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1、 本科毕业论文学 院 物理电子工程学院 专 业 物理学 年 级 姓 名 论文题目 几种低浓度样品的拉曼光谱分析 指导教师 职称 副教授 2011年4月25日13 目 录摘要1关键词1Abstract1Key words11.引 言22.实验原理和仪器22.1 实验原理22.2 实验仪器42.3 主要工作系统42.4 实验参数的确定52.5 实验内容63.关于几种不同的水的实验73.1 自来水的拉曼光谱图73.2 康师傅矿泉水的拉曼光谱图83.3 浉河水的拉曼光谱图83.4 不同水的拉曼谱图分析94.甲醇与乙醇的实验结果104.1 甲醇与乙醇的拉曼光谱图104.2 实验结果讨论115.结论12参
2、考文献13几种低浓度样品的拉曼光谱分析学生姓名：孙飞飞 学号：20075040125学 院：物理电子工程学院专业：物理学指导老师：王栋臣 职称：副教授摘要：水和酒是我们生活中不可缺少的，水的质量以及酒的真假与我们每个人的生命健康息息相关。通过一种简单而又有效的物理方法来检测水的质量以及鉴别酒的真假是我们所希望实现的。本文介绍了拉曼光谱的基本原理，运用激光拉曼光谱的分析方法，对生活中常见的几种不同的水以及乙醇和甲醇的激光拉曼谱作了定性分析，结果表明，水的伸缩振动拉曼峰的半峰全宽和退偏振度随样品中含有的微量矿物质浓度的不同而不同，为鉴定水的质量提供了一种简单而有效的物理方法；甲醇与乙醇有不同的拉曼
3、光谱，可据此检查食用酒精中的甲醇。关键词：拉曼光谱；半峰全宽；退偏振度Raman spectroscopy of several low concentration samplesAbstract：Water and wine is indispensable in our life, waters quality and the genuineness of wine is closely related with life and health of each one of us. It is what we want to achieve that a simple and effect
4、ive physical method is used to detect the waters quality and identify the genuineness of the wine.In this paper, the principle of Raman spectroscopy was introduced,the analysis of laser Raman spectroscopy was used to analysis qualitatively laser Raman spectroscopy of several different water of the c
5、ommon life and ethanol and methanol. The results show that full width of half peak of Raman peak of stretching vibration of water and the depolarization ratio is different with different concentrations of trace minerals which is contained in the samples. A simple and effective physical method is pro
6、vided to identify the quality of drinking water. According to different Raman spectroscopy of methanol and ethanol,methanol of theconsumption of alcohol may be checked.Key words: Raman spectroscopy；Full width at half maxima；Depolarization ratio1.引言水是人类生活的必需品，水质的好坏直接影响着人类的健康；适量饮酒能促进血液循环,疏通经络,使人体各器官的运
7、动速度加快,并能增加食欲,振奋精神,增强生命活力9，有些不法分子为了获取暴利,制造销售含有剧毒甲醇的假酒。随着人们生活水平的提高，人们对水和酒的质量提出了更高的要求。对水中含有的杂质浓度的检验和酒的真假的辨别很有必要。拉曼光谱的峰带通常较狭窄，具有准确的特征标志，水中含有的杂质以及假酒中的甲醇对其激光拉曼谱必然要产生影响，用拉曼谱来检测水中杂质浓度和辨别酒的真假的研究是必要的。文中对生活中几种不同水和甲醇及乙醇的拉曼谱进行了研究，定性的比较与分析,发现水中含有的微量矿物质浓度与其半峰全宽和退偏振度均有着规律性的联系，伸缩振动拉曼峰的半峰全宽随水样品中含有微量矿物质浓度的增加而减少，而伸缩振动拉
8、曼峰处退偏振度随水样品中含有的微量矿物质浓度增加而增加；甲醇与乙醇有着不同的振动光谱，因而应可据此检查食用酒精中的甲醇。2.实验原理和仪器2.1 实验原理受光照射时，介质对光除反射、吸收和投射之外，总有一部分向四周散射。相对于入射光的频率或波数的改变散射分为三类。第一类是散射光的频率与入射光的基本相同，频率变化小于3105Hz，相应的波数变化小于10-5cm-1，通常称它为瑞利（Rayleigh）散射，第二类是频率变化约为31010Hz，波数变化约为0.1cm-1，称为布里渊（Brillouin）散射，第三类是频率或波数变化比较大，频率变化大于31010Hz，波数变化大于1cm-1，这就是拉曼
9、（Raman）散射。拉曼散射的散射光频率与入射光频率相比有明显的变化，即，其强度数量级约为瑞利散射的10-810-6倍5。瑞利线长波一侧出现的散射线称为斯托克斯（Stokes）线，又称为红伴线；把短波一侧出现的称为反斯托克斯(anti-Stokes)线，又称紫伴线。斯托克斯线比反斯托克斯线通常要强一些7。散射光频率相对于入射光频率的偏移，即拉曼光谱的频移，是拉曼谱的一个重要特征量。散射线的频移量相对于瑞利线是对称的，而且这些谱线的频移不随入射光频率而变化，只决定于散射物质的性质。根据量子理论，当频率为的单色入射光与物质分子相互作用而散射时，有两种情况。一种是弹性散射，散射后光子的能量和频率没有
10、变化，这就是瑞利散射。另一种时非弹性散射，这时入射光子与物质分子间的相互作用导致能量交换，这个过程又可看作是入射光子的湮灭和另一个能量不同的散射光子的产生。设E1和E2分别代表分子的较低和较高能级，能级差为E=E2-E1，如果分子处于能级E1，它与能量为的入射光子相互作用导致的结果，分子将被激发到较高的能级E2，于是散射光子能量为（斯托克斯线）。另一方面分子处于能级E2过光子的散射，它向下跃迁到较低能级E1散射光子能量为（反斯托克斯线）。由以上可知，斯托克斯和反斯托克斯线的频率，和分别为和。图1 斯托克斯线和反斯托克斯线示意图上述过程中的能量关系可以用图1来表示，图中用虚线表示的能级并不对应于
11、散射分子的任何许可能级。它仅仅给出各光子的能量比分子的有关能级高出多少。另外，以上所述的过程与荧光中的明显不同。在荧光过程中，入射光子被系统所吸收后，后者将跃迁到相应的许可的激发态，经过一定时间后跃迁到某一较低能量的状态并且发射一光子。只有频率合适的入射光子才能引起荧光。而在拉曼散射中入射光子的频率不受限制。散射光频率的变化取决于物质分子的能级差，所以拉曼散射的频移是一定的，不随入射光频率而变化，只与散射物质本身性质有关。按照统计分布率，分子数在热平衡下按能量的分布为波尔兹曼分布1，其中为能级的简并度,是波尔兹曼常量。因此布居在较高能级上的分子数少于较低能级上的，这就使频率增加的散射谱线的强度
12、比频率减少的散射谱线弱。 2.2 实验仪器2.2.1激光拉曼光谱仪 本文采用天津港东的LRS-激光拉曼光谱仪，以倍频YN03：Nd激光为光源，光源波长为532.0nm，功率40mw。单色仪的光路结构为C-T型，光栅选用1200L/mm光栅，探测器为GDB-53LA单光子计数光电倍增管，光谱范围200-800nm，波长精度0.4nm，杂散光10-3。采用光电倍增管作为拉曼光谱的单通道接受器件，单光子计数器进行信号处理，并应用计算机对谱仪运行进行自动控制，自动信号采集和加工处理。2.2.2 仪器结构原理图LRS-激光拉曼光谱仪结构(如图3所示)3。外光路激光器激光电源单色仪光电倍增管高压电源单光子
13、计数器计算机驱动电路显示器图2 激光拉曼光谱仪原理示意图2.3 主要工作系统2.3.1 外光路系统外光路系统是由激发光源(激光器)，可调样品支架S，偏振组件P1和P2以及聚光透镜C1和C2等组成，如图4所示。激光器射出的激光束被反射镜R反射后，照射到样品上。为了得到较强的激发光，采用一聚光镜C1使其聚焦，为了增强光效，在容器的另一侧放一凹面反射镜M。凹面镜M可使样品在该侧的散射光返回，最后由聚光镜C2把散射光汇聚到单色仪的入射夹缝上。单色仪激光器MSC1P1RC2P2图3 外光路系统示意图调节好外光路是获得拉曼光谱的关键，必须使外光路与单色仪的内光路共轴，使激光照射在样品上的束腰应当恰好成像在
14、单色仪的夹缝上。是否处于最佳成像位置，可以通过单色仪扫描出的某条拉曼谱线的强弱来判断。2.3.2 探测系统拉曼散射光是一种极微弱的光，比光电倍增管本身的热噪声还低。用通常的直流检测方法已经不能把这种淹没在噪声中的信号提取出来。单光子计数器是利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特征，采用脉冲高度甄别和数字记数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来，可直接送到计算机处理。在非弱光条件下测量时，通常是测量光电倍增管的阳极电阻上的电压，测量的信号或电压是连续的信号。当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统倍增后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。用脉冲幅度甄别器把幅度低于Vh的脉冲抑制掉，只让幅度高于Vh的脉冲通过就能实现单光子记数。2.4 实验参数的确定获得分辨率较好的拉曼散射谱是拉曼光谱技术和拉曼实验方法的关键。实验仪器的狭缝宽度、阀值大小对拉曼光谱影响较大6。首先，以常用的四氯化碳为样品研究了不同狭缝宽度、阀值大小对拉曼谱图效果的影响。以554.5nm，555.3nm两谱线的可分辨效果决定实验参数是否最佳3。2.4.1 狭缝宽度的选取入射狭缝的主要功能是控制仪器分辨率。
