激光拉曼光譜

1、拉曼光譜拉曼光譜(Raman spectra)，是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印 度科學(xué)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(jìn)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。1拉曼光譜的發(fā)展歷史印度物理學(xué)家拉曼于1928年用水銀燈照射苯液體，發(fā)現(xiàn)了新的輻射譜線:在 入射光頻率3 0的兩邊出現(xiàn)呈對稱分布的,頻率為3 0-3和3 0+3的明銳邊帶， 這是屬于一種新的分子輻射，稱為拉曼散射，其中3是介質(zhì)的元激發(fā)頻率。拉曼 因發(fā)現(xiàn)這一新的分子輻射和所取得的許多光散射研究成果而獲得了 1930年諾貝 爾物理獎。與此同時，前蘇聯(lián)蘭

2、茨堡格和曼德爾斯塔報導(dǎo)在石英晶體中發(fā)現(xiàn)了類 似的現(xiàn)象，即由光學(xué)聲子引起的拉曼散射，稱之謂并合散射。法國羅卡特、卡本斯以及美國伍德證實(shí)了拉曼的觀察研究的結(jié)果。然而到 1940年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)槔?yīng)太弱(約為入射光強(qiáng)的 10-6),人們難以觀測研究較弱的拉曼散射信號,更談不上測量研究二級以上的高 階拉曼散射效應(yīng)。并要求被測樣品的體積必須足夠大、無色、無塵埃、無熒光等 等。所以到40年代中期，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落。 1960年以后，紅寶石激光器的出現(xiàn)，使得拉曼散射的研究進(jìn)入了一個全新的時期。 由于激光器的單色性好，方向性強(qiáng)，功率密度高，用它作為激發(fā)

3、光源，大大提高了 激發(fā)效率。成為拉曼光譜的理想光源。隨探測技術(shù)的改進(jìn)和對被測樣品要求的降 低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來 越受研究者的重視。70年代中期，激光拉曼探針的出現(xiàn),給微區(qū)分析注人活力。80年代以來，美國 Spex公司和英國Rr i ns how公司相繼推出，位曼探針共焦激光拉曼光譜儀，由 于采用了凹陷濾波器(notch filter)來過濾掉激發(fā)光，使雜散光得到抑制，因而 不在需要采用雙聯(lián)單色器甚至三聯(lián)單色器，而只需要采用單一單色器，使光源的 效率大大提高，這樣入射光的功率可以很低，靈敏度得到很大的提高。Di l o公 司推出了多測點(diǎn)在線工業(yè)

4、用拉曼系統(tǒng)，采用的光纖可達(dá)200m,從而使拉曼光譜的 應(yīng)用范圍更加廣闊。2拉曼光譜的原理2.1瑞利散射與拉曼散射當(dāng)一束激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子發(fā)生相互作用時，大部分光子僅 是改變了方向，發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光源一致,這種散射稱為瑞利散射。 但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向，而且也改變了光波的頻率，這種散射稱為拉曼散射。其散射光的強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的10-610-10。拉曼 散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換改變了光子的能量。2.2拉曼散射的產(chǎn)生光子和樣品分子之間的作用可以從能級之間的躍遷來分析。樣品分子處于電 子能級和振動能級的基態(tài),入射光子的能量遠(yuǎn)大于振

5、動能級躍遷所需要的能量， 但又不足以將分子激發(fā)到電子能級激發(fā)態(tài)。這樣，樣品分子吸收光子后到達(dá)一種 準(zhǔn)激發(fā)狀態(tài),又稱為虛能態(tài)。樣品分子在準(zhǔn)激發(fā)態(tài)時是不穩(wěn)定的，它將回到電子能 級的基態(tài)。若分子回到電子能級基態(tài)中的振動能級基態(tài)，則光子的能量未發(fā)生改 變,發(fā)生瑞利散射。如果樣品分子回到電子能級基態(tài)中的較高振動能級即某些振 動激發(fā)態(tài)，則散射的光子能量小于入射光子的能量，其波長大于入射光。這時散射 光譜的瑞利散射譜線較低頻率側(cè)將出現(xiàn)一根拉曼散射光的譜線，稱為St okes線。 如果樣品分子在與入射光子作用前的瞬間不是處于電子能級基態(tài)的最低振動能 級,而是處于電子能級基態(tài)中的某個振動能級激發(fā)態(tài)，則入射光光子

6、作用使之躍 遷到準(zhǔn)激發(fā)態(tài)后，該分子退激回到電子能級基態(tài)的振動能級基態(tài)，這樣散射光能 量大于入射光子能量，其譜線位于瑞利譜線的高頻側(cè)，稱為antiStokes線。 Stokes線和anti-Stokes線位于瑞利譜線兩側(cè)，間距相等。Stokes線和 anti-Stokes線統(tǒng)稱為拉曼譜線。由于振動能級間距還是比較大的，因此，根據(jù)波 爾茲曼定律，在室溫下，分子絕大多數(shù)處于振動能級基態(tài)，所以Stokes線的強(qiáng)度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于anti-Stokes線。拉曼光譜儀一般記錄的都只是Stokes線。2.3 拉曼位移(Raman Shift)斯托克斯與反斯托克斯散射光的頻率與激發(fā)光源頻率之差v統(tǒng)稱為拉曼 位移(R

7、a ma n Sh i f t)。斯托克斯散射的強(qiáng)度通常要比反斯托克斯散射強(qiáng)度強(qiáng) 得多，在拉曼光譜分析中，通常測定斯托克斯散射光線。拉曼位移取決于分子振動 能級的變化,不同的化學(xué)鍵或基態(tài)有不同的振動方式，決定了其能級間的能量變 化，因此，與之對應(yīng)的拉曼位移是特征的。這是拉曼光譜進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)定性分析的 理論依據(jù)。2.4拉曼譜參數(shù)拉曼譜的參數(shù)主要是譜峰的位置和強(qiáng)度。峰位是樣品分子電子能級基態(tài)的振 動態(tài)性質(zhì)的一種反映，它是用入射光與散射光的波數(shù)差來表示的。峰位的移動與 激發(fā)光的頻率無關(guān)。拉曼散射強(qiáng)度與產(chǎn)生譜線的特定物質(zhì)的濃度有關(guān)，成正比例 關(guān)系。而在紅外譜中，譜的強(qiáng)度與樣品濃度成指數(shù)關(guān)系。)樣品分子

8、量也與拉曼散 射有關(guān)，樣品分子量增加,拉曼散射強(qiáng)度一般也會增加。對于一定的樣品，強(qiáng)度I 與入射光強(qiáng)度I0、散射光頻率ns、分子極化率a有如下關(guān)系：I=CI0ns4a2(這里 C是一個常數(shù))。2.5拉曼散射的選擇定則外加交變電磁場作用于分子內(nèi)的原子核和核外電子，可以使分子電荷分布的 形狀發(fā)生畸變，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩。極化率是分子在外加交變電磁場作用下產(chǎn)生誘 導(dǎo)偶極矩大小的一種度量。極化率高，表明分子電荷分布容易發(fā)生變化。如果分 子的振動過程中分子極化率也發(fā)生變化，則分子能對電磁波產(chǎn)生拉曼散射，稱分 子有拉曼活性。有紅外活性的分子振動過程中有偶極矩的變化，而有拉曼活性的 分子振動時伴隨著分子極化率的改

9、變。因此，具有固有偶極矩的極化基團(tuán),一般有 明顯的紅外活性，而非極化基團(tuán)沒有明顯的紅外活性。拉曼光譜恰恰與紅外光譜 具有互補(bǔ)性。凡是具有對稱中心的分子或基團(tuán)，如果有紅外活性，則沒有拉曼活性; 反之，如果沒有紅外活性，則拉曼活性比較明顯。一般分子或基團(tuán)多數(shù)是沒有對稱 中心的，因而很多基團(tuán)常常同時具有紅外和拉曼活性。當(dāng)然，具體到某個基團(tuán)的某 個振動，紅外活性和拉曼活性強(qiáng)弱可能有所不同。有的基團(tuán)如乙烯分子的扭曲振 動，則既無紅外活性又無拉曼活性。拉曼散射光譜具有以下明顯的特征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)；

10、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。一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強(qiáng)度大。這是由于 Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子 數(shù)。4 .拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重拉曼光譜要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準(zhǔn)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(xué)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(jī)物及

11、無機(jī)物 進(jìn)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(yùn)用 差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以 和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。4因?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?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。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)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(qiáng)大生物分子特個發(fā)色基團(tuán)的 振動，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍

12、。拉曼效應(yīng)光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射.彈性散射的散射光是與 激發(fā)光波長相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的 成分，統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。當(dāng)用波長比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時， 大部分的光會按原來的方向透射，而一小部分則按不同的角度散射開來， 產(chǎn)生散射光。在垂直方向觀察時，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射 外，還有一系列對稱分布著若干條很弱的與入射光頻率發(fā)生位移的拉曼譜 線，這種現(xiàn)象稱為拉曼效應(yīng)。由于拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的 長度直接與試樣分子振動或轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。因此，與紅外吸收光譜類似， 對拉曼光譜的研究，也可以得到有關(guān)分子振動或轉(zhuǎn)動的

13、信息。目前拉曼光 譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的鑒定，分子結(jié)構(gòu)的研究譜線特征。分析技術(shù)6.1種類幾種重要的拉曼光譜分析技術(shù)1、單道檢測的拉曼光譜分析技術(shù)。2、以CCD為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術(shù)3、采用傅立葉變換技術(shù)的FT-Raman光譜分析技術(shù)。4、共振拉曼光譜分析技術(shù)5、表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)分析技術(shù)。拉曼光譜用于分析的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 。6.2優(yōu)點(diǎn)1、拉曼光譜用于分析的優(yōu)點(diǎn)拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進(jìn)行前處理，也沒有樣品的制備過 程，避免了一些誤差的產(chǎn)生，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短， 靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。6.3不足2、拉曼光譜用于分析的不足拉曼散射面積。不同振動峰重疊和

14、拉曼散射強(qiáng)度容易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等因素的影 響。熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾。在進(jìn)行傅立葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性的問題。任何一物質(zhì)的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于 引入了一些誤差的可能性，會對分析的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。激光拉曼光譜在催化研究中的應(yīng)用應(yīng)用激光光源的拉曼光譜法，由于激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高、 相十性等特性，因此，激光拉曼光譜與傅里葉變換紅外光譜相配合，已成為分子結(jié) 構(gòu)研究的主要手段。激光拉曼光譜應(yīng)用于催化領(lǐng)域的研究已經(jīng)有幾十年的歷史, 并在負(fù)載型金屬氧化物、分子篩、原位反應(yīng)和吸附等研究中取得了豐富的成果。激光拉曼光譜在分子篩研究中的應(yīng)用

15、:分子篩的骨架振動、雜原子分子篩的 表征、分子篩的合成。催化劑表面吸附的研究：目前拉曼光譜在催化劑表面吸附 行為研究中的主要用途之一就是以毗啶為吸附探針對催化劑的表面酸性進(jìn)行研 究。催化劑表面物種的研究:拉曼光譜在負(fù)載型金屬氧化物的研究中發(fā)揮了很重 要的作用,不但能夠得到表面物種的結(jié)構(gòu)信息，而且能將結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性和選擇 性進(jìn)行很好地關(guān)聯(lián)，這在催化研究中是非常重要的但是，由于載體一般有很強(qiáng)的 熒光干擾,使一些氧化物，特別是低負(fù)載量氧化物的常規(guī)拉曼光譜研究遇到了很 大的困難。催化劑表面相變的研究:金屬氧化物配位結(jié)構(gòu)和分散狀態(tài)的研究等。003圖J003圖J圖反映T O薄膜結(jié)構(gòu),D表示層薄膜,t下,只

16、有銳鈦礦的Rama n峰;1層,2 層薄膜結(jié)品不好，因?yàn)镕e的擴(kuò)散，灼燒時間短，膜薄等;3,4層區(qū)別不大，都具有結(jié) 品完好的銳鈦礦的Raman峰;Ra ma n峰的位置會隨著粒子粒徑和孔徑的大小發(fā) 生變化。粒徑的變小會使峰位置偏移,峰不對稱加寬，峰強(qiáng)變?nèi)?Ti O2薄膜孔徑 變小,體現(xiàn)在142cm的峰位置變化明顯,從位置142cm-1到145cm-1的變化,顯示 粒徑的大小為1 0 n m。圖3顯示了 2%mo l Y不同焙燒溫度的紫外拉曼光譜，激 光源為244nm。在500C焙燒樣品后，給出340,374,476,613和640cm-1五個主要 譜峰。從340和374cm-1的譜峰與476和

17、630cm譜峰的相對強(qiáng)度可知500C焙燒 后，主要以單斜相的形式存在。隨著焙燒溫度的增加，譜峰在強(qiáng)度，寬度和頻率上 幾乎沒有變化。在500到800C焙燒過程中只觀察到氧化鋯單斜相的譜峰。篩的紫外拉曼光譜圖紫外拉曼光譜圖圖4是Si-MCM-41和V-MCM-41分子篩的紫外拉曼光譜圖，Si-MCM-41分子篩 在 490、 610、 810 和 970cm處出現(xiàn)四個譜峰，與可見拉曼光譜的譜峰是類似的。在V-MCM-41分子篩的紫 外拉曼光譜中,4 90 c m譜峰變寬，在930和1070cm出現(xiàn)兩個新的譜峰。930cm的譜峰為骨架外聚合 氧化釩的V=O對稱伸縮振動峰，而的譜峰為骨架四配位氧化釩的

18、V=O對稱伸縮振 動峰。作者認(rèn)為在可見拉曼光譜中未發(fā)現(xiàn)930和1070cm-1兩譜峰，是由于244vi m波長的激發(fā)線激發(fā)了骨架釩和非骨架釩物種的荷電躍遷,因此共振效應(yīng)使這兩 個峰的強(qiáng)度增強(qiáng)，從而同時得到了骨架磯和非骨架磯物種的紫外拉曼光譜的譜峰。 圖4為Silieal ite1和Fe-ZSM-5的紫外拉曼光譜圖。與Silicalite-1的紫外 拉曼光譜圖相比,Fe-ZSM-55的紫外拉曼光譜圖在516、580、1026、1126和 1185cm-1處出現(xiàn)了五個新譜峰。由于紫外激發(fā)線位于骨架鐵和氧之間的荷電躍 遷區(qū)（250ri m）,這些譜峰可被歸屬于骨架鐵物種的共振拉曼峰。此外，利用紫外

19、拉曼光譜作者還檢測到sili-calite 1和ZSM-5分子篩中痕量鐵的存在，這說明紫 外共振拉曼光譜是一項(xiàng)靈敏的表征分子篩中骨架雜原子的可靠手段。發(fā)展前景8.1激光技術(shù)拉曼光譜在最近這些年發(fā)展是比較快的，應(yīng)該來說是受益于兩方面吧。一方面是激光技術(shù)的發(fā)展，我最近參加了在英國倫敦召開的第21屆國際拉曼光譜大會，感受到現(xiàn)在基于超快激光的非線性拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)越 來越成熟了。這種高精尖和需要昂貴設(shè)備的技術(shù)，原來僅有很少幾個單位 可以搞。特別是激光部分都是靠自己搭建，每天還得調(diào)，很不穩(wěn)定，現(xiàn)在 這個狀況已經(jīng)不存在了，而且儀器的價格相對也比較低。現(xiàn)在國際上推出 的從事非線性光譜研究的超快（飛秒或皮秒）激光器，技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到比較 成熟地步，可以成套購買，也較穩(wěn)定。非線性拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)在生命科 學(xué)領(lǐng)域研究中發(fā)揮它的獨(dú)特和重要作用。例如，美國哈佛大學(xué)的謝曉亮教 授在開拓并運(yùn)用相十反斯托克斯拉曼光譜顯微學(xué)（CARS Microscopy ）研究 活細(xì)胞內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)方面取得一系列重要成果。我覺得高質(zhì)量的超快激光 器還推動了另一個極具前途的表面光譜技術(shù)，就是合頻（SFG）技術(shù)的發(fā)展，它作為具有獨(dú)特的界面選擇