固體物理實(shí)驗(yàn)紅外與拉曼課件

紅外和Raman光譜學(xué)第一章：紅外和Raman光譜介紹什么是紅外光譜？什么是Raman光譜紅外譜儀和Raman譜儀紅外光譜和Raman光譜方法的特點(diǎn)紅外光譜和Raman光譜研究的基本問題FYangetal.Nature510,522-524(2014)doi:10.1038/nature13434CharacterizationsofSWNTsgrownat1,030°C.紅外和Raman光譜舉例FYangetal.Nature510,522-524(2014)doi:10.1038/nature13434CharacterizationsofSWNTsnucleatedoncatalystnanoparticles.Science,346,1352(2014)Fig.4Variousultrasmoothmetallicandmetal-graphenenanostructuresmadebyLSIwithenhancedelectromagneticandopticalproperties.HuangGaoetal.Science2014;346:1352-1356PublishedbyAAASDGPearsonetal.Nature507,221-224(2014)doi:10.1038/nature13080RamanspectraofringwooditeandwalstromiteinclusionsinJuínadiamondJUc29.RBanerjeeetal.Nature000,1-4(2015)doi:10.1038/nature14160ReactionofsMMOwithO2.(a)PolarizedIRspectraoftheAzo-PIfilmwithaLPLexposureof320J=cm2.(b)PolarizedIRspectraofthepentacenefilmson11J=cm2and320J=cm2exposedAzo-PI.(c)LPLexposuredependenceofDR(A/A)oftheAzo-PIfilms(1370cm-1band)andthepentacenefilms(905cm-1band).(Phys.Rev.Lett.,

101,236103(2008))High-frequencyfirst-andsecond-ordermicro-RamanspectraofnGLfilmssupportedonaSiO2:SisubstrateandHOPGFirstorder-allowedRamanG-bandforsupportednGLfilmsvsnumberoflayersn.NanoLett.,6(12),2667(06)JFLietal.

Nature

464,392-395(2010)doi:10.1038/nature08907InsituprobingofbiologicalstructuresbySHINERS.DGPearsonetal.Nature507,221-224(2014)doi:10.1038/nature13080FTIRspectraofringwooditeinclusioninJuínadiamondJUc29.RamanSpectrumofSi(300K)

更全面了解RamanSpectrum

紅外和Raman光譜的比較電磁波波段紅外光波段紅外光譜儀光路示意圖紅外和Raman光譜測量紅外測量最主要的特點(diǎn)是特殊元件的需要，包括光源、分光元件和光學(xué)窗口等。（大多數(shù)材料對紅外光有強(qiáng)烈的吸收）光源：鎢燈用于近紅外、電熱棒用于中紅外、高壓水銀弧光燈用于遠(yuǎn)紅外波段。（同步輻射光源）分光元件——反射式光柵紅外光學(xué)窗口和反射式光學(xué)元件紅外譜儀中使用的元器件FT-IR譜儀基本框圖FT-IR譜儀的基礎(chǔ)——Michelson干涉儀單色光入射，干涉強(qiáng)度的變化兩列單色光1

、2入射，干涉強(qiáng)度的變化普通光入射后，干涉強(qiáng)度的變化傳統(tǒng)透射式紅外譜儀適合中紅外波段應(yīng)用。FTIR譜儀更適合在遠(yuǎn)紅外波段應(yīng)用，但現(xiàn)在也已經(jīng)普遍應(yīng)用于中紅外波段。FTIR使用的光學(xué)元件較少，不用狹縫，因此光通量大。此外，測量比較節(jié)約時(shí)間。傳統(tǒng)紅外光譜儀和FTIR譜儀特點(diǎn)紅外光譜的測量有很多方法，這些方法可分為：色散法、FTIR和非色散法（濾波法）。非色散法多用于特定的檢測。例如用于氣體的分析等。優(yōu)點(diǎn)是方便使用，缺點(diǎn)是參數(shù)變動(dòng)困難。針對特殊的樣品和特殊的需要，有很多特殊的紅外測量方法。如光電導(dǎo)法、輻射量熱法、光聲光譜法、光熱光譜法、反射式、內(nèi)反射式、消逝波式等其它紅外光譜測量方法反射測量方法光學(xué)常數(shù)之間彼此不是獨(dú)立的，通過一組光學(xué)常數(shù)的測定可以得到另外的光學(xué)常數(shù)。而K-K關(guān)系告訴我們，一組光學(xué)常數(shù)也不是彼此獨(dú)立的。紅外內(nèi)反射測量方法光電導(dǎo)測量：樣品吸收光導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化量熱法：樣品吸收光轉(zhuǎn)化為熱1-輻射量熱法2-光聲光譜法3-光熱偏轉(zhuǎn)光譜法光電導(dǎo)方法和量熱法Raman譜儀Raman譜儀結(jié)構(gòu)框圖紅外光譜能夠得到的信息分子振動(dòng)模式分子振動(dòng)模式對稱伸縮Symmetricstretching反對稱伸縮Asymmetricstretching剪刀式擺動(dòng)Scissoring左右搖擺Rocking上下?lián)u擺Wagging扭擺Twisting（來源于維基百科）CH2分子團(tuán)的振動(dòng)模式

分子振動(dòng)頻率k為力常數(shù)，決定于化學(xué)鍵的強(qiáng)度。為折合質(zhì)量。（同位素效應(yīng)）分子振動(dòng)可以看成諧振子振動(dòng)，頻率為：=(k/)1/2紅外吸收和Raman散射的基本原理Raman散射的經(jīng)典理論Raman光譜更適合研究生物分子，因?yàn)榧t外對水特別敏感，不能用水溶液。而Raman可以。共振Raman散射對于研究有機(jī)分子常常更有優(yōu)勢。

無機(jī)材料Raman光譜比紅外光譜更適宜用于振動(dòng)譜研究。特別是很多無機(jī)材料溶于水。各種Raman散射共振Raman散射電子共振Raman散射表面增強(qiáng)Raman散射受激Raman散射超Raman散射逆Raman散射相干反StokesRaman散射（CARS）……SERS(SurfaceEnhancedRamanScattering)Science,275,1102(1997)(A)Unfilteredphotographshowingscatteredlaserlightfromallparticlesimmobilizedonapolylysine-coatedsurface.(B)FilteredphotographstakenfromablankAgcolloidsample(incubatedwith1mMNaClandnoR6Ganalytemolecules).(C)and(D)FilteredphotographstakenfromaAgcolloidsampleincubatedwith2310211MR6G.TheseimageswereselectedtoshowatleastoneRamanscatteringparticle.Differentareasofthecoverslipwererapidlyscreened,andmostfieldsofviewdidnotcontainvisibleparticles.(E)FilteredphotographtakenfromAgcolloidincubatedwith2310210MR6G.(F)FilteredphotographtakenfromAgcolloidincubatedwith231029MR6G.Ahigh-performancebandpassfilterwasusedtoremovethescatteredlaserlightandtopassStokes-shiftedRamansignalsfrom540to580nm(920to2200cm21).Continuous-waveexcitationat514.5nmwasprovidedbyanArionlaser.Thetotallaserpoweratthesamplewas10mW.Notethecolordifferencesbetweenthescatteredlaserlightin(A)andthered-shiftedlightin(C)through(F).Directcomparisonoflaser-inducedfluorescenceandSERSofasingleR6Gmolecule.Notethatsingle-moleculefluorescencesignalswereobservedasdiffraction-limitedspots(~500nmindiameteror6pixels).TheintegratedRamansignalappearedmuchlargerinsize,butitsfullwidthathalfmaximumwassimilartothatforfluorescence.Detailedsignalintensitiesandwidthsareshownforlines(A)and(B).Laserwavelength,514.5nm;excitationpower,10mW;integrationtime,5s.CARS(相干反StokesRaman散射)Coherentanti-StokesRamanscatteringisafour-wavemixingprocessinwhichapumpbeamatfrequencywpandaStokeslaserbeamatfrequencywsinteractwithasampletogenerateananti-Stokessignalatfrequencywas=2wp-ws.TheenergydiagramofCARSisshowninFig.1.

TheCARSsignalisenhancedwhenthefrequencydifferencebetweenthepumpandStokesbeams,wp-ws,istunedtoavibrationalfrequencyW,providingthevibrationalcontrastforCARSmicroscopy.

[Left]CARSimageoffibroblastcellsthatarestimulatedtosynthesizelipids.ThelipiddropletscanbevisualizedwithCARSwhentuningtothealiphaticC-Hvibration.Imagewastakenin2.7secondsandmeasures100by100um.

[Right]F-CARSimageofanaturalsinglelipidbilayer(erythrocyteghost)at2845cm-1,takenwithparallelpolarizedbeamsalongthexaxis(notethepolarizationdependence).Imagesizeis15x15um.紅外光譜測量樣品準(zhǔn)備金屬或者玻璃容器，兩端帶有紅外窗口。真空和閥控保證氣體樣品的正確導(dǎo)入。因?yàn)闅怏w吸收一般較弱，光學(xué)長程池的應(yīng)用。低氣壓下轉(zhuǎn)動(dòng)光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的分辨。氣體樣品：液體樣品：液體：帶有紅外窗口的吸收池；液膜法——如滴入兩片NaCl平板之間制樣。溶液：對于溶液樣品來說，紅外測量是個(gè)需要仔細(xì)考慮問題，因?yàn)槎鄶?shù)常用的溶劑都吸收紅外光，因此只能根據(jù)波段選擇溶劑。

較好的溶劑有CCl4,CS2,氯仿等，紅外不激活。

水肯定不是好的溶劑。吸收和溶解光學(xué)