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拉曼光譜儀器測(cè)試原理與儀器使用指南
閱讀：1625 發(fā)布時(shí)間：2021-5-12
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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)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(Ramanspectra)。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(wú)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(dòng)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(jí)后不會(huì)到原處基態(tài)，而落到另一較高能級(jí)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(Ramanshift)：△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(wú)關(guān)，所以拉曼光譜可以作為分子振動(dòng)能級(jí)的指紋光譜。與入射光波長(zhǎng)無(wú)光，適用于分子結(jié)構(gòu)分析。
2.拉曼光譜儀
散射光相對(duì)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(laserRamanspectroscopy)和傅立葉變換-拉曼光譜儀(FT-Ramanspectroscopy)。
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。拉曼激發(fā)光源波長(zhǎng)：325nm(UV)，488nm(藍(lán)綠)，514nm(綠)，633nm(紅)，785nm(紅)，1064nm(IR)。
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。
3)、濾光器：激光波長(zhǎng)的散射光(瑞利光)要比拉曼信號(hào)強(qiáng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，必須在進(jìn)入檢測(cè)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。
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。
5)、檢測(cè)器：傳統(tǒng)的采用光電倍增管，目前多采用CCD探測(cè)器，F(xiàn)TRaman常用的檢測(cè)器為Ge或InGaAs檢測(cè)器。
激光Raman光譜儀(laserRamanspectroscopy)：激光光源：He-Ne激光器，波長(zhǎng)632.8nm；Ar激光器，波長(zhǎng)514.5nm，488.0nm；散射強(qiáng)度∝1/λ；單色器：光柵，多單色器；檢測(cè)器：光電倍增管，光子計(jì)數(shù)器。
激光拉曼光譜因與紅外光譜有著相同的波長(zhǎng)范圍且操作相對(duì)簡(jiǎn)單，因此備受重視。所具有的優(yōu)點(diǎn)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2~2.5ug,微量操作時(shí)用量為0.06ug)、只有少量的倍頻及組頻、樣品測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器組成。
優(yōu)點(diǎn)：避免了熒光干擾；精度高；消除了瑞利譜線；測(cè)試速度快。
3.拉曼光譜儀在分析中的作用
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：?jiǎn)捂I<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(duì)稱伸縮為強(qiáng)譜帶，紅外中表現(xiàn)相反。
2)、C-C伸縮振動(dòng)在拉曼光譜中是強(qiáng)譜帶；環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(dòng)常常是*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?jī)H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)、用通常的拉曼光譜可以進(jìn)行半導(dǎo)體、陶瓷等無(wú)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.拉曼光譜儀與紅外光譜儀區(qū)別
拉曼光譜與紅外光區(qū)別
5.拉曼光譜儀優(yōu)缺點(diǎn)
拉曼光譜儀優(yōu)點(diǎn)：提供快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、且更重要的是無(wú)損傷的定性定量分析，它無(wú)需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過(guò)光纖探頭或者通過(guò)玻璃、石英、和光纖測(cè)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(shí)覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對(duì)有機(jī)物及無(wú)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(cè)器。
化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)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?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?.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(duì)常規(guī)紅外光譜一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。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(lái)有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)，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(dòng)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(duì)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(shí)，常出現(xiàn)曲線的非線性的問(wèn)題；(5)、任何一物質(zhì)的引入都會(huì)對(duì)被測(cè)體體系帶來(lái)某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會(huì)對(duì)分析的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。