1. SFG: Sum Frequency Generational Vibrational Spectroscopy

二十年前发展的和频振动光谱技术(Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy)是一种能原位实时地、在分子水平上研究表面或界面物理化学现象与过程的为数极少的有效方法，是一种可以在常压条件下进行操作的表面表征手段。其基本原理是两束光，一束红外光，一束可见光或紫外光，在时间和空间上同时作用于表面或者界面上，然后产生第三束光，叫和频光，如上图所示。和频光谱作为一个三光子跃迁过程，可以看成一个红外振动激发和一个反斯托克斯拉曼发射的组合过程。这要求被研究分子既有红外活性又有拉曼活性。和频光谱具有独特的界面选择性和界面单分子层灵敏性。在物质体相内部，除晶体和液晶分子外，分子的排列通常是各向同性的，在电偶极近似的条件下，不会产生和频信号。然而，表面或界面分子因为对称性破缺，分子二阶非线性响应可以不为零，因而表面和界面分子能产生和频信号。

经过二十多年的发展，和频光谱凭借其独特的原位、实时等优势，现已被应用到许多领域的研究。例如，利用和频光谱研究涂料表面的分子结构及探寻涂料抗污抗菌机理；研究金属/材料界面间的分子结构；应用在膜蛋白质科学、膜结构研究；聚合物、蛋白质等大分子的表面、界面分子结构；探寻金属表面腐蚀的分子机理；还可以应用在电化学中的固体/液体表面分子组织研究；晶体表面催化反应的分子研究、液体表面特别是水表面的分子定向研究；金属单层的自聚合现象、手性分子研究和分子振动性质研究。近年来，随着和频光谱的发展，其在生物体系中的应用也得到广泛的发展。在蛋白质科学方面，该技术已被应用于研究包括多肽、蛋白质、磷脂分子等在内的多种生物分子的界面结构和取向，例如美国密歇根大学陈战课题组利用和频光谱，通过分析蛋白质骨架酰胺I 谱带在不同偏振组合下的有效非线性响应，成功地测出具有α螺旋或β折叠结构的蛋白质(多肽)在磷脂双层膜上或聚合物界面上的结构；耶鲁大学Yan小组利用和频光谱测量界面蛋白质的手性和频信号来区分蛋白质的二级结构。本课题组在2009 年以来开始在国内利用和频光谱开展了界面蛋白质结构表征的研究工作。

总的来说，和频光谱可以获得丰富的表面或界面信息：可以得到表面或界面的功能团，例如: O-H, N-H, phenyl C-H, CH₃, CH₂, CH, NH₂, CD₃, CD₂, CD, C=O, amide I, SO₂^2-, C-O, C=C of fullerene；可以估测表面或界面分子的无序度；可以判断表面或界面分子结构的变化；并且可以定量计算出表面或界面分子功能团的取向角度。

1) 皮秒和频光谱系统

2）飞秒和频光谱系统

2. ATR-FTIR

ATR-FTIR 也是在分子水平上研究分子结构以及构象变化的有效手段(Tamm, L. K.;Tatulian, U. A. Quart. Rev. Biophys.1997, 30, 365-429)。

3. Langmuir-Blodgett Trough –Brewster angle microscopy systems

布鲁斯特角显微镜是二十年前发展的一种新型的、能在原位测定气/液界面单分子膜形态与缺陷的仪器。利用布鲁斯特角显微镜，可以获得气/液界面单分子膜的均匀性与缺陷，尺寸与形貌，吸附过程，松弛与压缩过程的动力学等信息。目前已经应用于气/液界面磷脂单分子膜组装等动力学过程的研究。最近我们成功地在Langmuir-Blogett(LB)膜提拉仪上组合安装了布鲁斯特角显微镜。

4. Plasma cleaner