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1、激光拉曼光谱的原理和应用激光拉曼光谱的原理和应用 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、 液体或透明试样时， 大部分的光会暗原来的 发现透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与 原入射光有相同频率的瑞利散射外， 还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生 位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度 直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也 可以得到有关分子振动或转动的信息。 目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定， 分 子结构的研究 推荐激光拉曼光谱法是以拉曼散射为理
2、论基础的一种光谱分析方法。 激光拉曼光谱法的原理是拉曼散射效应。 拉曼散射： 当激发光的光子与作为散射中心的分子相互作用时， 大部分光子只是发生改变方 向的散射，而光的频率并没有改变，大约有占总散射光的 10-10-10-6的散射，不公改变了传 播方向，也改变了频率。这种频率变化了的散射就称为拉曼散射。 对于拉曼散射来说，分子由基态 E0 被激发至振动激发态 E1，光子失去的能量与分子得到 的能量相等为E 反映了指定能级的变化。 因此， 与之相对应的光子频率也是具有特征性的， 根据光子频率变化就可以判断出分子中所含有的化学键或基团。 这就是拉曼光谱可以作为分子结构的分析工具的理论工具。 拉曼光
3、谱仪的主要部件有：拉曼光谱仪的主要部件有： 激光光源、样品室、分光系统、光电检测器、记录仪和计算机。 应用应用 激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面 上的应用，在表面和薄膜方面的应用。 有机化学有机化学 拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段， 拉曼位移的大小、 强度及拉曼峰形状 是碇化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依 据。 高聚物高聚物 拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体（单休异构、位置异构、几何异 构和空间立现异构等）的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。电活性聚合物如聚毗咯、聚
4、噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具， 在高聚物的工业生产方面， 如对受挤压线性聚乙烯的 形态、 高强度纤维中紧束分子的观测， 以及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究中都彩了拉 曼光谱。 生物生物 拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光 谱可以在接近自然状态、 活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。 拉曼光谱在蛋白质 二级结构的研究、DNA 和致癌物分子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、动脉硬 化操作中的钙化沉积和红细胞膜的等研究中的应用均有文献报道。 利用 FT-Raman 消除生物大分子荧光干扰等，有许多成功的示例。 表面和薄膜表面和薄膜 拉曼
5、光谱在材料的研究方面，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多我作。 最近， 对于拉曼光谱在金刚石和类金刚石薄膜的研究工作中的应用， 国内外学者的兴趣有增 无减。 拉曼光谱已成 CVD（化学气相沉积法）制备薄膜的检测和鉴定手段。 另外，LB 膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光谱研究都已见报道。 尽管拉曼散射很弱， 拉曼光谱通常不够灵敏， 但利用工振或表面增强拉曼技术就可以大大加 强拉曼光谱的灵敏度。表面增强拉曼光谱学（SERS）已成为拉曼光谱研究中活跃的一个领 域。 发展发展 传统的光栅分光拉曼光谱仪，彩的是逐点扫描，单道记录的方法，十分浪费时间。而且激光 拉曼光谱仪所用的激光很容易激发出
6、荧光来， 影响测定。 为避免传统激光光谱仪的弊端近来 研制出了两种新型的光谱仪： 傅里叶变换近红外激光拉曼光谱仪和共焦激光光谱仪。 傅里叶拉曼光谱仪由激光光源、试样室、迈克尔逊干淑仪、特殊滤光器、检测器组成。 傅里叶拉曼光谱仪和光路与傅里叶红外光谱仪的光路比较相象。 检测到的信号经放大器由计 算机收集处理。 瑞利散射与拉曼散射的区别瑞利散射与拉曼散射的区别. 分子的外层电子在辐射能的照射下,吸收能量使电子激发至基态中较高的振动能级,在 10-12s 左右跃回原能级并产生光辐射,这种发光现象称为瑞利散射. 分子的外层电子在辐射能的照射下,吸收能量使电子激发至基态中较高的振动能级,在 10-12s
7、 左右跃回原能级附近的能级并产生光辐射,这种发光现象称为拉曼散射. 两者皆为光子与物质的分子碰撞时产生的,瑞利散射基于碰撞过程中没有能量交换,故其发 光的波长仅改变运动的方向,产生的光辐射与入射光波长相同称为弹性碰撞. 拉曼散射基于非弹性碰撞,光子不仅改变运动的方向,而且有能量交换,故其发光的波长与入 射光波长不同. 拉曼小常识拉曼小常识 拉曼是一种光散射过程 Raman Effect = Light Scattering 激光能量 - 振动谱能量 = 拉曼散射光能量 (振动谱能量对应分子结构) 激光能量 - 拉曼散射光能量 = 振动谱能量 （所得拉曼谱即为分子的指纹） 拉曼光谱系统常用激光波
8、长 拉曼光谱系统组成部分拉曼光谱的优点和特点 Fingerprint for Qualitative identification 指纹性振动谱 No sample preparation 不用样品制备 Fast and non destructive 快速，无损 Highly selective technique 高选择度北 为何使用微区拉曼 高空间分辨率； 所须样品量 少 拉曼散射光谱应用 拉曼光谱是直接联系于分子结构的振动谱， 可对物质进行指纹性认证。 物质结构的任何微小 变化会非常敏感反映在拉曼光谱中， 因而可用来研究物质的物理化学等各方面性质随结构的 变化。 广泛的应用领域： *
9、高分子聚合物 * 纳米材料 * 电化学 * 半导体 * 薄膜 * 矿物学 * 生物 * 医学药品 * 碳化物 * 在线过程监测 * 质量控制 * 刑侦： - 玻璃材料 - 氧化物 - 油漆和颜料 - 氢氧化物 - 高分子 - 硫化物 - 爆炸 - 碳酸盐 - 纤 维 - 硫酸盐 - 化学残留物 - 磷酸盐 - 颗粒性包裹体 - 麻醉剂和可控制物质 等等 红外 和 拉曼 红 外 拉 曼 分子振动谱 吸收，直接过程，发展较早 平衡位置附近偶极矩变化不为零 与拉曼光谱互补 实验仪器是以干涉仪为色散元件 测试在中远红外进行，不受荧光干扰， 低波数（远红外）困难， 微区测试较难，光斑尺寸约 10 微米，
10、空间分辨率差 红外探测器须噪声高，液氮冷却，且灵敏度较低 多数须制备样品 水对红外光的吸收？ 分子振动谱 散射，间接过程，自激光后才发展 平衡位置附近极化率变化不为零 与红外光谱互补 实验仪器是以光栅为色散元件 测试在可见波段进行，有时受样品荧光干扰，可采用近红外激发 低波数没有问题， 共焦显微微区测试，光斑尺寸可小到 1 微米，空间分辨率好 CCD 探测器噪声低，热电冷却，灵敏度高， 无须制备样品，且可远距离测试 没有水对红外光吸收的干扰 拉曼光谱仪的主要部件有： 激光光源、样品室、分光系统、光电检测器、记录仪和计算机。 应用应用 激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物
11、上的应用，在生物方面 上的应用，在表面和薄膜方面的应用。 有机化学 拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼 峰形状是碇化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判 断的依据。 高聚物 拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体（单休异构、位置异构、 几何异构和空间立现异构等） 的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。 电活性聚合物如聚毗 咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具，在高聚物的工业生产方面，如对受挤压线性聚 乙烯的形态、 高强度纤维中紧束分子的观测， 以及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究中都 彩了拉曼光谱。 生物 拉
12、曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故 拉曼光谱可以在接近自然状态、 活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。 拉曼光谱在 蛋白质二级结构的研究、DNA 和致癌物分子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、 动脉硬化操作中的钙化沉积和红细胞膜的等研究中的应用均有文献报道。 利用 FT-Raman 消除生物大分子荧光干扰等，有许多成功的示例。 表面和薄膜 拉曼光谱在材料的研究方面，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多我作。 最近，对于拉曼光谱在金刚石和类金刚石薄膜的研究工作中的应用，国内外学者的兴 趣有增无减。 拉曼光谱已成 CVD（化学气相沉积法）制备薄膜的
13、检测和鉴定手段。 另外，LB 膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光谱研究都已见报道。 尽管拉曼散射很弱，拉曼光谱通常不够灵敏，但利用工振或表面增强拉曼技术就可以 大大加强拉曼光谱的灵敏度。表面增强拉曼光谱学（SERS）已成为拉曼光谱研究中活跃拉 曼光谱仪的主要部件有： 激光光源、样品室、分光系统、光电检测器、记录仪和计算机。 应用 激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面 上的应用，在表面和薄膜方面的应用。 有机化学 拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼 峰形状是碇化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光
14、谱还可以作为顺反式结构判 断的依据。 高聚物 拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体（单休异构、位置异构、 几何异构和空间立现异构等） 的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。 电活性聚合物如聚毗 咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具，在高聚物的工业生产方面，如对受挤压线性聚 乙烯的形态、 高强度纤维中紧束分子的观测， 以及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究中都 彩了拉曼光谱。 生物 拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故 拉曼光谱可以在接近自然状态、 活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。 拉曼光谱在 蛋白质二级结构的研究、DNA 和致癌物分
15、子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、 动脉硬化操作中的钙化沉积和红细胞膜的等研究中的应用均有文献报道。 利用 FT-Raman 消除生物大分子荧光干扰等，有许多成功的示例。 表面和薄膜 拉曼光谱在材料的研究方面，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多我作。 最近，对于拉曼光谱在金刚石和类金刚石薄膜的研究工作中的应用，国内外学者的兴 趣有增无减。 拉曼光谱已成 CVD（化学气相沉积法）制备薄膜的检测和鉴定手段。 另外，LB 膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光谱研究都已见报道。 尽管拉曼散射很弱，拉曼光谱通常不够灵敏，但利用工振或表面增强拉曼技术就可以 大大加强拉曼光谱的灵敏度。表面增
16、强拉曼光谱学（SERS）已成为拉曼光谱研究中活跃的 一个领域。 发展 传统的光栅分光拉曼光谱仪，彩的是逐点扫描，单道记录的方法，十分浪费时间。而 且激光拉曼光谱仪所用的激光很容易激发出荧光来， 影响测定。 为避免传统激光光谱仪的弊 端近来研制出了两种新型的光谱仪： 傅里叶变换近红外激光拉曼光谱仪和共焦激光光谱仪。 傅里叶拉曼光谱仪由激光光源、试样室、迈克尔逊干淑仪、特殊滤光器、检测器组成。 傅里叶拉曼光谱仪和光路与傅里叶红外光谱仪的光路比较相象。检测到的信号经放大 器由计算机收集处理。 的一个领域。 发展 传统的光栅分光拉曼光谱仪，彩的是逐点扫描，单道记录的方法，十分浪费时间。而 且激光拉曼光谱仪所用的激光很容易激发出荧光来， 影响测定。 为避免传统激光光谱仪的弊 端近来研制出了两种新型的光谱仪： 傅里叶变换近红外激光拉曼光谱仪和共焦激光光谱仪。 傅里叶拉曼光谱仪由激光光源、试样室、迈克尔逊干淑仪、特殊滤光器、检测器组成。 傅里叶拉曼光谱仪和光路与傅里叶红外光谱
