《拉曼光谱的数据初步处理46页》由会员分享，可在线阅读，更多相关《拉曼光谱的数据初步处理46页（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要本文主要目的是熟悉拉曼光谱仪原理，并掌握拉曼光谱仪的实验测量技术以及拉曼光谱的数据初步处理。文章首先论述了拉曼光谱仪开发设计、安装调试中所应用的基本理论、设计原理与关键技术，介绍了激光拉曼光谱仪的发展动态、研究方向和国内外总体概况。其次阐述了拉曼散射的经典理论及其量子解释。并说明了分析拉曼光谱数据的各种可行的方法，包括平滑，滤波等。再次根据光谱仪器设计原理详细论述了分光光学系统的结构设计和激光拉曼光谱仪的总体设计，并且对各个部件的选择作用及原理做了详细的描述。最后，测量了几种样品的拉曼光谱，并利用文中阐述的光谱处理方法进行初步处理，并且进行了合理的分析对比。总之，本文主要从两个方面来分析拉
2、曼光谱仪的实验测量和光谱数据处理研究：一、拉曼光谱仪的结构，详细了解拉曼光谱仪的工作原理。二、拉曼光谱数据处理分析，用合理的方法处理拉曼光谱可以有效便捷的得到较为理想的实验结果。通过对四氯化碳、乙醇、正丁醇的光谱测量以及光谱数据分析，得到了较为理想实验效果，证明本文所论述方法的可行性和正确性。关键词: 拉曼光谱仪 光栅 光谱分析 目录第1章 引言11.1 拉曼光谱分析技术11.2 现代拉曼光谱技术与特点21.3研究拉曼光谱仪的意义21.4 本文的主要内容3第2章 基本理论42.1拉曼散射经典解释842.2拉曼散射的量子解释62.2.1散射过程的量子跃迁62.2.2量子力学结果72.2.3 Pl
3、aczek近似122.3拉曼光谱数据分析方法152.3.1数据平滑处理162.3.2基线校正182.3.3数据求导处理182.3.4数据增强算法182.3.5傅里叶变换192.3.6小波变换192.3.7 数字滤波20第3章 常规拉曼检测系统223.1 光源223.2 滤光片243.3 拉曼光谱仪及计算机软件253.3.1光栅263.3.2光电倍增管28第4章 拉曼光谱测量及数据处理和结论304.1 物质的拉曼光谱测量304.2拉曼光谱数据处理与分析334.2.1平滑处理334.2.2 低通滤波处理364.3结论38第5章 论文总结与展望39致谢：40参考文献：41第1章 引言1.1 拉曼光谱
4、分析技术1928年印度实验物理学家拉曼发现了光的一种类似于康普顿效应的光散射效应，称为拉曼效应。简单地说就是光通过介质时由于入射光与分子运动之间相互作用而引起的光频率改变。拉曼因此获得1930年的诺贝尔物理学奖，成为第一个获得这一奖项并且没有接受过西方教育的亚洲人1拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为)两侧对称地伴有频率为 (k=1，2，3，)的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线：频率差与入射光频率无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致2。拉曼光谱即拉曼散射的光谱。靠近瑞利
5、散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱：远离瑞利散射线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。拉曼散射的强度比瑞利散射要弱得多。瑞利散射线的强度只有入射光强度的千分之一，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的千分之一。与入射光频率相同的成分称为瑞利散射，频率对称分布在两侧的谱线或谱带称为拉曼散射。拉曼光谱的理论解释是：入射光子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为的光子，发射的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态(斯托克斯线)：分子吸收频率为的光子，发射的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态(反斯托克斯线)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3。拉曼光谱为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成
6、了拉曼光谱学的一个分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。但拉曼光谱本身有一定的局限性，比如拉曼散射的强度较弱，对样品进行拉曼散射研究时有强大的荧光及瑞利散射干扰等等。因此它在相当长一段时间里未真正成为一种有实际应用价值的工具，直到激光器的问世，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。激光使拉曼光谱获得了新生，因为激光的高强度极大地提高了包含双光子过程的拉曼光谱分辨率和实用性。此外强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。为了进一步提高拉曼散射的强度，人们先后发展了傅立叶变换拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、超位拉曼光谱、共
7、振拉曼光谱、时间分辨拉曼光谱等新技术，使光谱仪的效率和灵敏度得到更大的提高。目前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，对于定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。随着拉曼光谱学研究的深入，拉曼光谱的应用必将愈来愈广泛4。1.2现代拉曼光谱技术与特点 30年代拉曼光谱曾是研究分子结构的主要手段，此时的拉曼光谱仪是以汞弧灯为光源，物质产生的拉曼散射谱线极其微弱，因此应用受到限制，尤其是红外光谱的出现，使得拉曼光谱在分子结构分析中的地位一落千丈。直至60年代激光光源的问世，以及光电信号转换器件的发展才给拉曼光谱带来新的转机。世界上各大仪器厂家相继推出了激光拉曼光谱仪，
8、此时拉曼光谱的应用领域不断拓宽。70年代中期，激光拉曼探针的出现，给微区分析注入活力。80年代以来，随着科学技术的飞速发展，激光拉曼光谱仪在性能方面日臻完善，如：美国Spex公司和英国Reinshow公司相继推出了拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪，低功率的激光光源的使用使激光器的使用寿命大大延长，共焦显微拉曼的引入可以进行类似生物切片的激光拉曼扫描，从而得出样品在不同深度时的拉曼光谱。EGG Dilor公司推出多测点在线工业用拉曼系统，采用的光纤可达200m，从而使拉曼光谱的应用范围更加广阔。90年代初，由于社会生产活动的需要，人们又探索出多项技术并应用于拉曼光谱仪中，使小型便携式拉曼光谱仪出现并不
9、断发展起来成为可能。这些技术包括：引进光纤对远距离或危险的样品进行测量；用声光调制器代替光栅作为分光元件测量拉曼光谱；利用全息带阻滤光片滤除瑞利散射的干扰；研制开发出便携激光器等56。1.3研究拉曼光谱仪的意义 由于拉曼光谱具有制样简单、水的干扰少、拉曼光谱分辨率较高等特点，故其可以广泛应用于有机物、无机物以及生物样品的应用分析中。拉曼光谱技术己广泛应用于医药、文物、宝石鉴定和法庭科学等领域。对文物样品的无损分析研究。使文物的鉴定、年代的测定及文物的恢复和保存的方法更安全可靠；对爆炸物、毒品、墨迹等的痕迹无损检测为法庭提供科学证据的有力手段：对宝石的光谱分析研究对认识各地宝石中的包含物差异性。
10、并使宝石的鉴别与评价有了科学依据。近年来该技术在细胞和组织的癌变方面的检测也取得了很大的进展，随着分析方法完善和研究病例的增多以及对于病变组织差异性的规律性认识深化。拉曼光谱发展成诊断肿瘤方法的可行性将得到确认总之，随着激光技术的发展和检测装置的改进。拉曼光谱技术在当代工业生产和科学研究中必将得到越来越广泛的应用7。1.4 本文的主要内容 本文主要论述了拉曼光谱仪开发设计、安装调试中所应用的基本理论、设计原理与关键技术，介绍了激光拉曼光谱仪的发展动态、研究方向和国内外总体概况。 阐述了拉曼散射原理及其量子解释。以具体说明了分析拉曼光谱数据的各种可行的方法，包括平滑，滤波等方法的使用。根据光谱仪
11、器设计原理详细论述了分光计光学系统的结构设计、激光拉曼光谱仪的总体设计。并且对各个部件的选择作用及原理分析，做了详细的描述。最后，测量了几种样品的拉曼光谱，并对光谱利用文中阐述的光谱分析方法进行分析对比，并且进行了合理的分析。 拉曼光谱仪的实验测量和光谱数据处理研究主要从两个方面来分析：一、拉曼光谱仪的结构，详细了解拉曼光谱仪的工作原理。二、拉曼光谱数据处理分析，用合理的方法分析拉曼光谱可以有效便捷的得到较为理想的实验结果。通过对四氯化碳、乙醇、正丁醇的测量光谱以及光谱数据分析，得到较为理想实验效果，证明本文所论述方法的可行性和正确性。第2章 基本理论 当一束频率为的单色光照射到样品上后，分子
12、可以使入射光发生散射。大部分光只是改变方向发生散射，而光的频率仍与激发光的频率相同，这种散射称为瑞利散射；约占总散射光强度的，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频率也改变了，不同于激发光的频率，称为拉曼散射。拉曼散射中频率减少的称为斯托克斯散射，频率增加的散射称为反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多，拉曼光谱仪通常测定的大多是斯托克斯散射，也统称为拉曼散射。散射光与入射光之间的频率差v称为拉曼位移，拉曼位移与入射光频率无关，它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的。拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同化学键或基团有特征的分子振动，E反映了指定
13、能级的变化，因此与之对应的拉曼位移也是特征的。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据。2.1拉曼散射经典解释8 光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光是与激光光波波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。 角频率为的光入射到一个分子上，可以感应产生电偶极矩。一级近似下，所产生的感应电偶极矩P与入射光波电场E的关系可表达为下式：P=AE 式中，A是一个二阶张量，通常称A为极化率张量。 如果角频率为的入射光波只感生振荡角频率为叫的感应电偶极矩，该感生电偶极矩会辐射出与入射光角频率相同的散射光，也就是瑞利散射。但若考虑到分子内部本身有振动和
14、转动，各有其特征频率，导致激发光每个周期所遇的分子振动和转动相位不同，相应的极化率也不同，分子的感生偶极发射受自身振动和转动频率调制，会辐射出异于入射光频率的散射光，其中波长比瑞利光长的拉曼光叫斯托克斯线，比瑞利光短的叫反斯托克斯线。 考虑分子中的原子由于热运动而在平衡位置附近振动，那么，P=AE可以写作：同理： (2-1)可知，其中是极化率A的E分量。(2-1)式中的x，y，z是固定在分子上的坐标系的三个坐标轴，由于假设没有转动，这个坐标系也是固定在空间上的。是和P与E的方向无关的常数，也就是分子极化率张量A的分量。可以知道：。 一般情况下，当各个原子核从其平衡位置有一位移时，极化率的六个分
15、量中的每个分量都会发生改变。对于小位移的情形，可以把展开并保留到一级项 （2-2）式中( )0表示分子处于平衡状态时物理量的值，是引入的振动简正坐标，求和遍及全部简正坐标。由于考虑的是分子内部振动小位移的情况，振动可近似为简谐，于是得： (2-3)其中表示振动的幅度，表示振动的频率和初相位。又， （2-4）将(2-2)(2-3)(2-4)代入(2-1)，得： （2-5）同理，对于Py，PZ也能得到类似的式子。综上所述，感生偶极矩的振动情况如下：(1)以入射辐射的频率振动，结果也就是瑞利(Rayleigh)散射；(2)以频率振动，结果也就是拉曼散射，频率为的散射光是斯托克斯线，频率为的散射光是反斯托克斯线。从(2-5)式还可以断言，不同分子间瑞利散射光
