现代光谱技术

现代光谱技术第1页，课件共29页，创作于2023年2月主要内容：1、拉曼光谱简介及原理2、碳纳米管及碳纳米线简介3、碳纳米管分类4、碳纳米管和碳纳米线的拉曼光谱第2页，课件共29页，创作于2023年2月1928年印度科学家拉曼(C.V.Raman)与克里希南(K.S.Krishnan)在液体与蒸汽中发现了拉曼散射现象

当一束光入射到分子上时，除了产生与入射光频率ω0相同的散射光以外，还有频率分量为ω0±ωM的散射光，ωM是与分子振动或转动相关的频率，拉曼散射非常弱。拉曼获得了1930年度的诺贝尔奖

由分子振动、声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。拉曼光谱简介：第3页，课件共29页，创作于2023年2月拉曼散射效应的发展拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发现的，本人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落；1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。第4页，课件共29页，创作于2023年2月第5页，课件共29页，创作于2023年2月

拉曼效应为光子与样品中分子的非弹性碰撞，即光子与分子相互作用中有能量的交换。

入射光子的能量为hν0，当与分子碰撞后，可能出现两种情况：●第一种是分子处于基态振动能级，与光子碰撞后，分子从入射光子获取确定的能量hν1达到较高的能级。则散射光子的能量变为h（ν0－ν1）=hν，频率降低至ν0－ν1。形成能量为h（ν0－ν1）、频率为ν0－ν1的谱线。●另一种是分子处于激发态振动能级，与光子碰撞后，分子跃迁回基态而将从确定的能量hν1传给光子。则散射光子的能量变为h（ν0＋ν1）=hν，频率增加至ν0＋ν1。形成能量为h（ν0＋ν1）、频率为ν0＋ν1的谱线。●两种情况，散射光子的频率发生变化了，减小或增加了，称为拉曼位移。拉曼效应第6页，课件共29页，创作于2023年2月在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分υ0－υ1又称为斯托克斯线，频率较大的成分υ0＋υ1又称为反斯托克斯线。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υ0的光子，发射υ0－υ1的光子，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υ0的光子，发射υ0＋υ1的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯线)。第7页，课件共29页，创作于2023年2月透过光λ不变瑞利散射λ不变拉曼散射λ变λ增大λ减小样品池第8页，课件共29页，创作于2023年2月几种重要的拉曼光谱分析技术

1、单道检测的拉曼光谱分析技术2、以CCD（ChargeCoupledDevice）为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术4、共振拉曼光谱分析技术5、表面增强拉曼效应分析技术第9页，课件共29页，创作于2023年2月激光-拉曼光谱原理光的瑞利散射

一个频率为ν0的单色光，当它不能被照射的物体吸收时，大部分光将沿入射光束通过样品，在约1/105～1/106有强度的光被散射到各个方向。并在与入射方向垂直的方向，可以观察到这种散射。●瑞利散射为光与样品分子间的弹性碰撞，光子的能量或频率不变，只改变了光子运动的方向。●散射光的强度与散射方向有关，且与入射频率的四次方成正比。第10页，课件共29页，创作于2023年2月Rayleigh散射：

弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：

非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；E0基态，E1振动激发态；E0+h0，

E1+h0激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.激光拉曼光谱基本原理

principleofRamanspectroscopy

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激发虚态第11页，课件共29页，创作于2023年2月Raman散射Raman散射的两种跃迁能量差：

E=h(0-

)产生stokes线；强；基态分子多；

E=h(0+

)产生反stokes线；弱；Raman位移：Raman散射光与入射光频率差；ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)第12页，课件共29页，创作于2023年2月共振拉曼散射当激光频率接近或等于分子的电子跃迁频率时，可引起强烈的吸收或共振，导致他的某些拉曼谱带强度急剧增强数百万倍。这就是共振拉曼效应许多药物在紫外－可见光区有强的电子跃迁。某些含发色团化合物的拉曼光谱因共振而增强，而其基体物质的光谱却不会增强。共振拉曼技术与常规拉曼光谱技术不同之处在于要求光源可变，可调谐染料激光器是获得共振拉曼光谱的必要条件。有些化合物可通过化学反应改变其结构，合之最大吸收峰接近激发光频率，如生成有色化合物，然后再进行共振拉曼光谱测定也是一个提高灵敏度的较有效的方法。共振拉曼技术由于灵敏度高而特别适用于药物和生物大分子的研究。缺点是由样品本身或由杂质引起的荧光干扰，以及这一光谱技术需经特殊的激光光源和光学设计。第13页，课件共29页，创作于2023年2月表面增强拉曼散射吸附在极微小金属颗粒表面或其附近的化合物（或离子）的拉曼散射要比该化合物的正常拉曼散射增加

10

3

～10

6

倍。这种表面增强拉曼散射（SERS）在银表面上最强，在金或铜的表面上也可观察到。

SERS

现象主要由金属表面基质受激而使局部电磁场增强所引起。效应的强弱取决于光波长相对应的表面粗糙度大小，以及和波长相关的复杂的金属电介质作用的程度。许多

SERS

基质可以用于药物分析，最常用的包括溶胶，电极，电介质表面金属膜等。带孤对电子或

π

电子云的分子呈现的

SERS

效应最强，其他芳氮或含氧化合物，如芳胺和酚，也具有强的

SERS

活性，这一效应在其他电负性功能团如羧酸中也能观察到。从少数分子获得大量结构信息的可能性使得

SERS

可用于解决高灵敏度化学分析的许多问题。面表面增强拉曼光谱中，荧光的干扰可有效地得到抑制。

第14页，课件共29页，创作于2023年2月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。3拉曼光谱谱峰清晰尖锐，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。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。第15页，课件共29页，创作于2023年2月拉曼光谱的应用方向

拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源与分子的振动和转动。拉曼光谱的分析方向有：定性分析：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。结构分析：对光谱谱带的分析,又是进行物质结构分析的基础。定量分析：根据物质对光谱的吸光度的特点,可以对物质的量有很好的分析能力。第16页，课件共29页，创作于2023年2月碳纳米管和碳纳米线简介第17页，课件共29页，创作于2023年2月第18页，课件共29页，创作于2023年2月碳纳米管的分类碳纳米管是由石墨烯片卷曲而成的圆柱型结构。根据石墨层数的不同可分为：1、单壁碳纳米管2、多壁碳纳米管双壁碳纳米管多壁碳纳米管第19页，课件共29页，创作于2023年2月第20页，课件共29页，创作于2023年2月单壁碳纳米管的拉曼光谱第21页，课件共29页，创作于2023年2月第22页，课件共29页，创作于2023年2月双壁碳纳米管的拉曼光谱第23页，课件共29页，创作于2023年2月第24页，课件共29页，创作于2023年2月堆垛多壁碳纳米管的拉曼光谱第25页，课件共29页，创作于2023年2月单根多壁碳纳米管表面增强拉曼光谱第26页，课件共29页，创作于2023年2月碳纳米线的拉曼