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拉曼光譜原理和圖解

2020.3.30

1.jpg

  基于印度科學(xué)家C.V.拉曼(Raman)發(fā)現(xiàn)拉曼散射效應(yīng):不同的入射光頻率的散射光譜進(jìn)行分析所得到的分子振動、轉(zhuǎn)動的信息,并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)分析研究的一種分析方法,稱為拉曼光譜(Raman spectra)。其中,拉曼光譜是一種散射光譜。

  1. 激光拉曼光譜基本原理

  激光入射到樣品,產(chǎn)生散射光:散射光為彈性散射,頻率不發(fā)生改變?yōu)槿瘥?Rayleigh)散射;散射光為非彈性散射,頻率發(fā)生改變?yōu)槔?Raman)散射。如圖:Rayleigh散射(左): 彈性碰撞;無能量交換,僅改變方向;Raman散射(右): 非彈性碰撞;方向改變且有能量交換。其中,E0基態(tài), E1振動激發(fā)態(tài); E0+ hν0 ,E1+ hν0 激發(fā)虛態(tài);獲得能量后,躍遷到激發(fā)虛態(tài)。

  Raman散射:兩種躍遷能量差:△E=h(V0 -△V),產(chǎn)生stokes線;強(qiáng);基態(tài)分子多;△E=h(V0 +△V),產(chǎn)生反stokes線;弱。Raman位移:Raman散射光與入射光頻率差△n。

  斯托克斯線(Stokes):基態(tài)分子躍遷到虛能級后不會到原處基態(tài),而落到另一較高能級發(fā)射光子,發(fā)射的新光子能量hv'顯然小于入射光子能量hv,△V 就是拉曼散射光譜的頻率位移。反斯托克斯線(anti-Stokes):發(fā)射光子頻率高于原入射光子頻率。

  拉曼位移(Raman shift):△V 即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。拉曼位移△V 只取決于散射分子的結(jié)構(gòu),而與V0無關(guān),所以拉曼光譜可以作為分子振動能級的指紋光譜。與入射光波長無光,適用于分子結(jié)構(gòu)分析。

  2. 拉曼光譜儀

  散射光相對于入射光頻率位移與散射光強(qiáng)度形成的光譜稱為拉曼光譜。拉曼光譜儀一般由光源、外光路、色散系統(tǒng)、及信息處理與顯示系統(tǒng)五部分組成。拉曼光譜儀分為激光Raman光譜儀(laser Raman spectroscopy)和傅立葉變換-拉曼光譜儀(FT-Ramanspectroscopy)。

  2.1激發(fā)光源: 常用的有Ar離子激光器,Kr離子激光器,He-Ne激光器,Nd-YAG激光器,二極管激光器等。

  2.2 樣品裝置: 樣品放置方式,包括直接的光學(xué)界面,顯微鏡,光纖維探針和樣品。

  2.3 濾光器:激光波長的散射光(瑞利光)要比拉曼信號強(qiáng)幾個數(shù)量級,必須在進(jìn)入檢測器前濾除,另外,為防止樣品不被外輻射源照射,需要設(shè)置適宜的濾波器或者物理屏障。

  2.4 單色器和邁克爾遜干涉儀: 有單光柵、雙光柵或三光柵,一般使用平面全息光柵干涉器一般與FTIR上使用的相同,為多層鍍硅的CaF2或鍍Fe2O3的CaF2分束器。也有用石英分束器及擴(kuò)展范圍的KBr分束器。

  2.5 檢測器:傳統(tǒng)的采用光電倍增管,目前多采用CCD探測器,F(xiàn)TRaman常用的檢測器為Ge或InGaAs檢測器。

  激光Raman光譜儀(laser Raman spectroscopy):激光光源:He-Ne激光器,波長632.8nm;Ar激光器,波長514.5 nm,488.0nm;散射強(qiáng)度∝1/λ; 單色器: 光柵,多單色器; 檢測器: 光電倍增管, 光子計數(shù)器。

  激光拉曼光譜因與紅外光譜有著相同的波長范圍且操作相對簡單,因此備受重視。所具有的優(yōu)點如下:光源頻率可調(diào)、分辨性好,分辨率高、譜峰常為尖峰,樣品用量少(常規(guī)用量2~2.5 ug,微量操作時用量為0.06 ug)、只有少量的倍頻及組頻、樣品測試范圍廣涵蓋水溶液樣品。

  激光拉曼光譜儀中的激光易激發(fā)出熒光,從而影響測定結(jié)果。為了避免弊端,研制了新型的傅里葉變換近紅外激光拉曼光譜儀和共焦激光光譜儀。

  傅立葉變換-拉曼光譜儀(FT-Ramanspectroscopy):光源:Nd-YAG釔鋁石榴石激光器(1.064μm);檢測器:高靈敏度的銦鎵砷探頭。激光光源、試樣室、邁克爾遜干涉儀、特殊濾光器、檢測器組成。

  優(yōu)點:避免了熒光干擾;精度高;消除了瑞利譜線;測試速度快。

   3. 拉曼光譜在分析中的作用

  3.1 同種分非極性鍵S-S、C=C、N=N、C≡C表現(xiàn)拉曼譜帶強(qiáng),譜帶強(qiáng)度:單鍵<雙鍵<三鍵;C=N、C=S、S-H拉曼譜帶強(qiáng),X=Y=Z、C=N=C、O=C=O對稱伸縮為強(qiáng)譜帶,紅外中表現(xiàn)相反。

  3.2 C-C伸縮振動在拉曼光譜中是強(qiáng)譜帶;環(huán)狀化合物的對稱呼吸振動常常是最強(qiáng)的拉曼譜帶。醇和烷烴的拉曼光譜是相似的:(1)、C-O鍵與C-C鍵的力常數(shù)或鍵的強(qiáng)度沒有很大差別;(2)、羥基和甲基的質(zhì)量僅相差2單位;(3)、與C-H和N-H譜帶比較,O-H拉曼譜帶較弱。

  3.3 用通常的拉曼光譜可以進(jìn)行半導(dǎo)體、陶瓷等無機(jī)材料的分析:如剩余應(yīng)力分析、晶體結(jié)構(gòu)解析等。拉曼光譜還是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。如分子取向、蛋白質(zhì)的巰基、卟啉環(huán)等的分析。

  4. 拉曼光譜與紅外光譜區(qū)別

  紅外光譜:基團(tuán);

  拉曼光譜:分子骨架測定;

  5. 拉曼光譜的信息

  拉曼譜線的數(shù)目、拉曼位移、和譜線強(qiáng)度等參量提供了被散射分子及晶體結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息,能夠揭示原子的空間排列和相互作用。

  6. 拉曼光譜優(yōu)缺點

  拉曼光譜優(yōu)點:提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析,它無需樣品準(zhǔn)備,樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量;水的拉曼散射很微弱,拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具;拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間,可對有機(jī)物及無機(jī)物進(jìn)行分析,相反,若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。

  化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中,獨立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān);因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且,拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小,可分析更小面積的樣品;共振拉曼效應(yīng)可以用來有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個發(fā)色基團(tuán)的振動,這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。

  拉曼光譜不足之處: (1)、拉曼散射面積; (2)、不同振動峰重疊和拉曼散射強(qiáng)度容易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響; (3)、熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾 ; (4)、在進(jìn)行傅立葉變換光譜分析時,常出現(xiàn)曲線的非線性的問題 ; (5)、任何一物質(zhì)的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染,這等于引入了一些誤差的可能性,會對分析的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。


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