拉曼光谱培训讲义..

1、拉曼光谱 （Raman spectra） ，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学 家 C.V. 拉曼 （Raman） 所发现的拉曼散射效应， 对与入射光频率不同的散射光谱进 行分析以得到分子振动、 转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。 历史1928年C.V.拉曼实验发现，当光穿过透明介质（液体苯）被分子散射的光发生频 率变化， 这一现象称为拉曼散射。 在透明介质的散射光谱中， 频率与入射光频率 u 0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在u 0两侧的谱线或谱带 u ou 1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分 u 0-u 1又称为斯托克斯线，频率较大的成 分 u 0+u 1

2、又称为反斯托克斯线。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱； 远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。 瑞利散射线的强度只有入射光强 度的 10-3，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的 10-3。小拉曼光谱与分子的转动能级 有关， 大拉曼光谱与分子振动 -转动能级有关。拉曼光谱的理论解释是，入射光 子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为 u 0的光子，发射u 0-u 1的光子（即 吸收的能量大于释放的能量 ），同时分子从低能态跃迁到高能态 （斯托克斯线 ）；分 子吸收频率为 u 0 的光子，发射 u 0+u 1 的光子 （即释放的能量大于吸收的能量 ）， 同时分子从高能态跃迁到低能态 （反斯托克斯

3、线 ）。分子能级的跃迁仅涉及转动 能级，发射的是小拉曼光谱；涉及到振动 -转动能级，发射的是大拉曼光谱。与 分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。激光器的问世， 提供了优质高强度单色光， 有力推动了拉曼散射的研究及其应用。 拉曼光谱的应 用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定 量分析和测定分子结构都有很大价值。拉曼散射光谱的特征a. 拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼 谱线的位移与入射光的波长无关 ,只和样品的振动转动能级有关；b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在 瑞利散射线两

4、侧 , 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个 振动量子的能量。c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于 Boltzmann 分 布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 故拉曼光 谱记录的是斯托克斯线，瑞利散射和反斯托克斯线就不记录了。拉曼光谱和红外光谱的相同点拉曼波数的常规范围： 40-4000 cm -1，一台拉曼就包括了完整的震动频率范围。 而红外光谱包括近中远范围， 通常需要几台仪器或用一台仪器分几次扫描才能完 成整个光谱的记录。对于一个给定的化学键， 其红外吸收频率与拉曼位移相等， 均代表第一振动能级 的能量。因此对于某一给定的化合

5、物， 某些峰的红外吸收波数与拉曼位移完全相 同。红外吸收波数与拉曼位移均在红外区 ，两者都反映分子的结构信息。拉曼光谱和红外光谱的区别红外光谱测定的是样品的透射光谱。 当红外光穿过样品时， 样品分子基团吸收红 外光产生振动， 得到红外吸收光谱。 其入射光及检测光都是红外光。 横坐标是波 数或波长表示。 需制样。 红外池窗片都是金属卤化物， 大多数溶于水且水本身有 红外吸收，故不能测水溶液。样品池需要特殊材料。拉曼光谱测定的是样品的发射光谱。 当单色激光照射在样品上时， 产生拉曼散射， 检测器检测到的是拉曼散射光。 其入射光及检测光都是可见光。 横坐标是拉曼位 移，即与瑞利散射频率的差值。不需制

6、样，但有时会烧蚀样品。可测水溶液。可 用普通的玻璃毛细管或石英池做样品池。如何判别分子的拉曼或红外活性？1）凡是具有对称中心的分子，如 CS2 和 CO2 等线性分子，红外和拉曼活性是相 互排斥的，若红外吸收是活性的，则拉曼散射是非活性的，反之亦然。2）不具有对称中心的分子，如 H2O， SO2 等，其红外和拉曼活性是并存的。当 然，在两种谱图中各峰之间的强度比可能有所不同。3）少数分子的振动其红外光谱和拉曼光谱都是非活性的， 例如平面对称分子乙烯 的扭曲振动，即没有偶极矩变化，也不产生极化率的改变。为什么要测定拉曼光谱？ 红外光谱和拉曼光谱是互补的。 一个基团存在几种振动模式时， 偶极矩变化

7、大的振动， 红外吸收峰强； 偶极矩变 化小的振动，红外吸收峰弱。拉曼光谱与之相反，偶极矩变化大的振动，拉曼峰弱；偶极矩变化小的振动，拉 曼峰强，偶极矩没有变化的振动，拉曼峰最强。拉曼光谱技术的优越性 提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准 备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外：1 由于水的拉曼散射很微弱， 拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物 的理想工具。2 拉曼一次可以同时覆盖 50-4000 波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。 相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、 光束分离器、 滤波器和 检测器。3 拉曼光

8、谱谱峰清晰尖锐， 更适合定量研究、 数据库搜索、 以及运用差异分析进 行定性研究。 在化学结构分析中， 独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数 量相关。4 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有 0.2-2 毫米，常规拉曼光谱只需要 少量的样品就可以得到。 这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。 而 且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至 20 微米甚至更小，可分析更小 面积的样品。5 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动， 这些 发色基团的拉曼光强能被选择性地增强 1000 到 10000 倍。激光拉曼光谱法的应用 激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学

9、上的应用，在高聚物上的应用， 在生物方面上的应用，在表面和薄膜方面的应用。有机化学： 拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段， 拉曼位移的大 小、强度及拉曼峰形状是碇化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光 谱还可以作为顺反式结构判断的依据。高聚物： 拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体 (单休异构、 位置异构、 几何异构和空间立现异构等 )的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。 电活性聚合物如聚毗咯、 聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具， 在高聚物的工 业生产方面， 如对受挤压线性聚乙烯的形态、 高强度纤维中紧束分子的观测， 以 及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究

10、中都采用了拉曼光谱。 生物：拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段， 由于水的拉曼光谱很弱、 谱图又 很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、 活性状态下来研究生物大分子的结构 及其变化。拉曼光谱在蛋白质二级结构的研究、 DNA 和致癌物分子间的作用、 视紫红质在光循环中的结构变化、 动脉硬化操作中的钙化沉积和红细胞膜的等研 究中的应用均有文献报道。利用 FT-Raman 消除生物大分子荧光干扰等，有许多成功的示例。 表面和薄膜： 拉曼光谱在材料的研究方面， 在相组成界面、 晶界等课题中可以做 很多例作。最近，对于拉曼光谱在金刚石和类金刚石薄膜的研究工作中的应用， 国内外学者 的兴趣有增无减。拉曼光

11、谱已成 CVD( 化学气相沉积法 )制备薄膜的检测和鉴定手段。另外，LB膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光谱研究都已见报道。 尽管拉曼散射很弱， 拉曼光谱通常不够灵敏， 但利用共振或表面增强拉曼技术就 可以大大加强拉曼光谱的灵敏度。表面增强拉曼光谱学 (SERS) 已成为拉曼光谱 研究中活跃的一个领域。相关技术表面增强拉曼光谱技术自 1974 年 Fleischmann 等人发现吸附在粗糙化的 Ag 电极表现的吡啶 分子具有巨大的拉曼散射现象，加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射 的抑制，使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，这种表面增强效应被称为 表面增强拉曼散射 (SERS) 。

12、SERS 技术是一种新的表面测试技术，可以在分 子水平上研究材料分子的结构信息。高温拉曼光谱技术高温激光拉曼技术被用于冶金、玻璃、地质化学、晶体生长等领域，用 它来研究固体的高温相变过程，熔体的键合结构等。然而这些测试需在高温 下进行，必须对常规拉曼仪进行技术改造。共振拉曼光谱技术 激光共振拉曼光谱 (RRS) 产生激光频率与待测分子的某个电子吸收峰接 近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带 的104106倍，并观察到正常拉曼效应中难以出现的、其强度可与基频相比 拟的泛音及组合振动光谱。与正常拉曼光谱相比，共振拉曼光谱灵敏充高， 结合表面增强技术，灵敏度已达到单分子

13、检测 。傅立叶变换拉曼光谱技术傅立叶变换拉曼光谱是上世纪 90 年代发展起来的新技术， 1987 年， Perkin Elmer 公司推出第一台近红外激发傅立叶变换拉曼光谱 (NIR FT-IR) 仪，采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来提高信噪比，并用 1064mm 的近红外激光照射样品，大大减弱了荧光背景。从此， Fr-Raman 在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生 命力。拉曼光谱与光导纤维技术的联用光导纤维的引入 ,使拉曼光谱仪用于工业在线分析以及现场遥测分析成 为可能。Huy等使用两个10 m长、100呵 直径的光纤,激光波长为514. 5 nm

14、 , 对苯 / 庚烷混合物进行分析 ,获得非常好的结果。 Benoit 等将光导纤维传 感器用于拉曼光谱仪 , 使得液体样品的拉曼信号增强了 50 倍。 Cooney 等人 比较单个光纤与多个光纤应用于拉曼光谱仪的结果 ,发现多个光纤的应用将 改善收集拉曼光的有效性。 Cooper 等利用光纤遥控拉曼技术分析了石油染 料中的二甲苯异构体。近年来 ,国外将 1550 nm 光纤激光器、 EDFA 光纤放 大器技术应用于拉曼散射型分布光纤温度传感器系统 ,取得了较好的结果。分 布式光纤拉曼光子温度传感器已成为光纤传感技术和检测技术的发展趋势。 由于它具有独特的性能 ,因此已成为工业过程控制中的一种

15、新的检测装置,发展成一个工业自动化测量网络。固体光声拉曼技术 光声拉曼技术是通过光声方法来直接探测样品中因相干拉曼过程而存储 能量的一种非线性光存储技术。光声拉曼信号正比于固体介质三阶拉曼极化 率的虚部 ,与非共振拉曼极化率无关 ,因而完全避免了非共振拉曼散射的影响,并且克服了传统的光学法受瑞利散射,布里渊散射干扰的缺点 ,具有高灵敏度(能探测到10吒cm-1的拉曼系数)、高分辨率和基本上没有光学背景等优点。 在气体、液体样品的检测分析中获得了理想的效果。由于不像相干斯托克斯 拉曼过程那样有比较严格的相位匹配角要求,因而它也很适合用于研究固体介质特性。 Barrett 等人从理论上分析了气体样

16、品中的光声拉曼光谱技术过程 但与之不同 ,固体介质的光声拉曼效应是由相干拉曼增益过程产生的局部热 能耦合到样品本身的振动模式的热弹过程,对于介质各向异性结构 ,三阶非线性拉曼极化率张量形式表现出对称性,因而 ,情况要复杂得多 ,运用平行模型和热弹性理论 ,导出固体介质样品中光声拉曼信号的解析式 ,对固体中光声拉曼 效应的一些特性进行分析。拉曼光谱与其他仪器联用技术 近两年，实现拉曼与其它多种微区分析测试仪器的联用，其中有：拉曼 与扫描电镜联用 (Raman-SEM) ；拉曼与原子力显微镜 /近场光学显微镜联用 (Raman-AFM/NSOM) ；拉曼与红外联用 (Raman-IR) ；拉曼与激

17、光扫描共聚 焦显微镜联用 (Raman-CLSM) ，这些联用的着眼点是微区的原位检测。通过 联用可以获得更多的信息，并提高可靠度。共焦显微拉曼光谱技术显微拉曼光谱技术是将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一 种应用技术。与其他传统技术相比，更易于直接获得大量有价值信息，共聚 焦显微拉曼光谱不仅具有常规拉曼光谱的特点，还有自己的独特优势。辅以 高倍光学显微镜，具有微观、原位、多相态、稳定性好、空间分辨率高等特 点，可实现逐点扫描，获得高分辨率的三维图像，近几年共聚焦显微拉曼光 谱在肿瘤检测、文物考古、公安法学等领域有着广泛的应用。赛默飞世尔DXR型激光显微拉曼光谱仪赛默飞世尔DXR型激光

18、显微拉曼光谱仪拥有 1微米的空间分辨率和真实 的共焦深度剖面图，可满足最苛刻的分析要求，是专门为现在繁忙的分析实 验室而设计的研究级工具。此款显微镜可满足用户对高空间分辨率，样品制 备简单和拉曼光谱法的强大功能等要求，无需苛求工作繁忙的用户成为拉曼 专家。DXR激光显微拉曼光谱仪的空间分辨率等同于或远胜于市面上已有仪 器，其独特的设计可帮助用户轻而易举获取高质量的结果。仪器主要特点：1、获得最优性能的推测真实的点击运行 功能意味着你不必成为专家，也能获取高质量光谱数据专利的自动准直系统确保仪器性能，增强您对实验结果的信心独特的设计特点：自动聚焦，自动曝光和自动采集背景高空间分辨率超凡的视觉品质

19、自动荧光校正去除荧光干扰效应激光能量调节器可补偿激光能量输出，确保稳定的响应值2、DXR可让您更关注结果，无需花费时间学习新技术和新步骤分析简单，不损坏样品，微米级制图和数据分析深度剖面图一分析每一层材料特征缺陷分析3、精密的制图和数据分析提供您所要的答案集成的OMNIC Atlu s图像软件将光谱制图，图像分析算法和化学计量工具 整合到一起分析样品横截面，采用MCR提取样品成分信息，然后对样品成分制图并定 量；为DXR显微镜添加制图功能，可完成更加复杂的应用我们的拉曼谱图库是目前范围最广的图库，使得未知样品的分析和识别轻而 易举。4、智能附件独特的智能锁定技术，确保高重复性的结果用户可以设置

20、DXR拉曼显微镜激光的波长 532，633和780 nm。激光与 相应的过滤器和光栅，使用智能锁定技术锁定定位，确保高重复性的结果。 OMNIC可识别每个组件，记录序列号并检查兼容性，同时为备用组件准备了使用方便的储存箱。5、充分享受全整合系统带来的优点 一从仪器到软件，组件与附件，甚至光谱图 DXR显微镜和智能拉曼光谱仪的三重光谱图-光谱图设计 DXR拉曼显微镜的使用，可描绘微米级别的紫水晶样品谱图可调动态点取样的使用，帮助分析非均相样品仪器校正对使用拉曼库搜索进行成功的样品识别非常重要 DXR智能拉曼光谱仪的使用对混合溶剂的定量分析常见物质的拉曼谱图及红外谱图对比:硫酸钾的红外和拉曼光谱s n e n n a m aR甲基丙烯酸的FT-红外和FT-拉曼光谱s n e n n amaRRaman shift (cm-1)氧化钛的红外和拉曼光谱氧化铈的红外和拉曼光谱3竹材的FT-Raman光谱Raman shift (cm-1)胃正常（红色）和胃癌（蓝