底上的超薄层将用掠入射角 (GIR) 或红外反射吸收光谱 (IRRAS) 采用约 80° 的入射角进行测量。

换成非金属基底后情况更加复杂,因为 P 和 S 偏振光都可以被薄层吸收。吸收峰的强度随着入射角的不同而变化。通过改变入射角或偏振,吸收峰甚至会从负变正,或从正变负。因此,为了全面表征非金属基底上的薄层,必须使用至少两种入射角并用两种偏振进行测量,同时透射模式也是一种很有用的方法。

超薄层在 IRRAS 光谱中通常只有极弱的吸收峰,如厚度为几纳米的单分子层其吸收强度低至 10-3 au (吸光度单位),非金属基底上甚至能达到 10-5 au。对于如此弱的吸收峰,需要最高灵敏度的仪器。在下图中对 Au 基底上自组装单层膜的 IRRAS 光谱进行了对比。蓝光谱显示了在 VERTEX 70 吹扫式光谱仪上进行的测量结果。残余水气吸收峰掩藏了指纹区域的较弱样品吸收峰。在 OPUS 软件中应用水气和 CO2 自动补偿功能后,将会得到红色光谱。

 

如果我们将红光谱和 VERTEX 真空光谱仪的测量结果(绿光谱)进行对比,真空光学平台上没有探测到水和 CO2 吸收,我们可以清楚地看到绿光谱的平滑基线,尤其是在约 3700 cm-1、2300 cm-1和 1600 cm-1的大气干扰波段。此外,真空光谱仪所测量的光谱是纯实验结果,没有像红光谱那样进行过后续的数学数据处理。

图 1:在 VERTEX 70 吹扫型和 VERTEX 真空光谱仪上测量的 Au 基底上自组装单层膜的 IRRAS 波谱。 点击放大

Electrochemistry

Spectroelectrochemistry Combined with Rapid Scan

Monitoring of Fast Electrochemical Procsss without Atmospheric Disturbance

 

电化学研究是基础和应用研究领域非常热门的课题。最近,全球范围日益增长的能源消耗需要能源存储的进一步发展,如高容量且低重量的可重复充电电池。在生物化学或催化研究领域,电化学也具有举足轻重的作用,如理解氧化还原反应和催化剂的作用原理。傅立叶变换红外光谱学与电化学的结合除了可以提供实验的电化学响应,还能提供所研究分子的分子变化和反应过程方面的信息。

1:布鲁克的电化学池反射装置,吹扫版(左)或真空版(右)。

 

采用布鲁克的电化学池反射装置,监控工作电极表面变化的反射实验方式和研究电解质的衰减全反射 (ATR) 实验方式都可以使用。在真空光谱仪的反射装置里,整个红外光路都在真空中。但是,用户完全可以从设备的顶部(放入反应池的位置)接触到电化学池,而无需打开样品室或破坏真空。用户可以更换电解质溶液或电极进行重复或系列测量,同时保持其他实验和测量条件恒定不变。此外,采用真空光谱仪可以获得更高灵敏度和信噪比,尤其是在指纹区域,因为不存在空气干扰。

在很多电化学研究中,快速电化学响应和反应动力学是人们最感兴趣的。在电势达到平稳和变化到下一阶跃之间,为了跟随快速电势阶跃并采集每一个加持电势值下的傅立叶变换红外光谱,高度推荐快速扫描,而且很多情况下快速扫描测量模式是必须的。

结果将会变现为 OPUS 3D 视图,不仅显示随着波数轴的变化,也显示与电势相关的变化。在以下三维图里,显示了一个氧化还原反应的结果示例。在该图中,在对时间相关电势测量过程中对不同振动谱带的吸收率变化进行了监测。在实验的一开始需测量一次作为背景。因此,在吹扫型傅立叶变换红外光谱仪中,用户很可能也能观测到由于空气中水气和二氧化碳的含量在整个电化学实验过程中的变化而逐渐显现的空气吸收峰以及其对样品特征峰的干扰。虽然在过程结束后可以用软件进行水气补偿,真实的真空测量结果总是比吹扫型光谱仪的后处理数据要优越。如果采用真空光谱仪,用户无需担心空气干扰和吹扫的波动,无需后续数据处理便能确保研究工作的最高灵敏度和稳定性。

图 2:Bruker OPUS 软件里的三维图形,显示了氰亚铁酸盐溶液在电势从 -0.3 V 变成 0.8 V 过程中的氧化反应中的吸收峰变化。 点击放大

Further Applications

High-End FT-IR Applications

Using VERTEX Vacuum Spectrometers

 

VERTEX 系列真空光谱仪 VERTEX 80v 和 VERTEX 70v 在多种其他应用领域也显示了其优越性:

  • 低温光谱学
  • 半导体/材料科学
  • 矩阵隔离光谱学
  • 固体物理学
  • 超材料开发
  • 检测器表征
  • 光源研发
VERTEX 80v 真空光谱仪用于测量半导体中杂质。