拉曼光譜原理和應(yīng)用

1、.,拉曼光譜原理和應(yīng)用,.,拉曼光譜和拉曼效應(yīng),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(duì)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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。 最常用的紅外及拉曼光譜區(qū)域波長(zhǎng)是2.525m。（中紅外區(qū)） 分子能級(jí)與分子光譜 分子運(yùn)動(dòng)包括整體的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)及電子的運(yùn)動(dòng)。分子總能量可近似看成是這些運(yùn)動(dòng)的能量之和，即 式中 分別代表分子的平動(dòng)能、電子運(yùn)動(dòng)能、振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能。除 外，其余三項(xiàng)都是量子化的，統(tǒng)稱分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)能。分子光譜產(chǎn)生于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改

2、變。 分子有不同的電子能級(jí)（ ， ），每個(gè)電子能級(jí)又有不同的振動(dòng)能級(jí)（ ）,.,拉曼光譜和拉曼效應(yīng),而每個(gè)振動(dòng)能級(jí)又有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)( , ). 一定波長(zhǎng)的電磁波作用于被研究物質(zhì)的分子，引起分子相應(yīng)能級(jí)的躍遷，產(chǎn)生分子吸收光譜。引起分子電子能級(jí)躍遷的光譜稱電子吸收光譜，其波長(zhǎng)位于紫外可見(jiàn)光區(qū)，故稱紫外可見(jiàn)光譜。電子能級(jí)躍遷的同時(shí)伴有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。 引起分子振動(dòng)能級(jí)躍遷的光譜稱振動(dòng)光譜，振動(dòng)能級(jí)躍遷的同時(shí)伴有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。紅外吸收和拉曼散射光譜是分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。 用遠(yuǎn)紅外光波照射分子時(shí)，只會(huì)引起分子中轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，得到純轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。,.,拉曼光譜和拉曼效應(yīng),拉曼散射 拉曼散射是

3、分子對(duì)光子的一種非彈性散射效應(yīng)。當(dāng)用一定頻率（ ）的激發(fā)光照射分子時(shí)，一部分散射光的頻率（ ）和入射光的頻率相等。這種散射是分子對(duì)光子的一種彈性散射。只有分子和光子間的碰撞為彈性碰撞，沒(méi)有能量交換時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種散射。該散射稱為瑞利散射。還有一部分散射光的頻率和激發(fā)光的頻率不等，這種散射成為拉曼散射。Raman散射的幾率極小，最強(qiáng)的Raman散射也僅占整個(gè)散射光的千分之幾，而最弱的甚至小于萬(wàn)分之一。 處于振動(dòng)基態(tài)的分子在光子的作用下，激發(fā)到較高的、不穩(wěn)定的能態(tài)（稱為虛態(tài)），當(dāng)分子離開(kāi)不穩(wěn)定的能態(tài)，回到較低能量的振動(dòng)激發(fā)態(tài)時(shí)，散射光的能量等于激發(fā)光的能量減去兩振動(dòng)能級(jí)的能量差。即,.,拉曼光譜和

4、拉曼效應(yīng),此時(shí) 。這是拉曼散射的斯托克斯線。 如果光子與振動(dòng)激發(fā)態(tài)的分子相互作用，被激發(fā)到更高的不穩(wěn)定的能態(tài)，當(dāng)分子離開(kāi)不穩(wěn)定的能態(tài)回到振動(dòng)基態(tài)時(shí)，散射光的能量等于激發(fā)光的能量加上兩振動(dòng)能級(jí)的能量差。即： 此時(shí)， ，這是拉曼散射的反斯托克斯線。,.,拉曼測(cè)量的是什么？,.,光散射 - 瑞利散射,設(shè)散射物分子原來(lái)處于基電子態(tài)，當(dāng)受到入射光照射時(shí)，激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態(tài)（Virtual state），虛能級(jí)上的電子立即躍遷到下能級(jí)而發(fā)光，即為散射光。設(shè)仍回到初始的電子態(tài)，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率

5、不同的譜線，前者稱為瑞利線，后者稱為拉曼線。在拉曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。 散射光中，彈性 (瑞利) 散射占主導(dǎo) 前 后 散射光與入射光有相同的頻率,入射光,分子, excitation,emission,.,光散射 - 拉曼,散射光中的1010光子之一是非彈性散射（拉曼） 前 后 光損失能量，使分子振動(dòng),入射光,分子,excitation,excit.-vib.,emission,.,1：半導(dǎo)體材料; 2：聚合體； 3：碳材料； 4：地質(zhì)學(xué)/礦物學(xué)/寶石鑒定； 5：生命科學(xué); 6：醫(yī)藥； 7：化學(xué)； 8：環(huán)境； 9：物理

6、 10: 法庭科學(xué):違禁藥品檢查；區(qū)分各種顏料，色素，油漆，纖維等；爆炸物的研究；墨跡研究；子彈殘留物和地質(zhì)碎片研究,拉曼光譜的應(yīng)用領(lǐng)域,.,拉曼光譜儀器,拉曼光譜儀器的構(gòu)成： 1、激發(fā)光源 2、光學(xué)系統(tǒng) 3、分光儀 4、探測(cè)器 5、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng),.,拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)方框圖,激發(fā)器,樣前準(zhǔn)直光學(xué)裝置,樣后集光裝置,單色器,光電倍增管,控制及數(shù)據(jù)處理記錄系統(tǒng),樣品,樣品裝置,直流放大器,記錄系統(tǒng),光子計(jì)數(shù)器,.,拉曼光譜給出的信息,定性的信息: 拉曼光譜是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的指紋光譜，拉曼光譜常包含有許多確定的能分辨的拉曼峰，應(yīng)用拉曼管光譜分析可以區(qū)分各種各樣的試樣。定性分析的一個(gè)必須做的工作是根據(jù)測(cè)得的

7、拉曼譜判定出可能的材料和混合物，限定這些可能物的數(shù)量。 定量的信息:測(cè)得的分析物拉曼峰強(qiáng)度與分析物濃度間有線性比例關(guān)系。分析物拉曼峰面積與分析物濃度間的關(guān)系曲線是直線。,.,拉曼光譜的信息,拉曼頻率的確認(rèn),物質(zhì)的組成,拉曼偏振,拉曼峰寬,拉曼峰強(qiáng)度,晶體對(duì)稱性和取向,晶體質(zhì)量好壞,物質(zhì)總量,.,拉曼光譜的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn),對(duì)樣品無(wú)接觸，無(wú)損傷； 樣品無(wú)需制備； 快速分析，鑒別各種材料的特性與結(jié)構(gòu)； 能適合黑色和含水樣品； 高、低溫及高壓條件下測(cè)量； 光譜成像快速、簡(jiǎn)便，分辨率高； 儀器穩(wěn)固，體積適中， 維護(hù)成本低，使用簡(jiǎn)單。,.,拉曼散射信號(hào)弱（比熒光光譜平均小23數(shù)量級(jí)）。 激光激發(fā)強(qiáng)。 拉曼信號(hào)

8、頻率離激光頻率很近。 激光瑞利散射比拉曼信號(hào)強(qiáng)10101014，對(duì)拉曼信號(hào)干擾很大。 拉曼光譜儀器的設(shè)計(jì)，必須能排除瑞利散射光，并具有高靈敏度（體現(xiàn)在弱信號(hào)檢測(cè)的高信噪比 ），才能有效地收集拉曼譜。,拉曼光譜的主要困難,.,拉曼光譜儀的分類(lèi),按照儀器將來(lái)自試樣的拉曼散射光隨頻移分散開(kāi)的方式不同，可將拉曼光譜儀分為三種類(lèi)型： 1、濾光器型拉曼光譜儀。 來(lái)自絕大部分拉曼散射而只有很狹窄的光譜段進(jìn)入檢測(cè)器，這意味著絕大部分拉曼散射光波被浪費(fèi)掉。 2、分光儀型拉曼光譜儀。 將來(lái)自入射狹縫的光照射 于衍射光柵，然后將衍射光聚焦在光譜儀輸出平面上。 3、邁克爾遜干涉儀刑。 來(lái)自試樣的拉曼散射光通過(guò)干涉儀進(jìn)入探測(cè)器，獲得一干涉圖，隨后進(jìn)行傅里葉變換得到拉曼光譜。,.,拉曼光譜儀介紹,JY-T64000：模塊式三級(jí)拉曼光譜儀系統(tǒng) 生長(zhǎng)廠家：法國(guó)Horiba Jobin Yvon公司,專(zhuān)家級(jí),.,研究級(jí),LabRAM HR (高分辨單級(jí)拉曼光譜儀),LabRam HR系統(tǒng)具有超高光譜分辨率和獨(dú)特的寬波段測(cè)量能力。,.,研究級(jí),LabRAM ARAMIS(全自動(dòng)),儀器的智能全自動(dòng)性能為質(zhì)量控制、分析和研究等應(yīng)用提供輕松的電腦控制操作。,.,LabRAM X