拉曼光譜培訓講義

1、拉曼光譜(Raman spectra)，是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼(Raman)所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉(zhuǎn)動方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。歷史1928年C.V.拉曼實驗發(fā)現(xiàn)，當光穿過透明介質(zhì)(液體苯)被分子散射的光發(fā)生頻率變化，這一現(xiàn)象稱為拉曼散射。在透明介質(zhì)的散射光譜中，頻率與入射光頻率0相同的成分稱為瑞利散射；頻率對稱分布在0兩側(cè)的譜線或譜帶0±1即為拉曼光譜，其中頻率較小的成分0-1又稱為斯托克斯線，頻率較大的成分0+1又稱為反斯托克斯線?？拷鹄⑸渚€兩側(cè)的譜線稱為小拉曼光譜；遠

2、離瑞利線的兩側(cè)出現(xiàn)的譜線稱為大拉曼光譜。瑞利散射線的強度只有入射光強度的10-3，拉曼光譜強度大約只有瑞利線的10-3。小拉曼光譜與分子的轉(zhuǎn)動能級有關(guān)， 大拉曼光譜與分子振動-轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。拉曼光譜的理論解釋是，入射光子與分子發(fā)生非彈性散射，分子吸收頻率為0的光子，發(fā)射0-1的光子(即吸收的能量大于釋放的能量)，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)(斯托克斯線)；分子吸收頻率為0的光子，發(fā)射0+1的光子(即釋放的能量大于吸收的能量)，同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)(反斯托克斯線 )。分子能級的躍遷僅涉及轉(zhuǎn)動能級，發(fā)射的是小拉曼光譜；涉及到振動-轉(zhuǎn)動能級，發(fā)射的是大拉曼光譜。與分子紅外光譜不同，極性分子和

3、非極性分子都能產(chǎn)生拉曼光譜。激光器的問世，提供了優(yōu)質(zhì)高強度單色光，有力推動了拉曼散射的研究及其應(yīng)用。拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及化學、物理學、生物學和醫(yī)學等各個領(lǐng)域，對于純定性分析、高度定量分析和測定分子結(jié)構(gòu)都有很大價值。拉曼散射光譜的特征a. 拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)；b. 在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側(cè), 這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個振動量子的能量。c. 一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分

4、布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。故拉曼光譜記錄的是斯托克斯線，瑞利散射和反斯托克斯線就不記錄了。拉曼光譜和紅外光譜的相同點拉曼波數(shù)的常規(guī)范圍：40-4000 cm-1，一臺拉曼就包括了完整的震動頻率范圍。而紅外光譜包括近中遠范圍，通常需要幾臺儀器或用一臺儀器分幾次掃描才能完成整個光譜的記錄。對于一個給定的化學鍵，其紅外吸收頻率與拉曼位移相等，均代表第一振動能級的能量。因此對于某一給定的化合物，某些峰的紅外吸收波數(shù)與拉曼位移完全相同。紅外吸收波數(shù)與拉曼位移均在紅外區(qū)，兩者都反映分子的結(jié)構(gòu)信息。拉曼光譜和紅外光譜的區(qū)別紅外光譜測定的是樣品的透射光譜。當紅外光穿過樣品時，樣

5、品分子基團吸收紅外光產(chǎn)生振動，得到紅外吸收光譜。其入射光及檢測光都是紅外光。橫坐標是波數(shù)或波長表示。需制樣。紅外池窗片都是金屬鹵化物，大多數(shù)溶于水且水本身有紅外吸收，故不能測水溶液。樣品池需要特殊材料。拉曼光譜測定的是樣品的發(fā)射光譜。當單色激光照射在樣品上時，產(chǎn)生拉曼散射，檢測器檢測到的是拉曼散射光。其入射光及檢測光都是可見光。橫坐標是拉曼位移，即與瑞利散射頻率的差值。不需制樣，但有時會燒蝕樣品?？蓽y水溶液?？捎闷胀ǖ牟Ａ毠芑蚴⒊刈鰳悠烦亍Ｈ绾闻袆e分子的拉曼或紅外活性？1)凡是具有對稱中心的分子，如CS2和CO2等線性分子，紅外和拉曼活性是相互排斥的，若紅外吸收是活性的，則拉曼散射是非活

6、性的，反之亦然。2)不具有對稱中心的分子，如H2O，SO2等，其紅外和拉曼活性是并存的。當然，在兩種譜圖中各峰之間的強度比可能有所不同。3)少數(shù)分子的振動其紅外光譜和拉曼光譜都是非活性的，例如平面對稱分子乙烯的扭曲振動，即沒有偶極矩變化，也不產(chǎn)生極化率的改變。為什么要測定拉曼光譜？紅外光譜和拉曼光譜是互補的。一個基團存在幾種振動模式時，偶極矩變化大的振動，紅外吸收峰強；偶極矩變化小的振動，紅外吸收峰弱。拉曼光譜與之相反，偶極矩變化大的振動，拉曼峰弱；偶極矩變化小的振動，拉曼峰強，偶極矩沒有變化的振動，拉曼峰最強。拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無

7、需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外：1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。2 拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。3 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結(jié)構(gòu)分析中，獨立的拉曼區(qū)間的強度可以和功能集團的數(shù)量相關(guān)。4 因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。

8、而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。5 共振拉曼效應(yīng)可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發(fā)色基團的振動，這些發(fā)色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。激光拉曼光譜法的應(yīng)用 激光拉曼光譜法的應(yīng)用有以下幾種：在有機化學上的應(yīng)用，在高聚物上的應(yīng)用，在生物方面上的應(yīng)用，在表面和薄膜方面的應(yīng)用。有機化學：拉曼光譜在有機化學方面主要是用作結(jié)構(gòu)鑒定的手段，拉曼位移的大小、強度及拉曼峰形狀是碇化學鍵、官能團的重要依據(jù)。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為順反式結(jié)構(gòu)判斷的依據(jù)。 高聚物：拉曼光譜可以提供關(guān)于碳鏈或環(huán)的結(jié)構(gòu)信息。在確定異構(gòu)體(單休異構(gòu)、位置

9、異構(gòu)、幾何異構(gòu)和空間立現(xiàn)異構(gòu)等)的研究中拉曼光譜可以發(fā)揮其獨特作用。電活性聚合物如聚毗咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光譜為工具，在高聚物的工業(yè)生產(chǎn)方面，如對受擠壓線性聚乙烯的形態(tài)、高強度纖維中緊束分子的觀測，以及聚乙烯磨損碎片結(jié)晶度的測量等研究中都采用了拉曼光譜。 生物：拉曼光譜是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光譜很弱、譜圖又很簡單，故拉曼光譜可以在接近自然狀態(tài)、活性狀態(tài)下來研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及其變化。拉曼光譜在蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的研究、DNA和致癌物分子間的作用、視紫紅質(zhì)在光循環(huán)中的結(jié)構(gòu)變化、動脈硬化操作中的鈣化沉積和紅細胞膜的等研究中的應(yīng)用均有文獻報道。利用FT-Raman消除生物大分

10、子熒光干擾等，有許多成功的示例。表面和薄膜：拉曼光譜在材料的研究方面，在相組成界面、晶界等課題中可以做很多例作。 最近，對于拉曼光譜在金剛石和類金剛石薄膜的研究工作中的應(yīng)用，國內(nèi)外學者的興趣有增無減。拉曼光譜已成CVD(化學氣相沉積法)制備薄膜的檢測和鑒定手段。另外，LB膜的拉曼光譜研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光譜研究都已見報道。 盡管拉曼散射很弱，拉曼光譜通常不夠靈敏，但利用共振或表面增強拉曼技術(shù)就可以大大加強拉曼光譜的靈敏度。表面增強拉曼光譜學(SERS)已成為拉曼光譜研究中活躍的一個領(lǐng)域。相關(guān)技術(shù)表面增強拉曼光譜技術(shù)自1974年Fleischmann等人發(fā)現(xiàn)吸附在粗糙化的Ag電極表現(xiàn)的吡

11、啶分子具有巨大的拉曼散射現(xiàn)象，加之活性載體表面選擇吸附分子對熒光發(fā)射的抑制，使激光拉曼光譜分析的信噪比大大提高，這種表面增強效應(yīng)被稱為表面增強拉曼散射(SERS)。SERS技術(shù)是一種新的表面測試技術(shù)，可以在分子水平上研究材料分子的結(jié)構(gòu)信息。高溫拉曼光譜技術(shù)高溫激光拉曼技術(shù)被用于冶金、玻璃、地質(zhì)化學、晶體生長等領(lǐng)域，用它來研究固體的高溫相變過程，熔體的鍵合結(jié)構(gòu)等。然而這些測試需在高溫下進行，必須對常規(guī)拉曼儀進行技術(shù)改造。共振拉曼光譜技術(shù)激光共振拉曼光譜(RRS)產(chǎn)生激光頻率與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度可達到正常拉曼譜帶的104106倍，并觀察到正常

12、拉曼效應(yīng)中難以出現(xiàn)的、其強度可與基頻相比擬的泛音及組合振動光譜。與正常拉曼光譜相比，共振拉曼光譜靈敏充高，結(jié)合表面增強技術(shù)，靈敏度已達到單分子檢測 。傅立葉變換拉曼光譜技術(shù)傅立葉變換拉曼光譜是上世紀90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，1987年，Perkin Elmer公司推出第一臺近紅外激發(fā)傅立葉變換拉曼光譜(NIR FT-IR)儀，采用傅立葉變換技術(shù)對信號進行收集，多次累加來提高信噪比，并用1064mm的近紅外激光照射樣品，大大減弱了熒光背景。從此，F(xiàn)r-Raman在化學、生物學和生物醫(yī)學樣品的非破壞性結(jié)構(gòu)分析方面顯示出了巨大的生命力。拉曼光譜與光導纖維技術(shù)的聯(lián)用光導纖維的引入,使拉曼光譜儀用于工業(yè)

13、在線分析以及現(xiàn)場遙測分析成為可能。Huy 等使用兩個10 m長、100 m 直徑的光纖,激光波長為514. 5 nm ,對苯/ 庚烷混合物進行分析,獲得非常好的結(jié)果。Benoit 等將光導纖維傳感器用于拉曼光譜儀, 使得液體樣品的拉曼信號增強了50 倍。Cooney 等人比較單個光纖與多個光纖應(yīng)用于拉曼光譜儀的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)多個光纖的應(yīng)用將改善收集拉曼光的有效性。Cooper 等利用光纖遙控拉曼技術(shù)分析了石油染料中的二甲苯異構(gòu)體。近年來,國外將1550 nm 光纖激光器、EDFA 光纖放大器技術(shù)應(yīng)用于拉曼散射型分布光纖溫度傳感器系統(tǒng),取得了較好的結(jié)果。分布式光纖拉曼光子溫度傳感器已成為光纖傳感技術(shù)

14、和檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。由于它具有獨特的性能,因此已成為工業(yè)過程控制中的一種新的檢測裝置,發(fā)展成一個工業(yè)自動化測量網(wǎng)絡(luò)。固體光聲拉曼技術(shù)光聲拉曼技術(shù)是通過光聲方法來直接探測樣品中因相干拉曼過程而存儲能量的一種非線性光存儲技術(shù)。光聲拉曼信號正比于固體介質(zhì)三階拉曼極化率的虛部,與非共振拉曼極化率無關(guān),因而完全避免了非共振拉曼散射的影響,并且克服了傳統(tǒng)的光學法受瑞利散射,布里淵散射干擾的缺點,具有高靈敏度(能探測到106 cm-1的拉曼系數(shù)) 、高分辨率和基本上沒有光學背景等優(yōu)點。在氣體、液體樣品的檢測分析中獲得了理想的效果。由于不像相干斯托克斯拉曼過程那樣有比較嚴格的相位匹配角要求,因而它也很適合用

15、于研究固體介質(zhì)特性。Barrett 等人從理論上分析了氣體樣品中的光聲拉曼光譜技術(shù)過程,但與之不同,固體介質(zhì)的光聲拉曼效應(yīng)是由相干拉曼增益過程產(chǎn)生的局部熱能耦合到樣品本身的振動模式的熱彈過程,對于介質(zhì)各向異性結(jié)構(gòu),三階非線性拉曼極化率張量形式表現(xiàn)出對稱性,因而,情況要復雜得多,運用平行模型和熱彈性理論,導出固體介質(zhì)樣品中光聲拉曼信號的解析式,對固體中光聲拉曼效應(yīng)的一些特性進行分析。拉曼光譜與其他儀器聯(lián)用技術(shù)近兩年，實現(xiàn)拉曼與其它多種微區(qū)分析測試儀器的聯(lián)用，其中有：拉曼與掃描電鏡聯(lián)用(Raman-SEM)；拉曼與原子力顯微鏡/近場光學顯微鏡聯(lián)用(Raman-AFM/NSOM)；拉曼與紅外聯(lián)用(R

16、aman-IR)；拉曼與激光掃描共聚焦顯微鏡聯(lián)用(Raman-CLSM)，這些聯(lián)用的著眼點是微區(qū)的原位檢測。通過聯(lián)用可以獲得更多的信息，并提高可靠度。共焦顯微拉曼光譜技術(shù)顯微拉曼光譜技術(shù)是將拉曼光譜分析技術(shù)與顯微分析技術(shù)結(jié)合起來的一種應(yīng)用技術(shù)。與其他傳統(tǒng)技術(shù)相比，更易于直接獲得大量有價值信息，共聚焦顯微拉曼光譜不僅具有常規(guī)拉曼光譜的特點，還有自己的獨特優(yōu)勢。輔以高倍光學顯微鏡，具有微觀、原位、多相態(tài)、穩(wěn)定性好、空間分辨率高等特點，可實現(xiàn)逐點掃描，獲得高分辨率的三維圖像，近幾年共聚焦顯微拉曼光譜在腫瘤檢測、文物考古、公安法學等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。賽默飛世爾DXR型激光顯微拉曼光譜儀賽默飛世爾DX

17、R型激光顯微拉曼光譜儀擁有1微米的空間分辨率和真實的共焦深度剖面圖，可滿足最苛刻的分析要求，是專門為現(xiàn)在繁忙的分析實驗室而設(shè)計的研究級工具。此款顯微鏡可滿足用戶對高空間分辨率，樣品制備簡單和拉曼光譜法的強大功能等要求，無需苛求工作繁忙的用戶成為拉曼專家。DXR激光顯微拉曼光譜儀的空間分辨率等同于或遠勝于市面上已有儀器，其獨特的設(shè)計可幫助用戶輕而易舉獲取高質(zhì)量的結(jié)果。儀器主要特點：1、獲得最優(yōu)性能的推測真實的“點擊運行”功能意味著你不必成為專家，也能獲取高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù) 專利的自動準直系統(tǒng)確保儀器性能，增強您對實驗結(jié)果的信心 獨特的設(shè)計特點：自動聚焦，自動曝光和自動采集背景 高空間分辨率 超凡的視

18、覺品質(zhì) 自動熒光校正去除熒光干擾效應(yīng) 激光能量調(diào)節(jié)器可補償激光能量輸出，確保穩(wěn)定的響應(yīng)值 2、DXR可讓您更關(guān)注結(jié)果，無需花費時間學習新技術(shù)和新步驟分析簡單，不損壞樣品，微米級制圖和數(shù)據(jù)分析 深度剖面圖分析每一層材料特征 缺陷分析 3、精密的制圖和數(shù)據(jù)分析提供您所要的答案集成的OMNIC Atls 圖像軟件將光譜制圖，圖像分析算法和化學計量工具整合到一起分析樣品橫截面，采用MCR提取樣品成分信息，然后對樣品成分制圖并定量；為DXR顯微鏡添加制圖功能，可完成更加復雜的應(yīng)用 我們的拉曼譜圖庫是目前范圍最廣的圖庫，使得未知樣品的分析和識別輕而易舉。4、智能附件獨特的智能鎖定技術(shù)，確保高重復性的結(jié)果用

19、戶可以設(shè)置DXR拉曼顯微鏡激光的波長532，633和780 nm。激光與相應(yīng)的過濾器和光柵，使用智能鎖定技術(shù)鎖定定位，確保高重復性的結(jié)果。OMNIC可識別每個組件，記錄序列號并檢查兼容性，同時為備用組件準備了使用方便的儲存箱。 5、充分享受全整合系統(tǒng)帶來的優(yōu)點從儀器到軟件，組件與附件，甚至光譜圖DXR顯微鏡和智能拉曼光譜儀的三重光譜圖-光譜圖設(shè)計 DXR拉曼顯微鏡的使用，可描繪微米級別的紫水晶樣品譜圖 可調(diào)動態(tài)點取樣的使用，幫助分析非均相樣品 儀器校正對使用拉曼庫搜索進行成功的樣品識別非常重要 DXR智能拉曼光譜儀的使用對混合溶劑的定量分析常見物質(zhì)的拉曼譜圖及紅外譜圖對比：硫酸鉀的紅外和拉曼光譜甲基丙烯酸的 FT-紅外和 FT-拉曼光譜二氧化鈦的紅外和拉曼光譜氧化鈰的紅外和拉曼光譜竹材的FT-Raman光譜胃正常(紅色)和胃癌(藍色)組織 FT-Rama