激光拉曼光譜儀

1、激光拉曼光譜儀報告人：張智宇組員：陳宇 謝文靜 張文豪激光拉曼光譜儀1、拉曼光譜簡介2、激光拉曼光譜儀工作原理4、激光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)3、激光拉曼光譜儀激光光源1、發(fā)展歷史20世紀(jì)40年代，紅外吸收光譜術(shù)迅速發(fā)展普及，拉曼光譜術(shù)一度成為受到限制的特殊技術(shù)；20世紀(jì)60年代，PMT記錄光譜、激光光源的引入，促使了拉曼光譜術(shù)的應(yīng)用；激光拉曼光譜儀拉曼光譜簡介 拉曼光譜是印度科學(xué)家C.V拉曼于1928年發(fā)現(xiàn)并命名的。當(dāng)能量為hv0的光照射到樣品分子上時，光子同分子碰撞會產(chǎn)生光散射光散射效應(yīng)效應(yīng)，稱為拉曼效應(yīng)拉曼效應(yīng)。 其中大多數(shù)散射光頻率不發(fā)生變化，能量仍為hv0 ，屬于光子和分子之間的彈性碰撞彈

2、性碰撞，稱為瑞利散射瑞利散射。另外一種類型的碰撞是非彈性碰撞非彈性碰撞。光子從分子獲得能量或丟失能量變?yōu)閔(0+)或h(0-)，此時能量的得失(h)對應(yīng)分子振動能量。入射光(h0)的位移值由分子結(jié)構(gòu)的振動能級所決定，而與入射光的頻率無關(guān)，因此具有“分子指紋效分子指紋效應(yīng)應(yīng)”。激光拉曼光譜儀拉曼光譜簡介通過測量拉曼位移即可測量分子的振動光譜，進而確定分子類型與含量，這樣的光譜稱為拉曼光譜。其中，能量為h(0)的譜線，稱為斯托克斯斯托克斯線線(Stokes線)，而能量h(0v)稱為反斯托克斯反斯托克斯線線(反Stokes線)，如圖所示。激光拉曼光譜儀1、拉曼光譜簡介2、激光拉曼光譜儀工作原理4、激

3、光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)3、激光拉曼光譜儀激光光源激光拉曼光譜儀工作原理通常將拉曼光譜強度相對波長的函數(shù)強度相對波長的函數(shù)圖稱為拉拉曼光譜圖曼光譜圖，拉曼光譜 軸的常用單位是相對激光波長偏移的波數(shù)，或稱為拉曼頻移拉曼頻移。若波長以厘米為計量單位，波數(shù)就是波長的倒數(shù)，也就是每厘米波的數(shù)目。激光拉曼光譜儀工作原理每種物質(zhì)都有不同的拉曼頻移，且許多物質(zhì)的拉曼平移都有準(zhǔn)確的界定。此外拉曼光譜各拉曼峰的高度高度、寬度寬度、面積面積、位置（頻移）位置（頻移）和形形狀狀都攜帶了物質(zhì)的特征。通過拉曼光譜的頻移可以確定物質(zhì)的組組成成，由峰位變化可以確定分子應(yīng)分子應(yīng)力力、由峰寬來確定晶體質(zhì)量晶體質(zhì)量、由峰強度確定物質(zhì)

4、總量物質(zhì)總量等。激光拉曼光譜儀工作原理激光拉曼光譜分析方法的特性的三個優(yōu)點：1、對樣品無接觸、無損傷，樣品不需要制備；2、快速分析鑒別各種材料的特性與結(jié)構(gòu)；3、能適合黑色和含水樣品，可在高、低溫及高壓條件下準(zhǔn)確測量。激光拉曼光譜儀工作原理儀器原理：組成：激光拉曼光譜儀一般由激光光源、外光路、樣品池、色散系統(tǒng)、信號處理及輸出系統(tǒng)部分構(gòu)成。激光光源發(fā)射一種安全的低功率單波激光到氣體物質(zhì)，光子與分子發(fā)生碰撞后產(chǎn)生拉曼散射光譜，單色器只允許規(guī)定頻率的光通過，拉曼散射光譜經(jīng)過棱鏡、光柵色散系統(tǒng)分離，經(jīng)過單色器進行篩選后進入檢測器，由光電傳感器組成的檢測器將吸收和檢測到的不同分子的特定拉曼光譜信息轉(zhuǎn)換成電

5、信號激光拉曼光譜儀工作原理儀器分類：分光原理：可以分為色散型（光柵光譜系統(tǒng)）和干涉型（傅里葉變換系統(tǒng)），干涉型激光拉曼儀也稱FT拉曼光譜儀，大量采用光纖技術(shù)；激光光源：大致可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器等。激光拉曼光譜儀1、拉曼光譜簡介2、激光拉曼光譜儀工作原理4、激光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)3、激光拉曼光譜儀激光光源激光拉曼光譜儀激光光源激光光源激光光源氣體激光器氣體激光器氬離子激光器氬離子激光器He-Ne激光器激光器CO2激光器激光器準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器固體激光器固體激光器紅寶石激光器紅寶石激光器Nd:YAG激光器激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器液體激光器液體激光器染料

6、激光器染料激光器其他激光器其他激光器自由電子激光器自由電子激光器自旋反轉(zhuǎn)拉曼激光器自旋反轉(zhuǎn)拉曼激光器色心（色心（F心）激光器心）激光器激光拉曼光譜儀激光光源氣體激光器：氬離子激光器氬離子激光器具有較高的輸出功率，波長穩(wěn)定、線寬狹窄，而且環(huán)境溫度和光學(xué)系統(tǒng)調(diào)校對其工作波長的影響不大。氬離子激光器屬于多譜線輸出，其主要輸出波長為488nm與514.5nm。氦氖激光器氦氖激光器制造工藝成熟、連續(xù)使用壽命長，但輸出功率較低，其輸出波長為632.8nm。CO2激光器激光器屬于分子氣體激光器，有一定的調(diào)諧范圍，輸出波長介于9.110.7nm。準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器輸出功率高，并且相應(yīng)的激光范圍很寬，多用

7、于紫外波段。激光拉曼光譜儀激光光源固體激光器：輸出功率高、體積小且很堅固輸出為1064nm紅外光的Nd:YAG激光器常用于傅立葉變換拉曼光譜儀中半導(dǎo)體激光器：效率最高且體積最小的一種，輸出波長范圍有375nm、405nm、635nm和780980nm等。液體激光器采用液體染料作泵浦介質(zhì)，一般在某個波長范圍輸出波長可調(diào)的激光，常用于共振拉曼光譜儀。激光拉曼光譜儀激光光源其他激光器：自由電子激光器自由電子激光器可在一個寬的頻率范圍（微波至真空紫外）輸出平均功率為幾kW的相干共線激光。自旋反轉(zhuǎn)拉曼激光器自旋反轉(zhuǎn)拉曼激光器采用處于低溫和磁場下具有自旋反轉(zhuǎn)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料作基質(zhì)。色心激光器色心激光器基質(zhì)

8、材料為堿鹵晶體，通過俘獲電子的空位畸變產(chǎn)生弛豫，導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生激光。激光拉曼光譜儀激光光源激光器的選取：1、光譜儀的應(yīng)用場合，能否提供水冷設(shè)備，能否提供高功率電力設(shè)備等。2、光譜儀的體積，是否需要小型化的設(shè)計。3、由激光引起的熒光造成的背景噪聲，4、接收器如CCD的光譜響應(yīng)情況。中間一組線表示瑞利散射，兩側(cè)的兩組線分別表示拉曼散射，最右側(cè)的一組線表示熒光輻射。激光拉曼光譜儀激光光源拉曼散射的產(chǎn)生過程往往伴隨熒光輻射的產(chǎn)生，產(chǎn)生的熒光背景強度與入射光頻率即物質(zhì)分子的選擇性吸收有關(guān)。熒光光譜一般從外觀上要比拉曼峰寬很多，看起來就像拉曼光譜緩慢變化的基線。圖中兩條曲線分別為汽油檢材在532n

9、m與1064nm光激發(fā)下的拉曼信號。激光拉曼光譜儀1、拉曼光譜簡介2、激光拉曼光譜儀工作原理4、激光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)3、激光拉曼光譜儀激光光源激光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)外光路：外光路由濾光片，樣品光路組成，其中樣品光路包括入射光聚光，樣品架和散射光收集三部分。激光照射樣品后，產(chǎn)生瑞利散射和拉曼散射，其中拉曼散射很微弱，大約為瑞利散射的千分之一，瑞利散射可能將拉曼散射淹沒，在獲取拉曼散射數(shù)據(jù)之前，必須有效濾除瑞利散射，因此必須選取合適的濾光片激光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)外光路：外光路由濾光片，樣品光路組成，其中樣品光路包括入射光聚光，樣品架和散射光收集三部分。激光照射樣品后，產(chǎn)生瑞利散射和拉曼散射，其中

10、拉曼散射很微弱，大約為瑞利散射的千分之一，瑞利散射可能將拉曼散射淹沒，在獲取拉曼散射數(shù)據(jù)之前，必須有效濾除瑞利散射，因此必須選取合適的濾光片，全息帶阻濾光片是一種很好的選擇。激光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)入射光聚焦：增強入射光在樣品上的輻照功率密度和亮度。用兩個柱面透鏡進行光束聚焦，可以使會聚光在樣品上的光斑呈矩形，與入射狹縫的形狀匹配，使散射光幾乎能全部進入分光光路，因此，對于提高聚光效率又減少雜散光干擾時很有效的。激光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)樣品架：樣品架除了要能正確和穩(wěn)定地放置樣品外，還應(yīng)保證經(jīng)過聚光的入射光有最大激發(fā)效率和最小雜散光干擾，特別應(yīng)避免造成入射光通過入射狹縫直接進入分光光路。激光由透鏡

11、L1 準(zhǔn)確地聚焦在樣品池的樣品上，樣品所發(fā)出的拉曼散射光再經(jīng) L2，準(zhǔn)確地成像在入射狹縫上。反射鏡 M1,M2 的作用是將透過樣品的激光束和樣品所發(fā)出的拉曼散射光反射回來再次通過樣品，以增強激光對樣品的激發(fā)效率，提高拉曼散射光的強度。激光拉曼光譜儀光學(xué)系統(tǒng)分光光路：分光光路的結(jié)構(gòu)由許多種，可以分為對稱式切爾尼特納（Czerny-Turner）和非對稱式 C-T 兩種結(jié)構(gòu)。其中非對稱式具有體積小，雜散光少，方便裝調(diào)等優(yōu)點。4.激光拉曼光譜的應(yīng)用17（一）激光（一）激光Raman光譜在有機化學(xué)方面的應(yīng)用光譜在有機化學(xué)方面的應(yīng)用 對于某些有機化合物的基團，它的特征峰在紅外光譜圖中非常微弱，單一地用紅

12、外光譜圖來分析的話，無法確定該有機化合物的基團。但相反，該基團可能在拉曼光譜圖上卻呈現(xiàn)出銳利的強峰。所以可用Raman光譜與紅外光譜結(jié)合來分析和表征有機化合物。（二）激光（二）激光Raman光譜在生物大分子方面的應(yīng)用光譜在生物大分子方面的應(yīng)用 生物大分子的正常結(jié)構(gòu)是維系生物體正常生命活動的關(guān)鍵，拉曼效應(yīng)應(yīng)包含分子中原子所處的位置、電子的分布以及分子內(nèi)作用力的相互影響，它被公認為研究分子結(jié)構(gòu)和功能的有效方法之一。 特別是激光Raman光譜靈敏度高、所需樣品濃度低（10-3mol/L-10-5mol/L）、反映結(jié)構(gòu)信息量大等特點，可以針對復(fù)雜分子的不同色團選擇性地激發(fā)，而相互間不受影響，尤其適用于

13、生理水溶液狀態(tài)，因此受到廣泛關(guān)注。生物大分子的振動頻率非常復(fù)雜，振動頻率與分子中固定的分子群體的幾何排布和鍵的配置有密切的關(guān)系，而這種排布和配置也反映著分子間的相互作用，生物分子的這些特性影響著他們的譜線。所以，通過生物分子的拉曼譜我們就可以找出相應(yīng)的振動頻率，從而可以知道分子的結(jié)構(gòu)，還可以通過譜的變化來了解分子結(jié)構(gòu)的變化，因此拉曼光譜非常適合研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及變化。4.激光拉曼光譜的應(yīng)用18（三）激光（三）激光Raman光譜在納米材料上的應(yīng)用光譜在納米材料上的應(yīng)用 納米材料廣義上是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。從80年代末納米科技誕生以來,納米材

14、料始終是納米科技的一個重要研究領(lǐng)域。 納米材料的特殊性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系,搞清納米材料的微結(jié)構(gòu)對了解納米材料的特性及其應(yīng)用十分重要。因此,對納米材料的結(jié)構(gòu)和性能表征是納米科技最重要的研究課題之一。 拉曼光譜是分子對可見單色光的散射所產(chǎn)生的光譜。它可以作為一種研究晶體或物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的重要方法,特別是對于研究低維納米材料,它已經(jīng)成為首選方法之一。 拉曼光譜具有靈敏度高、不破壞樣品、方便快速等優(yōu)點。拉曼光譜產(chǎn)生的條件是某一簡諧振動對應(yīng)于分子的感生極化率變化不為零。拉曼頻移與物質(zhì)分子的轉(zhuǎn)動和振動能級有關(guān),不同物質(zhì)有不同的振動和轉(zhuǎn)動能級,可以產(chǎn)生不同的拉曼頻移。 所以，利用拉曼光譜可以對納米材

15、料進行分子結(jié)構(gòu)分析、鍵態(tài)特征分析、結(jié)構(gòu)相變和定性鑒定等。4.激光拉曼光譜的應(yīng)用19（四）（四）Raman光譜在催化研究中的應(yīng)用光譜在催化研究中的應(yīng)用 催化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展與催化研究方法的發(fā)展是密不可分的。特別是在催化新材料和新反應(yīng)的不斷探索過程中，催化新表征技術(shù)起著很重要的作用。拉曼光譜是一項重要的現(xiàn)代分子光譜技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理和生物科學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，是研究物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的有力工具。70年代起拉曼光譜被應(yīng)用于催化領(lǐng)域的研究，在擔(dān)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。 拉曼光譜之所以在催化應(yīng)用中發(fā)展迅速，有如下幾個方面的原因：（1）拉曼光譜能夠提供催化劑本身以及表面上物種的結(jié)構(gòu)信息，這是認識催化劑和催化反應(yīng)最為重要的信息；（2）拉曼光譜較容易實現(xiàn)原位條件下（高溫、高壓，復(fù)雜體系）的催化研究；（3）拉曼光譜可以用于催化劑制備的研究，特別是可以對催化劑制備過程從水相到固相的實時研究，這是許多其它光譜技術(shù)難以進行的；（4）近年來隨著探測器靈敏度的大幅度提高和光譜儀的改進，拉曼光譜儀的信噪比大大提高。4.激光拉曼光譜的應(yīng)用20（五）激光