RAMAN拉曼實(shí)驗(yàn)講義報(bào)告課件

1、激光共焦顯微拉曼光譜儀NJUST教學(xué)要求1、掌握RAMAN光譜儀的基本原理和結(jié)構(gòu)2、了解RAMAN光譜儀的適用范圍及一般應(yīng)用3、通過(guò)對(duì)樣品的測(cè)試掌握 LabSpec5 軟件的 操作過(guò)程，學(xué)會(huì)譜圖解析的一般方法拉曼光譜概述拉曼效應(yīng)1928 年，印度科學(xué)家C.V Raman首先在CCl4光譜中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)光與分子相互作用后，一部分光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變(顏色發(fā)生變化)，通過(guò)對(duì)這些顏色發(fā)生變化的散射光的研究，可以得到分子結(jié)構(gòu)的信息，把這種效應(yīng)命名為Raman效應(yīng)。為此拉曼獲得1930年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從拉曼光譜的研究可以得到有關(guān)分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的信息。拉曼光譜原理 紅外光譜的產(chǎn)生伴隨著分子偶極矩的變化，而

2、拉曼散射則伴隨著分子極化率的改變，這種極化率的改變是通過(guò)分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)（例如轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)等）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一定頻率的激發(fā)光照射一分子時(shí)，一部分散射光的頻率與入射光的頻率相同，這種散射是分子對(duì)光子的一種彈性散射，其碰撞為彈性碰撞，沒(méi)有能量交換，稱為瑞利散射，是由英國(guó)物理學(xué)家瑞利提出而得名。 還有一部分散射光的頻率和激發(fā)光的頻率不等，這種散射稱為拉曼散射。彈性散射：在散射過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生能量變化的散射非彈性散射：在散射過(guò)程中發(fā)生能量變化的散射散射光的頻率分布拉曼光譜原理從能級(jí)的角度來(lái)講拉曼散射，是分子先吸收了光子的能量,從基態(tài)躍遷到虛態(tài),到了虛態(tài)之后，由于處于高能級(jí)，它從虛態(tài)返回到第一振動(dòng)能級(jí)，釋放能量

3、,這樣放出的光子的能量小于入射光子的能量，這就是拉曼散射的一種，也就是處于斯托克斯散射。當(dāng)從第一振動(dòng)能級(jí)躍遷到虛態(tài)，然后從虛態(tài)返回到基態(tài)，這樣放出的能量就大于入射光的能量，這就是處于反斯托克斯區(qū)，也是拉曼散射的一種。能量不變的就是瑞利散射。能級(jí)示意圖E1E0E1E0瑞利散射拉曼散射虛態(tài)通過(guò)非彈性散射光子與入射光子能量的差別，我們可以得到分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的信息。例如:苯環(huán)振動(dòng)模式在拉曼譜圖的歸屬：拉曼光譜圖給出的信息定性的信息：拉曼光譜是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的指紋光譜定量的信息：可以通過(guò)光譜校正，得到準(zhǔn)確的 應(yīng)力大小和濃度分布譜帶位置：化學(xué)組成, 結(jié)構(gòu),構(gòu)象,形態(tài)頻率位移：應(yīng)力 ，溫度 半 高 寬： 結(jié)晶

4、度 強(qiáng) 度： 濃度或物質(zhì)的量拉曼光譜和紅外光譜的比較拉曼光譜和紅外光譜均屬于分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，在許多情況下，拉曼頻率位移的程度正好相當(dāng)于紅外吸收頻率。因此紅外測(cè)量能夠得到的信息同樣也出現(xiàn)在拉曼光譜中，紅外光譜解析中的定性三要素（峰位，峰強(qiáng)和峰形）對(duì)拉曼解析也是適用。但由于這兩種光譜的分析機(jī)理不同，在提供信息上也是有差異的，通常分子的對(duì)稱性愈高，紅外與拉曼光譜的區(qū)別就愈大，非極性官能團(tuán)的拉曼散射譜帶較為強(qiáng)烈，極性官能團(tuán)的紅外譜帶較為強(qiáng)烈，例如在許多情況下，C=C伸縮振動(dòng)的拉曼譜帶比相應(yīng)的紅外譜帶較為強(qiáng)烈，而C=O的伸縮振動(dòng)的紅外譜帶比相應(yīng)的拉曼譜帶更為顯著。拉曼光譜的特點(diǎn) 拉曼光譜作為紅外光譜

5、的補(bǔ)充技術(shù)，還具有自身的優(yōu)點(diǎn)：1.制樣簡(jiǎn)單，氣體樣品可采用多路反射氣槽測(cè)定。液體樣品可裝入毛細(xì)管中測(cè)定，不揮發(fā)的液體可直接用玻璃瓶裝盛測(cè)量，固體粉末可直接放在載波片上測(cè)試。2.由于激光束的直徑較小，且可進(jìn)一步對(duì)焦，因而微量樣品也可測(cè)量。拉曼光譜的特點(diǎn)3.水是極性很強(qiáng)的分子，紅外吸收非常強(qiáng)烈。但水的拉曼散射卻很微弱，因而這對(duì)生物大分子的研究非常有利，此外玻璃的拉曼散射也較弱，因而玻璃可以用做窗口材料4.對(duì)于聚合物及其分子，拉曼散射的選擇定律的限制較小，因而可以得到豐富的譜帶。5.拉曼光譜的頻率不受單色光源頻率的限制，可根據(jù)樣品的不同性質(zhì)而選擇，比如對(duì)于熒光強(qiáng)的物質(zhì)可以選擇長(zhǎng)波長(zhǎng)或短波長(zhǎng)的激發(fā)光。

6、拉曼光譜的優(yōu)勢(shì)信息分子層面對(duì)結(jié)構(gòu)和環(huán)境敏感樣品各種性狀無(wú)需特殊處理含水樣品玻璃樣品池方法無(wú)損， 非破壞性特異性微量和宏觀實(shí)時(shí)檢測(cè)活體檢測(cè)拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用1、化學(xué)物質(zhì) 認(rèn)定、分析、和特性測(cè)量有機(jī)物、無(wú)機(jī)物，包括溶劑、汽油化工產(chǎn)品、碳物質(zhì)、薄膜。2、化學(xué)過(guò)程 跟蹤高分子配方和聚合過(guò)程，實(shí)時(shí)測(cè)量（包括定量測(cè)量）混合物（包括溶劑混合物及水溶液）。 各組成成分的含量，檢查有機(jī)污染物，跟蹤化學(xué)反應(yīng)的中間和末端產(chǎn)物，預(yù)測(cè)聚合物的型態(tài)特征。3、高分子聚合物和塑料 質(zhì)量控制進(jìn)廠和出廠產(chǎn)品，認(rèn)定生產(chǎn)過(guò)程中的污染物質(zhì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聚合反應(yīng)過(guò)程，預(yù)測(cè)雙折射、晶狀性、結(jié)晶溫度等物理特性。拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用4、藥物 認(rèn)定和

7、分析藥物成分、關(guān)鍵添加劑、填充劑、毒品對(duì)藥物的純度和質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量控制。5、刑偵 檢測(cè)易燃易爆物，毒品藥品，生物武器試劑，墨水及文件。6、生物和醫(yī)學(xué) 測(cè)量血液和血清中總蛋白質(zhì)及生物溶質(zhì)含量，決定新陳代謝產(chǎn)物的濃度，測(cè)量血液和組織的含氧量，在分子水平上對(duì)癌癥（如子宮癌、肺癌等）和心血管疾?。ㄈ鐒?dòng)脈硬化）進(jìn)行診斷。拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用 7、食品 測(cè)量食物油中脂肪酸的不飽和度，檢測(cè)食品中的污染物如細(xì)菌，認(rèn)定營(yíng)養(yǎng)品和果品飲料中的添加藥物。8、珠寶 鑒定和分析真假寶石（如鉆石，石英，紅寶石，綠寶石等）以及對(duì)珍珠、玉石及其他珠寶產(chǎn)品進(jìn)行分類。9、材料 鐵(介)電體，磁性材料，半導(dǎo)體，地質(zhì)，考古，環(huán)境等。拉曼光

8、譜應(yīng)用領(lǐng)域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； 10、考古；11、薄膜；12、法庭科學(xué)：違禁藥品的檢查/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。本實(shí)驗(yàn)室激光共焦顯微拉曼光譜儀生產(chǎn)公司：HORIBA JOBIN YVON型 號(hào)：Aramis拉曼光譜測(cè)量原理圖拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)圖儀器主要元件的性能與作用光 源：發(fā)射激光光源，有 325nm，532nm，785nm 可供選擇。外 光 路：聚光、集光、濾光、樣品架、偏振。 抑制瑞利散射，高效透過(guò)拉曼信號(hào)。色散系統(tǒng)：是

9、拉曼光譜儀的核心部分， 其作用是將拉曼散射光按頻率在空間分開。接收系統(tǒng)：拉曼散射信號(hào)可以通過(guò)單通道和多通道兩種方式接收。 目前以電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device）為代表的多通道探測(cè)器被廣泛應(yīng)用于拉曼光譜儀。信息處理與顯示系統(tǒng)： 微弱信號(hào)的處理方法包括相干信號(hào)的鎖相處理，重復(fù)信號(hào) 時(shí)域平均處理，離散信號(hào)的統(tǒng)計(jì)處理以及計(jì)算機(jī)處理。目前 主要通用的是采用后兩種方法相結(jié)合，最后通過(guò)記錄儀或者 計(jì)算機(jī)接口軟件輸出圖譜。元件的選擇激發(fā)波長(zhǎng)的選擇：244nm325nm473nm488nm514nm532nm633nm785nm。1 避開熒光干擾2 確定信息來(lái)源-拉曼或

10、熒光3 不同深度信息研究4 避開黑體輻射5 共振拉曼元件的選擇-濾光片1. 干涉濾光片：濾除等離子線2. 瑞利濾光片： Notch濾光片： 有機(jī)材料鍍膜 、壽命、 一般-年換一套 ?？梢宰鏊雇锌怂购?反斯托克斯 Edge濾光片 ： 介電材料制作 、壽命長(zhǎng)。 只能測(cè)量斯托克斯拉曼信號(hào)元件的選擇-衰減片衰減激光功率，避免高強(qiáng)度激光輻射損壞樣品Aramis/HR XploRA 功率 - - 1 D0.3 50% 1/2 D0.6 25% 1/4 D1 10% 1/10 D2 1% 1/100 D3 0.1% 1/1000 D4 X 1/10000元件的選擇-物鏡不同工作范圍選擇不同的物鏡：UV,VIS,NIR物鏡的三個(gè)參數(shù)：放大倍數(shù) ，數(shù)值孔徑，工作距離小結(jié)：未知樣品測(cè)試流程樣品液體固體膠狀石英小碗載玻片毛細(xì)管液