拉曼光譜培訓(xùn)講義教材

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(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。 歷史1928年C.V.拉曼實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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 u 0相同的成分稱為瑞利散射；頻率對(duì)稱分布在u 0兩側(cè)的譜線或譜帶 u ou 1即為拉曼光譜，其中頻率較小的成分 u 0-u 1又稱為斯托克斯線，頻率較大的成 分 u 0+u 1

2、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(yuǎn)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(qiáng)度只有入射光強(qiáng) 度的 10-3，拉曼光譜強(qiáng)度大約只有瑞利線的 10-3。小拉曼光譜與分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 有關(guān)， 大拉曼光譜與分子振動(dòng) -轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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 u 0的光子，發(fā)射u 0-u 1的光子（即 吸收的能量大于釋放的能量 ），同時(shí)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 u 0 的光子，發(fā)射 u 0+u 1 的光子 （即釋放的能量大于吸收的能量 ）， 同時(shí)分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài) （反斯托克斯

3、線 ）。分子能級(jí)的躍遷僅涉及轉(zhuǎn)動(dòng) 能級(jí)，發(fā)射的是小拉曼光譜；涉及到振動(dòng) -轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，發(fā)射的是大拉曼光譜。與 分子紅外光譜不同，極性分子和非極性分子都能產(chǎn)生拉曼光譜。激光器的問世， 提供了優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度單色光， 有力推動(dòng)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(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)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(jià)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(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(duì)稱地分布在 瑞利散射線兩

4、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(gè) 振動(dòng)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(qiáng)度大。這是由于 Boltzmann 分 布，處于振動(dòng)基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動(dòng)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(diǎn)拉曼波數(shù)的常規(guī)范圍： 40-4000 cm -1，一臺(tái)拉曼就包括了完整的震動(dòng)頻率范圍。 而紅外光譜包括近中遠(yuǎn)范圍， 通常需要幾臺(tái)儀器或用一臺(tái)儀器分幾次掃描才能完 成整個(gè)光譜的記錄。對(duì)于一個(gè)給定的化學(xué)鍵， 其紅外吸收頻率與拉曼位移相等， 均代表第一振動(dòng)能級(jí) 的能量。因此對(duì)于某一給定的化合

5、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(dāng)紅外光穿過樣品時(shí)， 樣品分子基團(tuán)吸收紅 外光產(chǎn)生振動(dòng)， 得到紅外吸收光譜。 其入射光及檢測光都是紅外光。 橫坐標(biāo)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(dāng)單色激光照射在樣品上時(shí)， 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(biāo)是拉曼位 移，即與瑞利散射頻率的差值。不需制

6、樣，但有時(shí)會(huì)燒蝕樣品。可測水溶液。可 用普通的玻璃毛細(xì)管或石英池做樣品池。如何判別分子的拉曼或紅外活性？1）凡是具有對(duì)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，則拉曼散射是非活性的，反之亦然。2）不具有對(duì)稱中心的分子，如 H2O， SO2 等，其紅外和拉曼活性是并存的。當(dāng) 然，在兩種譜圖中各峰之間的強(qiáng)度比可能有所不同。3）少數(shù)分子的振動(dòng)其紅外光譜和拉曼光譜都是非活性的， 例如平面對(duì)稱分子乙烯 的扭曲振動(dòng)，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(bǔ)的。 一個(gè)基團(tuán)存在幾種振動(dòng)模式時(shí)， 偶極矩變化

7、大的振動(dòng)， 紅外吸收峰強(qiáng)； 偶極矩變 化小的振動(dòng)，紅外吸收峰弱。拉曼光譜與之相反，偶極矩變化大的振動(dòng)，拉曼峰弱；偶極矩變化小的振動(dòng)，拉 曼峰強(qiáng)，偶極矩沒有變化的振動(dòng)，拉曼峰最強(qiáng)。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(shí)覆蓋 50-4000 波數(shù)的區(qū)間，可對(duì)有機(jī)物及無機(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

8、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(duì)常規(guī)紅外光譜一個(gè)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(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)， 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。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(jī)化學(xué)

9、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(jī)化學(xué)： 拉曼光譜在有機(jī)化學(xué)方面主要是用作結(jié)構(gòu)鑒定的手段， 拉曼位移的大 小、強(qiáng)度及拉曼峰形狀是碇化學(xué)鍵、官能團(tuán)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(dú)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(duì)受擠壓線性聚乙烯的形態(tài)、 高強(qiáng)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

10、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(jí)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(dòng)脈硬化操作中的鈣化沉積和紅細(xì)胞膜的等研 究中的應(yīng)用均有文獻(xiàn)報(bào)道。利用 FT-Raman 消除生物大分子熒光干擾等，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(duì)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(xué)者 的興趣有增無減。拉曼光

11、譜已成 CVD( 化學(xué)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(bào)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(qiáng)拉曼技術(shù)就 可以大大加強(qiáng)拉曼光譜的靈敏度。表面增強(qiáng)拉曼光譜學(xué) (SERS) 已成為拉曼光譜 研究中活躍的一個(gè)領(lǐng)域。相關(guān)技術(shù)表面增強(qiáng)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(duì)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(qiáng)效應(yīng)被稱為 表面增強(qiáng)拉曼散射 (SERS) 。

12、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(xué)、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(jìn)行，必須對(duì)常規(guī)拉曼儀進(jìn)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(gè)電子吸收峰接 近或重合時(shí)，這一分子的某個(gè)或幾個(gè)特征拉曼譜帶強(qiáng)度可達(dá)到正常拉曼譜帶 的104106倍，并觀察到正常拉曼效應(yīng)中難以出現(xiàn)的、其強(qiáng)度可與基頻相比 擬的泛音及組合振動(dòng)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(qiáng)技術(shù)，靈敏度已達(dá)到單分子

13、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(jì) 90 年代發(fā)展起來的新技術(shù)， 1987 年， Perkin Elmer 公司推出第一臺(tái)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(duì)信號(hào)進(jìn)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， Fr-Raman 在化學(xué)、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)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(dǎo)纖維技術(shù)的聯(lián)用光導(dǎo)纖維的引入 ,使拉曼光譜儀用于工業(yè)在線分析以及現(xiàn)場遙測分析成 為可能。Huy等使用兩個(gè)10 m長、100呵 直徑的光纖,激光波長為514. 5 nm

14、 , 對(duì)苯 / 庚烷混合物進(jìn)行分析 ,獲得非常好的結(jié)果。 Benoit 等將光導(dǎo)纖維傳 感器用于拉曼光譜儀 , 使得液體樣品的拉曼信號(hào)增強(qiáng)了 50 倍。 Cooney 等人 比較單個(gè)光纖與多個(gè)光纖應(yīng)用于拉曼光譜儀的結(jié)果 ,發(fā)現(xiàn)多個(gè)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)和檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。 由于它具有獨(dú)特的性能 ,因此已成為工業(yè)過程控制中的一種

15、新的檢測裝置,發(fā)展成一個(gè)工業(yè)自動(dòng)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(chǔ) 能量的一種非線性光存儲(chǔ)技術(shù)。光聲拉曼信號(hào)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(xué)法受瑞利散射,布里淵散射干擾的缺點(diǎn) ,具有高靈敏度(能探測到10吒cm-1的拉曼系數(shù))、高分辨率和基本上沒有光學(xué)背景等優(yōu)點(diǎn)。 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(yán)格的相位匹配角要求,因而它也很適合用于研究固體介質(zhì)特性。 Barrett 等人從理論上分析了氣體樣

16、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(dòng)模式的熱彈過程,對(duì)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(duì)稱性,因而 ,情況要復(fù)雜得多 ,運(yùn)用平行模型和熱彈性理論 ,導(dǎo)出固體介質(zhì)樣品中光聲拉曼信號(hào)的解析式 ,對(duì)固體中光聲拉曼 效應(yīng)的一些特性進(jìn)行分析。拉曼光譜與其他儀器聯(lián)用技術(shù) 近兩年，實(shí)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(xué)顯微鏡聯(lián)用 (Raman-AFM/NSOM) ；拉曼與紅外聯(lián)用 (Raman-IR) ；拉曼與激

17、光掃描共聚 焦顯微鏡聯(lián)用 (Raman-CLSM) ，這些聯(lián)用的著眼點(diǎn)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(jià)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(diǎn)，還有自己的獨(dú)特優(yōu)勢。輔以 高倍光學(xué)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)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(xué)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DXR型激光

18、顯微拉曼光譜儀擁有 1微米的空間分辨率和真實(shí) 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(shí) 驗(yàn)室而設(shè)計(jì)的研究級(jí)工具。此款顯微鏡可滿足用戶對(duì)高空間分辨率，樣品制 備簡單和拉曼光譜法的強(qiáng)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(yuǎn)勝于市面上已有儀 器，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)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(diǎn)：1、獲得最優(yōu)性能的推測真實(shí)的點(diǎn)擊運(yùn)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(dòng)準(zhǔn)直系統(tǒng)確保儀器性能，增強(qiáng)您對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信心獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：自動(dòng)聚焦，自動(dòng)曝光和自動(dòng)采集背景高空間分辨率超凡的視覺品質(zhì)

19、自動(dòng)熒光校正去除熒光干擾效應(yīng)激光能量調(diào)節(jié)器可補(bǔ)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(fèi)時(shí)間學(xué)習(xí)新技術(shù)和新步驟分析簡單，不損壞樣品，微米級(jí)制圖和數(shù)據(jù)分析深度剖面圖一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 Atlu s圖像軟件將光譜制圖，圖像分析算法和化學(xué)計(jì)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(duì)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(fù)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(shí)別輕而 易舉。4、智能附件獨(dú)特的智能鎖定技術(shù)，確保高重復(fù)性的結(jié)果用戶可以設(shè)置

20、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(fù)性的結(jié)果。 OMNIC可識(shí)別每個(gè)組件，記錄序列號(hào)并檢查兼容性，同時(shí)為備用組件準(zhǔn)備了使用方便的儲(chǔ)存箱。5、充分享受全整合系統(tǒng)帶來的優(yōu)點(diǎn) 一從儀器到軟件，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(jì) DXR拉曼顯微鏡的使用，可描繪微米級(jí)別的紫水晶樣品譜圖可調(diào)動(dòng)態(tài)點(diǎn)取樣的使用，幫助分析非均相樣品儀器校正對(duì)使用拉曼庫搜索進(jìn)行成功的樣品識(shí)別非常重要 DXR智能拉曼光譜儀的使用對(duì)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(duì)比:硫酸鉀的紅外和拉曼光譜s n e n n a m aR甲基丙烯酸的FT-紅外和FT-拉曼光譜s n e n n amaRRaman shift (cm-1)氧化鈦的紅外和拉曼光譜氧化鈰的紅外和拉曼光譜3竹材的FT-Raman光譜Raman shift (cm-1)胃正常（紅色）和胃癌（藍(lán)色