我所認識的拉曼光譜教材

1、我和拉曼的那些不得不說的事披著羊皮的楊帆一、拉曼光譜（Raman spectra）的歷史過程：拉曼光譜得名于印度物理學(xué)家拉曼 （Raman）。1928年，拉曼首先從實驗觀察到單色的入射光投射到 物質(zhì)中后產(chǎn)生的散射，通過對散射光進行光譜分析，首先發(fā)現(xiàn)散射光除了含有與入射光相同頻率的光外， 還包含有與入射光頻率不同的光。以后，人們將這種散射光與入射光頻率不同的現(xiàn)象稱為拉曼散射。拉曼 因此獲得諾貝爾獎。當(dāng)一束入射光通過樣品時，在各個方向上都發(fā)生散射。拉曼光譜儀收集和檢測與入射光成直角的散射 光。由于收集和檢測的散射光 強度非常低，因此拉曼光譜的應(yīng)用和發(fā)展受到很大限制。30年代拉曼光譜曾是研究分子結(jié)構(gòu)

2、的主要手段，此時的拉曼光譜儀是以汞弧燈為光源，物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射譜線極其微弱， 因此應(yīng)用受到限制。上世紀60年代，激光的問世為拉曼光譜儀的發(fā)展帶來了蓬勃生機。早期作為光源使用的汞弧燈，被高功率、高能量、高單色性和高相干性的激光光源所代替。另外，高分辨率、低雜散光的雙 聯(lián)和三聯(lián)光柵單色儀，高靈敏度光電接收系統(tǒng)（光電倍增管和光子計數(shù)器）也在此期間研制成功，并實現(xiàn)了計算機和拉曼光譜儀的聯(lián)機。70年代中期，不斷提高的激光技術(shù)使得拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用更為廣泛。 對在很大光譜范圍內(nèi)吸收的樣品，激光器的多譜線輸岀和可調(diào)諧激光器的連續(xù)譜線輸岀，可以使人們很方 便地選擇合適的激發(fā)光進行共振拉曼光譜測量。用于

3、樣品的微區(qū)分析、不均勻表面檢測等的空間分辨拉曼 光譜技術(shù)（激光拉曼探針）也于同期誕生，到90年代末，高空間分辨拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)可以做到單分子檢測。 多通道測量和短脈沖激光技術(shù)配合，則實現(xiàn)了時間分辨拉曼光譜測試。這種光譜技術(shù)可用于短壽命自由基、化學(xué)反應(yīng)的中間態(tài)、物質(zhì)和系統(tǒng)的瞬間過程等方面的研究。1983年，Jennings等人成功地進行了傅里葉變換拉曼實驗。此后，各型號的傅里葉變換拉曼光譜儀也先后問世。1986年，Hirschfeld和Chase在技術(shù)上實現(xiàn)了 FT-拉曼光譜。1987年P(guān)E公司推出了第一臺近紅外激發(fā)傅里葉變換拉曼光譜儀。首部Fr-Raman專著于1991年正式岀版。90年代初，

4、為滿足社會生產(chǎn)活動的需要，人們不斷探索岀多項新技術(shù)并應(yīng)用于 拉曼光譜儀中。例如：引進光纖對遠距離或危險處的樣品進行測量，用聲光調(diào)制器（AOTF）代替光柵作為分 光元件測量拉曼光譜；利用全息帶阻濾光片濾除瑞利散射的干擾等。激光拉曼光譜儀的性能也日臻完善, 如：美國Spex公司和英國Reinshow公司相繼推出了拉曼探針共焦激光拉曼光譜儀，低功率的激光光源的使用使激光器的使用壽命大大延長，共焦顯微拉曼的引入實現(xiàn)了類似生物切片的激光拉曼掃描，從而得到樣品在不同深度時的拉曼光譜。Dilor公司推出了多測點在線工業(yè)用拉曼系統(tǒng)，采用的光纖可達200m，從而使拉曼光譜的應(yīng)用范圍更加廣闊。拉曼光譜儀以激光（e

5、xcitation ）作光源，光的單色性和強度都大大提高，拉曼散射儀的信號強度因而提高，拉曼光譜技術(shù)得以迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域遍及物理，材料，化學(xué)， 生物等學(xué)科，并已成為光譜學(xué)的一個分支拉曼光譜學(xué)（Raman Spectroscopy 光譜學(xué)）。二、拉曼光譜的原理：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)光波長或長和或短的成分，統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。拉曼效應(yīng)是光子與光學(xué)支聲子相互作用的結(jié)果。拉曼光譜原理：拉曼效應(yīng)起源于分子振動（和點陣振動）與轉(zhuǎn)動，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能級（點陣振動能級）與轉(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)的知識。用虛的上能級概念

6、可以說明了拉曼效應(yīng)：拉曼光譜為散射光譜，1928年，C.V.拉曼實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光透過透明介質(zhì)被分子散射的光發(fā)生頻率變化，這一現(xiàn)象被稱為拉曼散射。在透明介質(zhì)的散射光譜中，頻率與入射光頻率vo相同（及波長入不變）的成分稱為 瑞利散射（Rayleigh scattering ）彈性碰撞，無能量交換，僅改變方向；頻率對稱分布在V0兩側(cè)，即v0土 v1 （波長入改變）為拉曼散射（Raman spectra ）無彈性碰撞，有能量交換，改變方向。其中頻率較 小的成分（v0-v1収稱為斯托克斯線（Stocks lines），頻率較大的成分（v0+v1）又被稱為反斯托克斯線（Anti-Stocks lines ）

7、。因為斯托克斯線的強度遠遠強于反斯托克斯線，且基態(tài)分子比較多，所以拉曼光譜儀一般記錄斯托克斯線?？拷鹄⑸渚€兩側(cè)的譜線稱為小拉曼線，遠離的則稱為大拉曼線。瑞利散射線的強度只有入射光強度的10-3-10-5，拉曼光譜強度大約只有入射光強的 10-7-10-9。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一轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。拉曼位移（Raman shift）:拉曼位移的大小與入射光的頻率無關(guān)，只與分子的能級結(jié)構(gòu)有關(guān)， 其范圍為254000cm-1,因此入射光的能量應(yīng)大于分子振動躍遷所需能量，小于電子能級躍遷的能量。Raman散射光的頻率與入射光的頻率相差？ V。對不同物質(zhì)：？ v不同；對同

8、一物質(zhì)：？ V與入射光頻率無關(guān)；可應(yīng)用于表征分子振-轉(zhuǎn)能級的特征物理量；定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)。拉曼譜線強度與入射光強和樣品分子的濃度成正比例關(guān)系，因此可利用拉曼光譜來進行定量分析，在與激光入射方向垂直的方向上，能收集到的拉曼散射光的光通量護為：恨=4n 機 A N L K sin a2（ 9/2）式中，標為入射光照射到樣品上的光通量；A為拉曼散射系數(shù)，約等于10-2810-29mol/sr; N為單位體積內(nèi)的分子數(shù)；L為樣品的有效體積；K為考慮到折射率和樣品內(nèi)場效應(yīng)等因素影響的系數(shù)；a為拉曼光束 在聚焦透鏡方向上的角度。利用拉曼效應(yīng)及拉曼散射光與樣品分子的上述關(guān)系，可對物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和濃 度進

9、行分析研究。Raman散射的產(chǎn)生：光電場e門.產(chǎn)下、：=*Ea分子極化率;-SWEIC HXfiildd jsIdCErunlc MUI叢盤.旳+曲 0 ARayleigh / Rama n Tran siti ons and SpectraHuiiun?E=h ?vE0=hv0 基態(tài) E1 振Rayleigh / Rama n Tra nsiti ons動激發(fā)態(tài)實線代表real states真實能級；虛線代表virtual states 虛能級Vibratio nal States 振動能級Grou nd State 基級 Fluoresce nee 熒光拉曼光譜的一個重要參數(shù)：（強度，頻率

10、）退偏振比r （去偏振度depolarization）由于激光是線偏振光，而大多數(shù)的有機分子是各向異性的，在 不同方向上的分子被入射光電場極化程度是不同的。在激光拉曼光譜中，完全自由取向的分子所散射的光也可能是偏振的，因此一般在拉曼光譜中用該參數(shù)P表征分子對稱性振動模式的高低。（注缺失）去偏振度與分子的極化度有關(guān)，通過測定拉曼譜線的去偏振度，可以確定分子的對稱性。拉曼光譜的特征（優(yōu)、缺、難）：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

11、在瑞利散射線兩側(cè)，這是由于在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。這是由于玻爾茲曼（Boltzmann ）分布，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)。d. 波長位移在中紅外區(qū)。有紅外及拉曼活性的分子，其紅外光譜和拉曼光譜近似?？墒褂酶鞣N溶劑，尤其是能測定水溶液，樣品處理簡單。低波數(shù)段測定容易（如金屬與氧、氮結(jié)合鍵的振動 nM-O, nM-N等）。而紅外光譜的遠紅外區(qū)不適用于水溶液，選擇窗口材料、檢測器困難。由Stokes、反Stokes線的強度比可以測定樣品體系的溫度。e. 顯微拉曼的空間分辨率很高，為1mm。時

12、間分辨測定可以跟蹤 10-12s量級的動態(tài)反應(yīng)過程。利用共振拉曼、表面增強拉曼可以提高測定靈敏度。f. 其不足之處在于，激光光源可能破壞樣品；熒光性樣品測定一般不適用，需改用近紅外激光激發(fā)等g. 對樣品無接觸，無損傷；樣品無需制備；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量；光譜成像快速、簡便，分辨率高；儀器穩(wěn)固，體積適中，維護成本 低，使用簡單。H.難點，拉曼散射信號弱（比熒光光譜平均小2 - 3數(shù)量級）。激光激發(fā)強。拉曼信號頻率離激光頻率很近。激光瑞利散射比拉曼信號強1010 - 1014，對拉曼信號干擾很大。拉曼光譜儀器的設(shè)計，必須能排除瑞利散射

13、光，并具有高靈敏度（體現(xiàn)在弱信號檢測的高信噪比），才能有效地收集拉曼譜。測定拉曼散射光譜時，一般選擇激發(fā)光的能量大于振動能級的能量但低于電子能級間的能量差，且遠離分析物的紫外-可見吸收峰。當(dāng)激發(fā)光與樣品分子作用時，樣品分子即被激發(fā)至能量較高的虛態(tài)（上圖中用虛線表示）。左邊的一組線代表分子與光作用后的能量變化，粗線岀現(xiàn)的幾率大，細線表示岀現(xiàn)的幾率 小，因為室溫下大多數(shù)分子處于基態(tài)的最低振動能級。中間一組線代表瑞利（Rayleigh）散射，光子與分子間發(fā)生彈性碰撞，碰撞時只是方向發(fā)生改變而未發(fā)生能量交換。右邊一組線代表拉曼散射，光子與分子碰撞 后發(fā)生了能量交換，光子將一部分能量傳遞給樣品分子或從樣

14、品分子獲得一部分能量，因而改變了光的頻率。能量變化所引起的散射光頻率變化稱為拉曼位移。由于室溫下基態(tài)的最低振動能級的分子數(shù)目最多，與光子作用后返回同一振動能級的分子也最多，所以上述散射出現(xiàn)的幾率大小順序為：瑞利散射Stokes線反Stokes線。隨溫度升高，反Stokes線的強度增加CCl 4 的拉曼光譜using an Ai+ laser at 488 nmRajieigh 31：釉|商 ingi=2W92ctn-Rayleigh / Rama n Tran siti ons and Spectra組成： A complete Raman spectrum consists of:一個完整的

15、拉曼光譜由: ? a Rayleigh scattered peak （high intensity 強度,same wavelength 波長 as excitation 激發(fā)，激動，反應(yīng) ）?瑞利散射峰（高強度，相同的波長作為激發(fā)激發(fā)，激動，反應(yīng)）斯托克斯移峰（低強度，長波長）a series of Stokes-shifted peaks (low intensity, longer wavelength)? a series of anti-Stokes shifted peaks (still lower intensity, shorter wavelength)一系列的反斯托克斯

16、移峰(仍然較低的強度，較短的波長)spectrum independent of excitation wavelength (488, 632.8, or 1064 nm)頻譜獨立的激發(fā)波長（488 , 632.8，或1064納米）MmDimffichimbinvljc Rdnyn ftequenctes diaries rn 伽財邙M Raman peak 翌曼蛇量足 pGlarizaban 曲 Raoian peak 幀width ofRaman peak !*WifeUty of 鼬幣;an pukICmpOSltKrftIifdf nWri 則I嗆幹in$血勵|勵I(lǐng) crystal

17、syfflnwfry and1i/ Dfientation/ cfualrty d crye taiy anuunt of materialWAta.g. NoS MoO胡.Si fOcnnsJirH ptrsfjln乩 g. orieirlMioiiafCVD fiamond grans氐基剔刪mt冊pl跟lie d?fbmialne.gi ihkiness o50 （長焦距），X 50 , X10物鏡。T64000型光譜儀的內(nèi)光路示意圖外觀圖尬海廿 hi-介電也.4空問片1琲d l-ir型m ”定也2. 傅立葉變換-拉曼光譜儀：（FT-Raman spectroscopy）光源：Nd-YA

18、G釔鋁石榴石激光器（1.064m ）;檢測器：高靈敏度的銦鎵砷探頭；特點：避免了熒光干擾；精度高；消除了瑞利譜線；測量速度快。3.Renishaw拉曼光譜儀（優(yōu)點）1. 高靈敏度:靈敏度遠高于其它同類拉曼譜儀，檢驗標準：硅三階峰（約在1440 cm-1 ）的信噪比仝10:1，檢測條件為：激光輸出功率20mW，波長514.5nm , 狹縫寬度50微米，曝光時間60秒，累加次數(shù)5次，binning （分級）為1或2，光柵為1800刻線。顯微 鏡頭為X50常規(guī)鏡頭。2高穩(wěn)定性、高重復(fù)性穩(wěn)定性、重復(fù)性標志一臺儀器的質(zhì)量，保證了數(shù)據(jù)的可靠性及重復(fù)性，是檢測光譜微小變化的關(guān)鍵性能，如材料的應(yīng)力、應(yīng)變引起的

19、波數(shù)位移。雷尼紹拉曼光譜儀的傳動部件使用了世界領(lǐng)先的RG2線形和圓形編碼器，克服了機械間隙。能夠給光譜儀帶來空間與光譜的高穩(wěn)定性，高重復(fù)性，高精度與高準確度3. 同步連續(xù)掃描專利技術(shù)（SynchroScan ）可一次性連續(xù)獲取任意寬波段范圍光譜（拉曼及發(fā)光光譜）無需人為接譜，無需使用低分辨率的光柵，且保證高分辨率，并可平均掉單探測點噪音及缺陷。應(yīng)用技術(shù)1、光柵連續(xù)轉(zhuǎn)動2、CCD電荷的移動與光柵的轉(zhuǎn)動同步。優(yōu)點：無需接譜；連續(xù)極端大范圍掃描（9000cm-1以上）；信號橫越 CCD的整個寬度，可將電荷漏電等噪聲平均掉，不會產(chǎn)生贗譜；避免了材料的熒光背景雖時間逐漸減弱（淬滅）產(chǎn)生明顯贗譜的問題。4

20、. 采用Leica顯微鏡高熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性目鏡：Leica原配，符合歐洲及北美等安全標準。好處是a.高分辨，大視野，可方便、準確地尋找微米級樣品：如礦物包裹體等，以及低反差樣品；b.可安全地觀察激光焦點，以確認激光焦點是否聚焦在微米顆粒上。同時配有攝像機：彩色，高分辨，可觀察激光焦點，不飽和，提供圖像采集卡及軟件，可在計算機上存儲白光照片，無需照相機。照明光源：Leica原配，確保質(zhì)量。5.數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術(shù) 受專利保護的最新的顯微共焦系統(tǒng)技術(shù)，無需調(diào)節(jié)針孔，并可連續(xù)調(diào)節(jié)共焦深度，大大提高了儀器的光通 量和穩(wěn)定性。6.16級激光功率縝密衰減（可從 100%至5x10-8%）采用激光

21、擴束器技術(shù)，可以連續(xù)改變激光焦點處光斑大?。?-250微米），進而可以連續(xù)改變作用于樣品上的功率密度注：激光功率過高或者激光功率密度過高，有的樣品可能被燒，也有的樣品雖然不會破壞，但在激光加熱下，會產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致拉曼峰的移動，影響了實驗結(jié)果的準確性。7. 自動化程度高激光光路：計算機控制、調(diào)節(jié)、存儲激光光路的位置。激光光路可自動準直。激光波長可自動切換部件：瑞利濾光片自動切換。光柵可自動切換。狹縫大小可自動調(diào)節(jié)功能：共焦與非共焦可自動切換。取譜模式與觀察樣品模式可自動切換。自動切換激光的16級衰減模式。8. 選擇了最佳成像質(zhì)量的 CCD芯片尺寸9. 可以選擇的儀器分辨率/靈敏度分辨率和靈敏度是

22、一對矛盾，分辨率提高的同時，靈敏度將會下降。分辨率和多種因素有關(guān)，不僅僅取決于焦長。在Renishaw的儀器上，用戶可根據(jù)所研究的樣品來選擇分辨率和靈敏度，既可選擇高分辨率， 也可選擇高靈敏度。10. 功能擴展能力強可與掃描電鏡（電子探針，能譜，陰極熒光）聯(lián)用?？膳c原子力顯微鏡/近場光學(xué)聯(lián)用?？膳c付立葉紅外光譜儀聯(lián)用。可與共聚焦掃描顯微鏡聯(lián)用。（四）減少拉曼光譜中的噪音的方法：是信號還是噪音取決于分子的對象和目的；增加重復(fù)光譜次數(shù)改善噪音比；用較長波長的激發(fā)光或測定開始前用激光對試樣照射一段時間減弱背景熒光；加化學(xué)試劑破壞熒光結(jié)構(gòu)。（五）拉曼儀器的發(fā)展:1. 顯微拉曼光譜儀：2. 共焦顯微拉曼

23、光譜儀：在樣品成像處放置一個光闌，提高軸向分辨率。3. 纖維光學(xué)拉曼光譜儀：不成像纖維光學(xué)探針，最簡單的形式是兩根緊靠在一起平行排列的光纖。其中一根纖維傳送激光, 在另一根纖維的芯部收集其接受角錐體內(nèi)的拉曼散射光，傳到儀器中;來自該區(qū)域的拉曼散射光則被聚焦到另聚焦纖維光學(xué)探針，將來自光線的激光聚焦于樣品的小區(qū)域,一根返回光纖傳回儀器檢測HS2.7 4農(nóng)的圧華掃袒卄”孌丸 rr僮養(yǎng)召時軽孟urfii 明茁加五拾（六）儀器使用注意事項: 具備暗室條件，無強振動源，無強電磁干擾，不可受陽光直射。光學(xué)器件表面有灰塵，不允許接觸擦拭，可用氣球小心吹掉。 實驗結(jié)束，先取岀試樣，關(guān)斷電源。注意激光器電源開關(guān)

24、順序正好相反。拉曼光譜紅外光譜光譜范圍40-4000Cm -1光譜范圍400-4000Cm -1水可作為溶劑水不能作為溶劑樣品可盛于玻璃瓶，毛細管等容器 中直接測定不能用玻璃容器測定固體樣品可直接測定需要研磨制成 KBR壓片苯benzene 的紅外與拉曼圖四、拉曼與紅外的區(qū)別:相同：激光拉曼光譜與紅外光譜一樣，都能提供分子振動頻率的信息，對于一個給定的化學(xué)鍵，其紅外吸 收頻率與拉曼位移相等，均代表第一振動能級的能量。不同：1、紅外光譜的入射光及檢測光都是紅外光，拉曼光譜的入射光及散射光大多是可見光。拉曼效應(yīng)為 散射過程，拉曼光譜為散射光譜，紅外光譜對應(yīng)的是與某一吸收頻率相等的（紅外）光子被分子

25、吸收，因 而紅外光譜是吸收光譜。2、機理不同：從分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化的角度來看，拉曼散射過程來源與分子的誘導(dǎo)偶極矩，與分子的極化率的變化相關(guān)。通常非極性分子及基團的振動導(dǎo)致分子變形，引起極化率的變化，是拉曼活性的。紅外吸收 過程與分子永久偶極矩的變化相關(guān)，一般極性分子及基團的振動引起永久偶極矩的變化，故通常是紅外活 性的。3、制樣技術(shù)不同：紅外光譜制樣復(fù)雜，拉曼光譜無需制樣，可直接測試水溶液。選律W s =c=s-c=sPDlanzation Ejects撮動口由度：3-4柑稱中右分子CO応等、選評不相容*無對隸申右分子（例如第,:種扳動既是紅外潔 性秦動.又是檢量帖性播動*聯(lián)系：1、相互排斥規(guī)則

26、：凡有對稱中心的分子，若有拉 曼活性，則紅外非活性。反之亦然。2、相互允許規(guī)則：凡無對稱中心的分子，大多數(shù) 分子紅外拉曼都有活性。3、相互禁止規(guī)則：少數(shù)的分子振動，二者都不是。如、乙烯分子的扭曲振動，在紅外和拉曼光譜中均觀察 不到該振動的譜帶。紅外活性振動：i永久偶極矩；極性基團；ii瞬間偶極矩；非對稱分子紅外活性振動一伴有偶極矩變化的振動可以產(chǎn)生紅外吸收譜帶.r伴拉曼活性振動：誘導(dǎo)偶極矩 =E；非極性基團，對稱分子；拉曼活性振動 隨有極化率變化的振動。對稱分子：對稱振動T拉曼活性。不對稱振動T紅外活性Polarization Effects 極化效應(yīng)Raman光譜選律是分子具有各向異性的極化

27、率：即分子中的電子在電場作用下沿鍵軸方向變形大于垂直于鍵軸方向的變形，則分子的誘導(dǎo)偶極矩要發(fā)生變化.五、拉曼光譜學(xué)的優(yōu)勢：Here are some reasons why someone would prefer to use Raman Spectroscopy.以下是為什么有人會喜歡使用拉曼光譜的一些原因。? Non-destructive to samples （minimal sample prep）對樣品的非破壞性（最小樣本準備）? Higher temperature studies possible （dont care about IR radiation）盡可能更高的溫度研

28、究（不關(guān)心紅外輻射）? Easily examine low wavenumber region: 100 cm-1 readily achieved.輕松檢查低波數(shù)區(qū)：100 cm -1 的容易實現(xiàn)。? Better microscopy; using visible light so can focus more tightly.更好的顯微鏡；使用可見光，所以可以更緊密地聚焦。? Easy sample prep: water is an excellent solvent for Raman. Can probe sample through transparentcontainers

29、（glass or plastic bag）.容易的樣品制備.水是一種很好的拉曼光譜.通過透明容器（玻璃或塑料袋）可探測樣品。（一）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

30、究。在化學(xué) 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。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。(二) 拉曼光譜用于分析的不足(1) 拉曼散射面積(2) 不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響(3) 熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾(4) 在進行傅立

31、葉變換光譜分析時，常岀現(xiàn)曲線的非線性的問題(5) 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。六、拉曼光譜的應(yīng)用：(一) 拉曼光譜與有機結(jié)構(gòu)： 由拉曼光譜可以獲得有機化合物的各種結(jié)構(gòu)信息：1） 同種分子的非極性鍵 S-S , C=C , N=N , CC產(chǎn)生強拉曼譜帶，m 雙鍵三犍譜帶強度増加2）紅外光譜中，由C N , C=S , S-H伸縮振動產(chǎn)生的譜帶一般較弱或強度可變，而在拉曼光譜中則是強譜帶。3）環(huán)狀化合物的對稱呼吸振動常常是最強的拉曼譜帶。4）在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，0=C=0-這類鍵的對稱伸縮振動

32、是強譜帶，反這類鍵的對稱伸縮振 動是弱譜帶。紅外光譜與此相反。5）C-C伸縮振動在拉曼光譜中是強譜帶。6） 醇和烷烴的拉曼光譜是相似的：I. C-O鍵與C-C鍵的力常數(shù)或鍵的強度沒有很大差別。II.羥基和甲基的質(zhì)量僅相差2單位。III.與C-H和N-H譜帶比較，0-H拉曼譜帶較弱丿mrra7B7L .jJL _HIM-14 im l9迥11亠7曲bedIfrJ*rtr-200EFiOEDx薛saw（二）用通常的拉曼光譜可以進行半導(dǎo)體、陶瓷等無機材料的分析。ffij：:. nit as 陣的犯書 Jtlil如剩余應(yīng)力分析、晶體結(jié)構(gòu)解析等。拉曼光譜還是合成高分 子、生物大分子分析的重要手段。如分子

33、取向、蛋白質(zhì)的巰基、 卟啉環(huán)等的分析。直鏈 CH2碳原子的折疊振動頻率可由下式確 定：n=2400/Nc（cm-1）。Nc 為碳原。由圖可知，材料不同，拉曼光譜不同。（三）領(lǐng)域：1. 石油領(lǐng)域：檢測石油產(chǎn)品質(zhì)量、定性分析石油產(chǎn)品組成或種類2. 食品領(lǐng)域；用于食品成分的“證實”，以及摻雜物的“證偽”3. 農(nóng)牧領(lǐng)域：農(nóng)牧產(chǎn)品的分類及鑒定4. 化學(xué)、高分子、制藥及醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域 ：過程控制；質(zhì)量控制、成分鑒定、藥物鑒別、疾病診斷5. 刑偵及珠寶行業(yè)：毒品檢測；珠寶鑒定6. 環(huán)境保護：環(huán)保部門水質(zhì)污染監(jiān)測、表面污染檢測和其他有機污染物7. 物理領(lǐng)域；光學(xué)器件和半導(dǎo)體元件研究8. 鑒定：古物古玩鑒定、公安

34、刑事鑒定等其他領(lǐng)域。9. 地質(zhì)領(lǐng)域；現(xiàn)場探礦、礦石成分的定量定性分析和包裹體的研究等。七、拉曼信號的選擇入射激光的功率，樣品池厚度和光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)也對拉曼信號強度有很大的影響，故多選用能產(chǎn)生較強拉曼信號并且其拉曼峰不與待測拉曼峰重疊的基質(zhì)或外加物質(zhì)的分子作內(nèi)標加以校正。其內(nèi)標的選擇原則和定量分析方法與其他光譜分析方法基本相同。斯托克斯線能量減少，波長變長；反斯托克斯線能量增加，波長變短八、發(fā)展前景：（一）激光技術(shù)（二）納米科技九、相關(guān)技術(shù)：（一）高溫法高溫激光拉曼技術(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行，必須對常

35、規(guī)拉曼儀進行技術(shù)改造。(二) 共振法 RRS(Resonance Raman Scattering)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，并觀察到正常拉曼效應(yīng)中難以岀現(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，共振拉曼光譜靈敏度高，結(jié)合表面增強 技術(shù)，靈敏度已達到單分子檢測。以分析物的紫外-可見吸收光譜峰的鄰近處作為激發(fā)波長。樣品分子吸光后躍遷至高電子能級并立即回到基態(tài)的某一振動能級，產(chǎn)生共振拉曼散射。該過程很短，約為10-14秒。而熒光發(fā)射是分子吸光后先發(fā)生

36、振動松弛，回到第一電子激發(fā)態(tài)的第一振動能級，返回基態(tài)時的發(fā)光。熒光壽命一般為10-6-10-8秒。共振拉曼強度比普通的拉曼光譜法強度可提高102-106倍，檢測限可達10-8摩爾/升,而一般的拉曼光譜法只能用于測定0.1摩爾/升以上濃度的樣品。因此 RRS法用于高靈敏度測定以及狀態(tài)解析等，如低濃度生物大分子的水溶液測定。共振拉曼的主要不足是熒光干擾。例如用共振拉曼確定血紅蛋白和細胞色素c中Fe的氧化態(tài)和Fe原子的自旋狀況。此時共振拉曼僅取決于四個吡咯環(huán)的振動方式，與蛋白質(zhì)有關(guān)的其 它拉曼峰并不增強，在極低濃度時并不干擾。(三) 共焦顯微法顯微拉曼光譜技術(shù)是將拉曼光譜分析技術(shù)與顯微分析技術(shù)結(jié)合起

37、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(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，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(xué)等領(lǐng)域 有著廣泛的應(yīng)用。(四) 傅立葉變換法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 R)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FrRaman在化學(xué)、生物學(xué)和比，并用106

38、4mm的近紅外激光照射樣品，大大減弱了熒光背景。從此, 生物醫(yī)學(xué)樣品的非破壞性結(jié)構(gòu)分析方面顯示岀了巨大的生命力。（五）光纖法光纖的引入，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10m長、100叩 直徑的光纖，激光波長為514. 5nm，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(dǎo)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1550nm光纖激光

39、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)。（六）固體光聲法光聲拉曼技術(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(xué)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10 -6cm- 1的拉曼系數(shù)）、高分辨率和基本上沒有光學(xué)背

40、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)岀對稱性，因而,情況要復(fù)雜得多，運用平行模型和熱彈性理論導(dǎo)岀固體介質(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。（七）聯(lián)用法(Raman 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

41、曼與掃描電鏡聯(lián)用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。(八) 表面增強法SERS(Surface-Enhanced Raman Scattering)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(SER

42、S) o 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。表面增強拉曼是用通常的拉曼光譜法測定吸附在膠質(zhì)金屬顆粒如銀、金或銅表面的樣品，或吸附在這些金屬片的粗糙表面上的樣品。盡管原因尚不明朗，人們發(fā)現(xiàn)被吸附的樣品其拉曼光譜的強度可提高 103-106倍。如果將表面增強拉曼與共振拉曼結(jié)合，光譜強度的凈增加幾乎是兩種方法增強的和。檢測限可 低至10-9-10-12摩爾/升。表面增強拉曼主要用于吸附物種的狀態(tài)解析等。一般物質(zhì)分子的拉曼光譜很微弱，為了獲得增強的信號，可采用電極表面粗化的辦法，可以得到強 度高104-107倍的表面增強拉曼散射 (Surface Enhanc

43、ed Raman Scattering, SERS) 光譜，當(dāng)具有共振拉曼 效應(yīng)的分子吸附在粗化的電極表面時，得到的是表面增強共振拉曼散射(SERRS)光譜，其強度又能增強102-103 o(注：)增強拉曼的技術(shù) 表面增強拉曼光譜技術(shù)(SERS ):當(dāng)物質(zhì)分子吸附在一些特定的金屬表面時，分子拉曼散射強度大大提 升o特點：具有很強的增強因子。在金銀銅表面的增強達到 104-107倍 有金屬選擇性。金銀銅，鋰鈉鉀，鐵鉆鎳。要求金屬表面有一定的粗糙程度。共振增強拉曼光譜技術(shù)（RRS ）:當(dāng)激發(fā)光波長與分子的電子躍遷 波長相等時將發(fā)生共振拉曼散射。高岀約106倍。利用紫外共振 拉曼光譜術(shù)在蛋白質(zhì)、核酸、DNA和絲狀病毒粒子的研究已取得顯著成果。針尖拉曼增強技術(shù)（TERS ）:當(dāng)入射光以適當(dāng)?shù)牟ㄩL和偏振照射在納米尺度的尖銳金屬探針尖端時，針 尖附近幾納米到十幾納米范圍會產(chǎn)生強烈的局域電磁場增強，此時的金屬針尖可以看做具有極高功率密度 的納米光源，激發(fā)探針下方樣品的拉曼信號，成為針尖增強拉曼光譜十、技術(shù)分析編輯1