RAMAN拉曼实验讲义

1、激光共焦显微激光共焦显微拉曼光谱仪拉曼光谱仪NJUST教学要求教学要求1、掌握、掌握RAMAN光谱仪的基本原理和结构光谱仪的基本原理和结构2、了解了解RAMAN光光谱仪的适用范围及一般应用谱仪的适用范围及一般应用3、通过对样品的测试、通过对样品的测试掌握掌握 LabSpec5 软件的软件的 操作过程，学会谱图解析的一般方法操作过程，学会谱图解析的一般方法拉曼光谱概述拉曼光谱概述l拉曼效应1928 年，印度科学家C.V Raman首先在CCl4光谱中发现了当光与分子相互作用后，一部分光的波长会发生改变(颜色发生变化)，通过对这些颜色发生变化的散射光的研究，可以得到分子结构的信息，把这种效应命名为

2、Raman效应。为此拉曼获得1930年度的诺贝尔物理学奖。从拉曼光谱的研究可以得到有关分子振动或转动的信息。拉曼光谱原理拉曼光谱原理 红外光谱的产生伴随着分子偶极矩的变化，而拉曼散射则伴随着分子极化率的改变，这种极化率的改变是通过分子内部的运动（例如转动、振动等）来实现的。当一定频率的激发光照射一分子时，一部分散射光的频率与入射光的频率相同，这种散射是分子对光子的一种弹性散射，其碰撞为弹性碰撞，没有能量交换，称为瑞利散射，是由英国物理学家瑞利提出而得名。 还有一部分散射光的频率和激发光的频率不等，这种散射称为拉曼散射。弹性散射：在散射过程中没有发生能量变化的散射非弹性散射：在散射过程中发生能量

3、变化的散射散射光的频率分布散射光的频率分布拉曼光谱原理拉曼光谱原理从能级的角度来讲拉曼散射，是分子先吸收了光子的能量,从基态跃迁到虚态,到了虚态之后，由于处于高能级，它从虚态返回到第一振动能级，释放能量,这样放出的光子的能量小于入射光子的能量，这就是拉曼散射的一种，也就是处于斯托克斯散射。当从第一振动能级跃迁到虚态，然后从虚态返回到基态，这样放出的能量就大于入射光的能量，这就是处于反斯托克斯区，也是拉曼散射的一种。能量不变的就是瑞利散射。能级示意图E1E0E1E00h0h0h0h0h0()h0h0()hEh 0000瑞利散射瑞利散射拉曼散射拉曼散射通过非弹性散射光子与入射光子能量的差别，通过非

4、弹性散射光子与入射光子能量的差别，我们可以得到分子振动和转动能级的信息。我们可以得到分子振动和转动能级的信息。例如例如:苯环振动模式在拉曼谱图的归属：苯环振动模式在拉曼谱图的归属：拉曼光谱图给出的信息拉曼光谱图给出的信息定性的信息：拉曼光谱是物质结构的指纹光谱定量的信息：可以通过光谱校正，得到准确的 应力大小和浓度分布谱带位置：化学组成, 结构,构象,形态频率位移：应力 ，温度 半 高 宽： 结晶度 强 度： 浓度或物质的量拉曼光谱和红外光谱的比较拉曼光谱和红外光谱的比较拉曼光谱和红外光谱均属于分子振动和转动光谱，在许拉曼光谱和红外光谱均属于分子振动和转动光谱，在许多情况下，拉曼频率位移的程度

5、正好相当于红外吸收频多情况下，拉曼频率位移的程度正好相当于红外吸收频率。因此红外测量能够得到的信息同样也出现在拉曼光率。因此红外测量能够得到的信息同样也出现在拉曼光谱中，红外光谱解析中的定性三要素（峰位，峰强和峰谱中，红外光谱解析中的定性三要素（峰位，峰强和峰形）对拉曼解析也是适用。形）对拉曼解析也是适用。但由于这两种光谱的分析机理不同，在提供信息上也是但由于这两种光谱的分析机理不同，在提供信息上也是有差异的，通常分子的对称性愈高，红外与拉曼光谱的有差异的，通常分子的对称性愈高，红外与拉曼光谱的区别就愈大，非极性官能团的拉曼散射谱带较为强烈，区别就愈大，非极性官能团的拉曼散射谱带较为强烈，极性

6、官能团的红外谱带较为强烈，例如在许多情况下，极性官能团的红外谱带较为强烈，例如在许多情况下，C=CC=C伸缩振动的拉曼谱带比相应的红外谱带较为强烈，而伸缩振动的拉曼谱带比相应的红外谱带较为强烈，而C=OC=O的伸缩振动的红外谱带比相应的拉曼谱带更为显著。的伸缩振动的红外谱带比相应的拉曼谱带更为显著。拉曼拉曼光谱的光谱的特点特点 拉曼光谱作为红外光谱的补充技术，还具有自身的拉曼光谱作为红外光谱的补充技术，还具有自身的优点：优点：1.1.制样简单，气体样品可采用多路反射气槽测定。液制样简单，气体样品可采用多路反射气槽测定。液体样品可装入毛细管中测定，不挥发的液体可直接体样品可装入毛细管中测定，不挥

7、发的液体可直接用玻璃瓶装盛测量，固体粉末可直接放在载波片上用玻璃瓶装盛测量，固体粉末可直接放在载波片上测试。测试。2.2.由于激光束的直径较小，且可进一步对焦，因而微由于激光束的直径较小，且可进一步对焦，因而微量样品也可测量。量样品也可测量。拉曼拉曼光谱的光谱的特点特点3.3.水是极性很强的分子，红外吸收非常强烈。但水水是极性很强的分子，红外吸收非常强烈。但水的拉曼散射却很微弱，因而这对生物大分子的研究的拉曼散射却很微弱，因而这对生物大分子的研究非常有利，此外玻璃的拉曼散射也较弱，因而玻璃非常有利，此外玻璃的拉曼散射也较弱，因而玻璃可以用做窗口材料可以用做窗口材料4.4.对于聚合物及其分子，拉

8、曼散射的选择定律的限对于聚合物及其分子，拉曼散射的选择定律的限制较小，因而可以得到丰富的谱带。制较小，因而可以得到丰富的谱带。5.5.拉曼光谱的频率不受单色光源频率的限制，可根拉曼光谱的频率不受单色光源频率的限制，可根据样品的不同性质而选择，比如对于荧光强的物质据样品的不同性质而选择，比如对于荧光强的物质可以选择长波长或短波长的激发光。可以选择长波长或短波长的激发光。拉曼光谱的优势拉曼光谱的优势拉曼拉曼光谱技术光谱技术的应用的应用1 1、化学物质、化学物质 认定、分析、和特性测量有机物、无机物，包括溶剂、认定、分析、和特性测量有机物、无机物，包括溶剂、汽油化工产品、碳物质、薄膜。汽油化工产品、

9、碳物质、薄膜。2 2、化学过程、化学过程 跟踪高分子配方和聚合过程，实时测量（包括定量测跟踪高分子配方和聚合过程，实时测量（包括定量测量）混合物（包括溶剂混合物及水溶液）。量）混合物（包括溶剂混合物及水溶液）。 各组成成分各组成成分的含量，检查有机污染物，跟踪化学反应的中间和末端的含量，检查有机污染物，跟踪化学反应的中间和末端产物，预测聚合物的型态特征。产物，预测聚合物的型态特征。3 3、高分子聚合物和塑料、高分子聚合物和塑料 质量控制进厂和出厂产品，认定生产过程中的污染物质量控制进厂和出厂产品，认定生产过程中的污染物质，实时监测聚合反应过程，预测双折射、晶状性、结质，实时监测聚合反应过程，预

10、测双折射、晶状性、结晶温度等物理特性。晶温度等物理特性。拉曼拉曼光谱技术光谱技术的应用的应用4 4、药物、药物 认定和分析药物成分、关键添加剂、填充剂、毒品认定和分析药物成分、关键添加剂、填充剂、毒品对药物的纯度和质量进行质量控制。对药物的纯度和质量进行质量控制。5 5、刑侦、刑侦 检测易燃易爆物，毒品药品，生物武器试剂，墨水检测易燃易爆物，毒品药品，生物武器试剂，墨水及文件。及文件。6 6、生物和医学、生物和医学 测量血液和血清中总蛋白质及生物溶质含量，决定测量血液和血清中总蛋白质及生物溶质含量，决定新陈代谢产物的浓度，测量血液和组织的含氧量，在分新陈代谢产物的浓度，测量血液和组织的含氧量，

11、在分子水平上对癌症（如子宫癌、肺癌等）和心血管疾病子水平上对癌症（如子宫癌、肺癌等）和心血管疾病（如动脉硬化）进行诊断。（如动脉硬化）进行诊断。拉曼拉曼光谱技术光谱技术的应用的应用 7 7、食品、食品 测量食物油中脂肪酸的不饱和度，检测食品中的测量食物油中脂肪酸的不饱和度，检测食品中的污染物如细菌，认定营养品和果品饮料中的添加药污染物如细菌，认定营养品和果品饮料中的添加药物。物。8 8、珠宝、珠宝 鉴定和分析真假宝石（如钻石，石英，红宝石，鉴定和分析真假宝石（如钻石，石英，红宝石，绿宝石等）以及对珍珠、玉石及其他珠宝产品进行绿宝石等）以及对珍珠、玉石及其他珠宝产品进行分类。分类。9 9、材料、

12、材料 铁铁( (介介) )电体，磁性材料，半导体，地质，考古，电体，磁性材料，半导体，地质，考古，环境等。环境等。拉曼光谱应用领域拉曼光谱应用领域1、半导体材料；2、聚合体；3、碳材料；4、地质学 / 矿物学 /宝石鉴定；5、生命科学； 6、医药；7、化学；8、环境 ；9、物理； 10、考古；11、薄膜；12、法庭科学：违禁药品的检查/区分各种颜料，色素，油漆，纤维等/爆炸物的研究/墨迹研究/子弹残留物和地质碎片研究。本实验室激光共焦显微拉曼光谱仪本实验室激光共焦显微拉曼光谱仪生产公司：生产公司：HORIBA JOBIN YVON型型 号：号：Aramis拉曼光谱测量原理图拉曼光谱测量原理图拉

13、曼光谱仪结构图拉曼光谱仪结构图仪器主要元件的仪器主要元件的性能与作用性能与作用光光 源：发射激光光源，有源：发射激光光源，有 325nm325nm，532nm532nm，785nm 785nm 可供选择。可供选择。外外 光光 路：路：聚光聚光、集光集光、滤光滤光、样品架样品架、偏振。、偏振。 抑制瑞利散射，高效透过拉曼信号。抑制瑞利散射，高效透过拉曼信号。色散系统：是拉曼光谱仪的核心部分，色散系统：是拉曼光谱仪的核心部分， 其作用是将拉曼散射光按频率在空间分开。其作用是将拉曼散射光按频率在空间分开。接收系统：拉曼散射信号可以通过单通道和多通道两种方式接收。接收系统：拉曼散射信号可以通过单通道和

14、多通道两种方式接收。 目前以电荷藕合器件图像传感器目前以电荷藕合器件图像传感器CCDCCD（Charge Coupled Charge Coupled Device Device）为代表的多通道探测器被广泛应用于拉曼光谱仪。）为代表的多通道探测器被广泛应用于拉曼光谱仪。信息处理与显示系统：信息处理与显示系统： 微弱信号的处理方法包括相干信号的锁相处理，重复信号微弱信号的处理方法包括相干信号的锁相处理，重复信号 时域平均处理，离散信号的统计处理以及计算机处理。目前时域平均处理，离散信号的统计处理以及计算机处理。目前 主要通用的是采用后两种方法相结合，最后通过记录仪或者主要通用的是采用后两种方法相

15、结合，最后通过记录仪或者 计算机接口软件输出图谱。计算机接口软件输出图谱。元件的选择元件的选择l激发波长的选择：l244nml325nml473nml488nml514nml532nml633nml785nml。u1 避开荧光干扰u2 确定信息来源-拉曼或荧光u3 不同深度信息研究u4 避开黑体辐射u5 共振拉曼元件的选择元件的选择-滤光片滤光片1. 干涉滤光片：滤除等离子线2. 瑞利滤光片： Notch滤光片： 有机材料镀膜 、寿命、 一般-年换一套 。可以做斯托克斯和 反斯托克斯 Edge滤光片 ： 介电材料制作 、寿命长。 只能测量斯托克斯拉曼信号元件的选择元件的选择-衰减片衰减片衰减激光功率，避免高强度激光辐射损坏样品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元件的选择元件的选择-物镜物镜不同工作范围选择不同的物镜：UV,VIS,NIR物镜