激光拉曼光谱
激光共聚焦拉曼光谱仪(raman)的工作原理及应用优势
激光共聚焦拉曼光谱仪(raman)的工作原理及应用优势
激光共聚焦拉曼光谱仪（Raman spectroscopy）利用拉曼散射现象来获得样品的信息。
其工作原理如下：
激光激发：激光光源照射在样品上，激发样品中的分子振动和转动。
拉曼散射：样品中的分子在受到激光激发后，会发生拉曼散射。
在这个过程中，一部分光子的能量被转移给样品分子，使得散射光子的能量发生改变，这种能量变化对应于样品分子的振动和转动能级差。
光谱测量：拉曼散射光子的能量变化被测量，生成拉曼光谱。
这个光谱提供了关于样品分子的结构、化学成分、晶体结构等信息。
激光共聚焦拉曼光谱仪的应用优势包括：
非破坏性分析：拉曼光谱是一种非破坏性的分析技术，可以直接对样品进行测试而无需破坏样品。
高灵敏度：拉曼光谱可以检测到样品中的微量成分，具有很高的灵敏度。
高空间分辨率：激光共聚焦技术结合在一起，可以提供高空间分辨率的拉曼光谱图像，对微区域样品的分析提供了可能。
无需或简化样品准备：拉曼光谱不需要复杂的样品准备过程，对样品的要求相对较低，可以节省时间和成本。
多领域应用：拉曼光谱在材料科学、药物研发、生命科学、环境监测等领域都有广泛应用，可以用于分析固体、液体、气体等不同类型的样品。
总的来说，激光共聚焦拉曼光谱仪因其非破坏性、高灵敏度、高空间分辨率等优势，在科学研究和工业领域具有重要的应用价值。
激光拉曼光谱法
激光拉曼光谱法激光拉曼光谱法（LaserRamanSpectroscopy，LRS）是一项非常重要的光谱技术，它是利用比较强的激光光束来测定物质的结构和化学性质。
技术的基本原理是利用激光照射被检测物质，使其中的原子能量升高，从而产生拉曼散射，通过测量散射光，可以获得有关物质结构和化学性质的信息。
简而言之，激光拉曼光谱法是利用激光光束使物质发射出拉曼散射，从而获得物质的结构和化学属性的一种光谱技术。
激光拉曼光谱法的优点主要有四：首先，它是一种非破坏性的检测方法，可以测量微量样品；其次，它具有良好的空间分辨率，可以对多种材料进行非破坏性检测；再次，它具有较强的抗噪声能力，并且测量精度高；最后，它可以用来测量几乎所有物质，涵盖了生物、化学和物理学等多个领域。
激光拉曼光谱法的应用非常广泛，它可以用来测量有机物、无机物、晶体以及液体的物理性质、结构和化学性质，同时可以用于对分子的排序和重组、纳米结构的测量以及蛋白质的结构分析，等等。
例如，激光拉曼光谱法可以用来分析有机材料、无机材料以及半导体材料，也可以用来测量液体、固体、粉体等材料的某些特性。
激光拉曼光谱法的精度取决于多种因素，主要有激光束能量、激光束精度、样品大小、样品分布和测量环境等。
因此，在实际使用时，必须按照规定的标准来选择合适的激光束、样品大小以及测量环境，以确保能够获得准确的测量结果。
除此之外，在使用激光拉曼光谱法测量样品时，为了避免环境温度和湿度等外界因素的影响，最好在封闭空间中进行测量。
总之，激光拉曼光谱法是一种非常实用的光谱技术，它可以用来检测有机物、无机物、晶体以及液体的物理性质、结构和化学性质，为分析物质的组成和结构提供了一种简洁、准确的方法。
当然，要想获得准确的测量结果，就必须根据测量样品的特性，选择合适的激光束、样品大小以及测量环境，严格按照规定的标准来进行测量。
拉曼光谱拉曼谱是以印度物理学家拉曼（C.V.Raman）命名的一种散射光谱
拉曼光谱拉曼谱是以印度物理学家拉曼(C.V.Raman)命名的一种散射光谱．1928年拉曼和克利希南(K.S.Krishnan)在研究单色光在液体中散射时，不仅观察到与入射光频率相同的瑞利散射，而且还发现有强度很弱，与入射光频率不同的散射光谱．同年，前苏联的曼迭利斯塔姆和兰兹贝尔格在石英的散射中也观察到了这一现象．这种新谱线对应于散射分子中能级的跃迁，为研究分子结构提供了一种重要手段，引起学术界极大兴趣，拉曼也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖．但由于拉曼光谱很弱，受当时光源和检测手段的限制，它的发展曾停滞了一段时期．19世纪60年代激光技术的出现使拉曼光谱得以迅速发展，再加上近年来发展的高分辨率的单色仪和高灵敏度的光电检测系统，使拉曼光谱学进入崭新的阶段，应用领域遍及物理、化学、生物、医学等．利用各种类型的材料作为散射物质，几乎都可能得到相应的拉曼谱．这种新型的实验技术正日益显示其重要意义。
通过实验了解激光拉曼光谱仪的基本结构与工作原理；了解拉曼散射的原理及其在现代科学研究中的作用；测量典型的CCl4拉曼散射谱。
一、实验原理当一束单色光入射在固、液或气态介质上时，从介质中有散射光向四面八方射出．散射光中较强的是瑞利散射，其频率与入射光频率ν0相同，其强度和数量级约为入射光强的10-4～10-3．除瑞利散射外还有拉曼散射，拉曼散射的散射光频率ν与入射光频率相比有明显的变化，即ν=ν0±|Δν|，其强度数量级约为瑞利散射的10-8-10-6，最强的也只是瑞利散射的10-3．瑞利线ν0长波一侧出现的散射线ν=ν0-|Δν|称为斯托克斯(Stokes)线，又称为红伴线；把短波一侧出现的ν=ν0+|Δν|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．散射光频率ν相对于入射光频率ν0的偏移，即拉曼光谱的频移Δν，是拉曼谱的一个重要特征量．散射线的±|Δν|相对于瑞利线是对称的，而且这些谱线的频移Δν不随入射光频率而变化，只决定于散射物质的性质．换句话说，在不同频率单色光的入射下都能得到类似的拉曼谱．拉曼散射是由分子振动，固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射。
激光拉曼光谱
激光拉曼光谱激光拉曼光谱(Laser-RamanSpectroscopy，简称LRS)是一种利用激光来分析物质结构的一种光谱技术，它利用一个发射激光光束，并用它强烈聚焦在分析物的表面上，使之发射出一个与激光光束频率不同的被称为拉曼散射的光束，从而得到拉曼光谱，从而分析和判断物质的分子结构、晶体结构等。
激光拉曼光谱技术由Laser Raman Spectroscopy隐含在其中，是一种把激光光束投影到物体表面，并对物体表面反射出的光线进行分析、测定其频率特征来达到分析物体结构的一种技术。
激光拉曼光谱有着广泛的研究应用，它既可以用于分析固体，也可以用于分析液体，还可以用于分析气体，用于研究物体的结构，用于研究物体的性能以及用于研究物体的分子组成或结构的研究。
激光拉曼光谱的基本原理是利用激光对物体表面发射的光线进行发射分析，因此拉曼光谱仪是一种采用双光路，一个使用激光发射光束，另一个使用拉曼散射分析激光发射光束反射回来的信号，从而分析该物体的光谱特性的仪器。
通过概率分析拉曼散射信号，可以推断出分子或晶体结构特性，从而获得其结构信息，进而研究物体的性能。
例如，在材料科学领域，可以通过激光拉曼光谱技术分析出晶体的结构信息，从而了解晶体的性质和物理特性，并获得晶体的分子结构参数，进而研究其特性。
激光拉曼光谱技术具有品质检测简便、快速、稳定、可靠、耗能低等优点，已经广泛应用在航天、航空、军事、制造业、生物、化学、电子等诸多领域。
此外，激光拉曼光谱技术的应用涉及的领域还不断扩大，例如，在汽车制造业和医疗领域，激光拉曼光谱技术应用也越来越广泛。
激光拉曼光谱技术具有很高的研究和应用价值，它是一种测定物体结构的有效方法。
但是，激光拉曼光谱技术仍然有一定的局限性，因为其分析效率低，容易受到环境噪声的干扰，还可能因为激光发射时的频率不够均匀而影响分析结果。
激光拉曼光谱技术是一种重要的光谱技术，正得到越来越多的研究与应用，也应得到相应的重视。
激光拉曼光谱
激光拉曼光谱激光拉曼光谱技术是一种基于激光和拉曼散射原理的光谱分析技术，它通过测量拉曼光谱，研究物质的化学结构、成分信息、物性参数等，以及拉曼光谱和分子结构的关系，为物理、化学和材料科学领域提供了广泛的研究和应用机会。
激光拉曼光谱的研究方法包括电子及共振光谱技术，它可以用来探测物质的结构和性质，也可以识别和分析物质的成分。
激光拉曼光谱的技术依赖的理论基础可以分为普通的拉曼原理、共振拉曼原理和复合拉曼原理。
拉曼原理是由拉曼散射测量分析物质中元素振动或颗粒所产生的拉曼散射现象，这种现象所产生的拉曼光谱容易识别物质的成分和结构。
共振拉曼散射是由物质的外电子云或共价键的频率相关的电磁场的组合而观测到的，它可以获得元素在物质中的分子结构，从而获得物质的化学结构信息。
复合拉曼散射是指拉曼散射和共振拉曼散射结合在一起使用，可以获得更多的信息。
激光拉曼光谱技术是一种灵敏、高分辨率的分析技术，可以应用于多种物质，如生物、材料、环境等，它可以用来检测机理、探索结构、计算反应率,在广泛应用于物理化学研究和机械工程制造领域。
激光拉曼光谱技术的优点可归纳为：（1）精确可靠，它可以测量到物质结构的非常小的变化，而不会受到其他因素的影响；（2）灵敏度高，可以探测到痕量物质；（3）可以获得高分辨率的全光谱信息；（4）可以检测物质的多种特性；（5）对物质的测量不受环境的影响；（6）快速测量，可以快速分析多种物质。
激光拉曼光谱技术的应用十分广泛，它可以应用于工业领域的控制及检测，如分析精细化学品；也可以应用于表面分析，如金属和多层膜结构的探索；可以应用于生命科学领域，如生物分子和生物大分子的结构和物性参数的检测；还可以应用于环境领域，如分析气体、水体中的痕量化学物；还可以应用于材料工程领域，如分析材料的结构和组成，以及晶体内部的分析等。
总之，激光拉曼光谱技术在物理、化学、材料工程、环境等多个领域中都有着广泛的应用，它拥有良好的准确性、灵敏性以及全光谱信息分析能力，而且操作简单便捷，是一种重要的分析技术。
激光拉曼光谱法
二、 拉曼光谱的谱图特征
由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：
1）同种原子非极性键S—S，C＝C，N＝N，C≡C, 强拉曼谱带， 随单键双键三键谱带强度增加。
2）红外光谱中，由C≡N，C＝S，S—H伸缩振动的谱 带较弱或强度可变，而拉曼光谱中则是强谱带。
6）C—C伸缩振动谱带在拉曼光谱中强，红外光谱中 弱。
7）醇和烷烃的拉曼光谱是相似的。 I. C—O键与C—C键的力常数或键的强度没有很大差 别。 II. 羟基和甲基的质量仅相差2单位。 III.与C—H和N—H谱带比较，O—H拉曼谱带较弱。
红外与拉曼谱图对比
红外光谱：基团； 拉曼光谱：分子骨架测定。
测量共振拉曼效应时的注意点：
1.多谱线输出的激光器（或可调谐的激光器）。 2.试样的浓度必须很低
避免产生热分解作用，通常在10-8 mol·L-1左右。 共振拉曼散射的强度较普通拉曼谱带的强度增加104～ 106倍，需要的试样浓度很低，故在研究具有发色基团的 样品和低浓度的生物样品有很大应用。
内容选择
10.5.1 激光拉曼光谱法概述
Rayleigh散射： 弹性碰撞：
激发虚态 E1 + h0
h(0 - )
无能量交换，仅
改变方向。
h0
Raman散射：
E0 + h0 h0 h0
h0 +
非弹性碰撞： E1
υ=1
方向改变且有能 量交换。
E0
υ=0
Rayleigh散射
h
Raman散射
E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态。
激光拉曼光谱
Raman活性与红外活性的比较
2.相互允许规则：一般来说，不具备对称中心的分子， 其红外和Raman光谱的活性是可以并存的。例如水的三个 振动υs 、 υas和δ都有红外和拉曼活性的。
H2O的振动模式和选律
振动模式 对称伸缩 非对称伸缩
弯曲
O HH
O
H
H
O
H H
O
H
H
极化率 变化 变化 变化
Raman 活性 活性 活性
偶极距 变化 变化 变化
红外 活性 活性 活性
Raman活性与红外活性的比较
3.相互禁阻规则：也有少数分子的振动在红外和Raman 中都是非活性的。
例如平面对称分子乙稀的扭曲振动，既无偶极矩变化， 也不产生极化率的改变，故在红外及Raman中皆为 非活 性。
Raman散射
Raman散射的两种 跃迁能量差：
E1 + h0 E0 + h0
①当入射光子(hv0)把处 h(0 - )
于E0能级的分子激发到E0+
hv0能级，因这种能态不稳 定而跃回E1能级，其净结 果是分子获得了E1与E0的
E1 V=1 E0 V=0
能量差h，而光子就损
失了这部分的能量,即使
STOK
Laser Raman Spectroscopy
目录
㈠、拉曼光谱的发展简史 ㈡、Raman光谱的基本原理 ㈢、Raman活性与红外活性的比较 ㈣、激光Raman光谱仪 ㈤、激光Raman光谱的应用 ㈥、激光Raman光谱的发展 ㈦、参考书目及文献
拉曼光谱的发展简史
1928年，印度物理学家拉曼用水银 灯照射苯液体，发现了新的辐射谱 线。因而他进一步在实验室里用一 个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的 溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色， 但是当光束进入溶液之后，除了入 射的蓝光之外，拉曼还观察到了很 微弱的绿光。拉曼认为这是光与分 子相互作用而产生的一种新频率的 光谱带，属于一种新的分子辐射， 后人称之为拉曼散射。拉曼因发现 这一新的分子辐射和所取得的许多 光散射研究成果而获得了1930年诺 贝尔物理奖。
01激光拉曼光谱法
(3) 激发光是可见光，在可见光区测分子振动光谱。 (4) 拉曼光谱中的基团振动频率和红外光谱相同。
酮羰基的伸缩振动在红外光谱中位于1710cm-1附近， 而拉曼光谱中总在（1710土3）cm-1。
06:08:55
②拉曼活性振动 诱导偶极矩 = E
非极性基团，对称分子。 拉曼活性振动-伴随有极化率变化的振动。
对称分子： 对称振动→拉曼活06性:0。8:5不5 对称振动→红外活性
(二) Raman光谱
CCl4的Ramam光谱图
06:08:55
1. Raman光谱特点
(1) 拉曼光谱记录的是stoke 线。 (2) 测量相对单色激发光频率的位移。
(1) 对不同物质： 不同。
(2) 对同一物质： 与入射光频率无关；表征分子振-
转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据；分子振-转
光谱；与红外光谱互补。
(3) Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极
矩，即
= E
分子极化率，分子电子云分布改变的难易程度。
06:08:55
06:08:55
4）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱 带。形成环状骨架的键同时振动。
5）在拉曼光谱中， X＝Y＝Z，C＝N＝C，O＝C＝O 这类键的对称伸缩振动是强谱带，反之，非对称伸 缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。
6）C—C伸缩振动谱带在拉曼光谱中强，红外光谱中弱。
06:08:55
3.实验结束，首先取出样品，关断电源。 4.注意激光器电源开、关机的顺序正好相反。
06:08:55
四、 激光拉曼光谱法的应用
激光拉曼光谱的原理
激光拉曼光谱的原理
激光拉曼光谱（Laser Raman Spectroscopy）是一种非常强大的分析技术，它利用激光光源和拉曼散射效应来获得样品的分子结构和化学成分信息。
激光拉曼光谱的原理可以概括如下：
1. 激光光源：激光拉曼光谱的核心是激光器，通常使用单色激光源，如氦氖激光器（He-Ne）或激光二极管激光器（例如Nd:YAG激光器）。
激光光源发出单一波长的激光光束，通常是可见光或近红外光。
2. 样品激发：激光光束照射到待分析的样品上。
激光光子与样品中的分子相互作用，引起分子的振动、转动和能级变化。
这些过程会导致光子的散射。
3. 拉曼散射：当激光光子与样品中的分子相互作用时，部分光子的能量会发生微小的频率变化，这就是拉曼散射。
拉曼散射产生的光子具有不同的频率或波数，其中一些频率高于激光光子，而另一些则低于它。
这种频率变化的光子被称为拉曼散射光子。
4. 原始光与拉曼散射光的分离：拉曼散射光子与原始的激光光子分开，通常通过使用光谱仪中的光栅或其他分光元件。
这使得能够将拉曼散射光子分离并记录其频率。
5. 光谱分析：分离后的拉曼光谱通过光谱仪传递到检测器上，记录不同频率（波数）下的光强度。
这个拉曼光谱包含了样品中不同分子的振动和转动模式的信息。
6. 数据解释：通过分析拉曼光谱，可以识别样品中的不同分子、它们的浓度以及分子之间的相互作用。
这使得激光拉曼光谱成为一种非侵入性、非破坏性的分析工具，可用于化学、材料科学、生物学和环境科学等领域。
总的来说，激光拉曼光谱的原理是基于激光散射的现象，通过测量拉曼光谱，可以提供有关样品分子结构和成分的宝贵信息。
激光拉曼光谱原理
激光拉曼光谱原理
激光拉曼光谱是一种用于分析物质成分和结构的非损伤性技术。
它利用激光光源照射样品，当光与样品相互作用时，其中一部分光被散射，并通过集成光谱仪进行分析。
激光拉曼光谱基于拉曼散射效应，拉曼散射是指光在与物质相互作用时改变频率和能量的现象。
当激光与样品相互作用时，有一部分光被散射，并且散射光的频率可能会发生变化。
这些频率的变化量与样品的分子振动和旋转相关。
拉曼散射光中的频率变化通常非常小，因此需要使用高分辨的光谱仪来检测。
光谱仪通常由一个光栅或干涉仪组成，可以将不同频率的光分离开来，并测量其强度。
这样就可以得到一个频率与强度的光谱图。
激光拉曼光谱可以用于分析各种类型的样品，包括固体、液体和气体。
对于固体样品，激光光源可以通过显微镜聚焦到样品表面上的微小区域，以获得高空间分辨率的光谱信息。
对于液体和气体样品，可以通过光纤将光源引导到样品中，以获取其拉曼光谱。
通过对激光拉曼光谱的分析，可以确定样品中的分子组成和结构信息。
每种分子都有独特的拉曼光谱特征，因此可以通过比对实验结果与已知标准光谱库来确定样品的成分。
此外，还可以通过观察峰值的位置、强度和形状来推断样品的分子结构和化学键信息。
激光拉曼光谱具有高灵敏度、非破坏性、快速分析等优点，因此广泛应用于材料科学、化学、生物医学等领域的研究和实际应用中。
激光共焦显微拉曼光谱分析
第五篇 光谱分析第四章 拉曼光谱分析——激光显微共焦拉曼光谱仪拉曼散射是印度科学家Raman 在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。
光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射称为瑞利散射，由英国物理学家瑞利于1899年进行了研究。
但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经色散分光过滤后的太阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。
拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。
因为这一重大发现，拉曼于1930年获诺贝尔物理学奖。
拉曼光谱得到的是物质分子的振动光谱，是物质的指纹性信息，即每一种物都有自己特征拉曼谱图，因此拉曼光谱是认证物质和分析成分的有力工具。
而且拉曼峰的频率（或波数）对物质结构的微小变化非常敏感，所以也常通过对拉曼峰的微小变化的观察，来研究在一些条件下，比如温度、压力、掺杂等，所引起的物质结构变化，以及间接推出材料不同部分微观上的环境因素的信息，如应力分布等。
拉曼光谱技术的优点：光谱的信息量大，谱图易辨认，特征峰明显；对样品无接触，无损伤；样品无需进一步处理；快速分析，鉴别各种材料的特性与结构；由于激光拉曼光谱仪还带有显微共焦功能，故又称激光显微共焦拉曼光谱仪，可做微区微量以及分层材料的分析（1微米左右光斑）；高空间分辨率对地质的包裹体尤其有用；能适合黑色和含水样品；高、低温及高压条件下测量；光谱成像快速、简便，分辨率高；仪器稳固，体积适中，维护成本低，使用简单。
激光拉曼光谱是激光光谱学中的一个重要分支，应用十分广泛。
如在化学方面应用于有机和无机分析化学、生物化学、石油化工、高分子化学、催化和环境科学、分子鉴定、分子结构等研究；在物理学方面应用于发展新型激光器、产生超短脉冲、分子瞬态寿命研究等，此外在相干时间、固体能谱方面也有广泛的应用。
一、基本原理当波数为 （频率为 ）的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。
激光拉曼光谱的原理及应用
激光拉曼光谱的原理及应用1. 激光拉曼光谱简介激光拉曼光谱是一种非损伤性、非接触性的光谱分析技术，通过测量样品散射光与激光光源相比较发生的Raman散射，得到样品的结构和成分信息。
激光拉曼光谱具有高灵敏度、快速测量、高准确性等优点，在材料科学、生物化学、环境监测等领域有广泛应用。
2. 激光拉曼光谱原理激光拉曼光谱的原理基于拉曼散射现象，当激光与物质相互作用时，部分光子发生能量的转移，散射光中频移与分子振动或晶格振动的能量差相对应，这种频移即为拉曼散射。
拉曼光谱是通过记录样品散射光的频移和强度，来研究物质结构和成分的一种手段。
3. 激光拉曼光谱的基本步骤激光拉曼光谱的测量过程可以分为以下几个步骤：• 3.1 激光照射：选择合适的激光源，将激光光束聚集到样品上。
• 3.2 散射光收集：收集由样品散射的光，包括弹性散射光和Raman 散射光。
• 3.3 光谱检测：使用光谱仪检测、记录散射光的频移和强度。
• 3.4 数据分析：对测量到的光谱进行数据处理和分析，提取所需的结构和成分信息。
4. 激光拉曼光谱的应用领域4.1 材料科学•纳米材料研究：激光拉曼光谱可以用于表征纳米材料的结构、形貌等，帮助研究者了解纳米材料的性质和行为。
•材料质量控制：通过对材料进行激光拉曼光谱分析，可以判断材料的纯度、杂质含量等，提高材料的质量控制水平。
•化学反应研究：激光拉曼光谱可以实时监测化学反应过程中的物质转化和结构变化，为反应机理的研究提供详细信息。
4.2 生物化学•药物研发：激光拉曼光谱可以用于药物分子结构的表征和药物与靶标的相互作用研究，加速药物研发过程。
•生物分析：激光拉曼光谱可以用于分析生物样品中的蛋白质、核酸等生物大分子，实现快速、无损伤的分析。
•病理诊断：激光拉曼光谱可以鉴定组织和细胞中的分子组成，提供快速的病理诊断手段。
4.3 环境监测•污染物检测：激光拉曼光谱可以快速检测环境中的化学污染物，如有机物、重金属等，有助于环境监测和治理。
(完整)激光拉曼光谱法讲解
第三节激光拉曼光谱法在分子的振动中，有些振动由于偶极矩的变化表现了红外活性，能吸收红外光，从而出现了红外吸收谱带（见第二章第二节)，但有些振动却表现了拉曼活性,产生了拉曼光谱谱带．这两种方法都能提供分子振动的信息,起到相互补充的作用，采用这两种方法，可获得振动光谱的全貌．拉曼光谱是一种散射光谱.在20世纪30年代，拉曼散射光谱曾是研究分子结构的主要手段.后来随着实验内容的深人，由于拉曼效应太弱,所以随着红外光谱的迅速发展，拉曼光谱的地位随之下降。
自1960年激光问世，并将这种新型光源引入拉曼光谱后,拉曼光谱出现了新的局面，已广泛应用于有机、无机、高分子、生物、环保等各个领域，成为重要的分析工具。
而且由于它的一些特点，如水和玻璃散射光谱极弱，因而在水溶液、气体、同位素、单晶等方面的应用具有突出的特长.近几年又发展了傅里叶变换拉曼光谱仪,使它在高分子结构研究中的作用与日俱增。
3．1基本概念3．1．1拉曼散射及拉曼位移拉曼光谱为散射光谱。
当一束频率为V0的人射光照射到气体、液体或透明晶体样品上时，绝大部分可以透过，大约有0．1％的入射光与样品分子之间发生非弹性碰撞,即在碰撞时有能量交换，这种光散射称为拉曼散射;反之，若发生弹性碰撞,即两者之间没有能量交换,这种光散射称为瑞利散射。
在拉曼散射中，若光子把一部分能量给样品分子,得到的散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中,可以检测频率为（V0—△E/h）的线，称为斯托克斯（stokes）线，如图3-1所示，如果它是红外活性的话，△E/h的测量值与激发该振动的红外频率一致。
相反,若光子从样品分子中获得能量，在大于入射光频率处接收到散射光线，则称为反斯托克斯线。
处于基态的分子与光子发生非弹性碰撞,获得能量到激发态可得到斯托克斯线，反之，如果分子处于激发态，与光子发生非弹性碰撞就会释放能量而回到基态,得到反斯托斯线。
斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之差称为拉曼位移。
激光拉曼光谱分析法
4.1.1 有机化合物结构分析
对于有机化合物的结构研究，虽然Raman光谱的应用远不如红外吸收光谱广泛，但Raman光谱适合于测定有机分子的骨架，并能够方便地区分各种异构体，如位置异构、几何异构、顺反异构等。
官能团不是孤立的，在不同的分子中，相同官能团的Raman位移有一定的差异，△ 不是固定的频率，而是在某一频率范围内变动。
光是电磁辐射，其作用于物质，光子与物质分子发生碰撞时，产生散射光。
01
当物质颗粒尺寸小于入射光波长，产生拉曼散射和瑞利散射。
03
非弹性碰撞不但改变方向，还有能量交换和频率改变，称拉曼散射。
05
当物质颗粒尺寸等于或大于入射光波长，产生丁达尔散射。
02
弹性碰撞时 无能量交换，且不改变频率，,仅改变运动方向，称瑞利散射；
11.3.1 色散型Raman光谱仪
11.3.1.3 单色器 色散型Raman光谱仪采用多单色器系统，如双单色器、三单色器。最好的是带有全息光栅的双单色器，能有效消除杂散光，使与激光波长非常接近的弱Raman线得到检测。 在傅里叶变换Raman光谱仪中，以Michelson(迈克耳孙)干涉仪代替色散元件，光源利用率高，可采用红外激光光源，以避免分析物或杂质的荧光干扰。 11.3.1.4. 检测器 一般采用光电倍增管。 为减少荧光的干扰，在色散型仪器中可用CCD检测器。 常用的检测器为Ga-As光阴极光电倍增管，光谱响应范围宽，量子效率高，而且在可见光区内的响应稳定。 傅里叶变换型仪器中多选用液氮冷却锗光电阻作为检测器。
3.2 傅里叶变换Raman光谱仪
01
02
4.1 定性分析 Raman位移△ 表征了分子中不同基团振动的特性，因此，可以通过测定△ 对分子进行定性和结构分析。另外，还可通过退偏比ρ的测定确定分子的对称性。 无机、有机、高分子等化合物的定性分析； 生物大分子的构象变化及相互作用研究； 各种材料（包括纳米材料、生物材料、金刚石）和膜（包括半导体薄膜、生物膜）的Raman分析； 矿物组成分析； 宝石、文物、公安样品的无损鉴定等方面。
激光拉曼光谱的原理和应用及常见问题
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。
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。表面增强拉曼光谱学（SERS）已成为拉曼光谱研究中活跃的一个领 域。
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。
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。
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。
拉曼光谱激光波长选择
选择拉曼光谱激光波长主要取决于研究对象和所需避免的干扰。
对于研究生物蛋白质、细胞等，需要波长较长的近红外光，以避免荧光对拉曼光谱的干扰。
而对于一些深色、黑色粉末样品，由于近红外的热效应可能使热背景干扰拉曼光谱，这时选择可见光区的激光比较合理。
拉曼散射强度与激发波长的四次方成反比，因此在长波长激光激发的拉曼信号更加弱。
探测器的灵敏度也取决于波长范围，例如，常用的CCD器件在800纳米以上的响应水平较低。
对于超过800nm的信号，可以使用InGaAs阵探测器探测，但InGaAs检测器具有比较大的噪声、比较低的灵敏度和更高的成本。
拉曼光谱中最常用的波长是785nm，它兼顾了信号强度、荧光干扰、探测器效率、成本效益和激光器之间的最佳平衡。
总的来说，选择拉曼光谱激光波长时需要综合考虑研究对象、信号强度、探测器效率、成本效益和激光器等因素。
如有需要，建议咨询专业人士。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
激光拉曼光谱当光通过介质时，除被介质吸收、反射和透射外，总有一部分被散射。
介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度、声速等）是导致光散射的原因。
相对于入射光而言，散射光的传播方向、强度、频率和偏振状态将发生变化。
光散射的本质是光传播时光与物质中的分子或原子相互作用的结果。
散射光按频率可分成三类：第一类，散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率的变化小于3×105 Hz，或者说波数变化小于10-5 cm-l，这类散射通常称为瑞利（Ray 1eigh）散射；第二类，散射光的频率与入射光的频率有较大差别，频率变化大于3×1010 Hz，或者说波数变化大于1 cm-l，这类散射现象在实验上首先由印度科学家拉曼（C. V. Raman）和前苏联科学家曼杰斯塔姆（Л.И.Мандельщтам）分别在1928年发现的，就是所谓拉曼（Raman）散射；第三类，散射光频率与入射光频率之差介于上述二者之间，这类散射称为布里渊（Brillouin）散射。
拉曼散射和布里渊散射都属于光的非弹性散射。
其中布里渊散射是由于物质中存在以声速传播的压强起伏而引起的光散射，而拉曼散射则是由于物质中分子的振动、转动、晶格振动及各种激发元参与的非弹性散射。
从散射光的强度看，瑞利散射的强度最大，一般都在入射光强度的10-3左右，常规拉曼散射的强度最弱，一般小于入射光强的10-6。
因此，为了有效地记录到拉曼散射，需要有高强度的入射光去照射样品。
由于拉曼散射强度很弱，在激光出现以前，拉曼光谱工作主要限于线性拉曼光谱，在应用方面以化学结构分析居多。
20世纪60年代初出现了激光技术，激光所具有的高强度、优良的单色性、方向性以及确定的偏振状态等特点对拉曼散射的研究十分有利；而且在遍及可见光的宽阔范围，都有不同种类的激光器可提供适当的激发波长，有些激光器还能提供波长在一定范围内连续可调的激光。
因此激光是获得拉曼散射的理想光源，再加上高质量低杂散光的单色仪和高灵敏度的弱信号检测系统的应用，使得拉曼光谱的研究有了迅猛的发展。
拉曼谱线的频率已不再是唯一易于测量的参量，对拉曼光谱的强度、带形及偏振状态也可以精确地测量，这对更深一步揭示分子结构起了更大的作用。
拉曼光谱也从原来只能观测线性拉曼散射到近些年来发展迅速的一些新的拉曼散射效应，如共振拉曼散射、受激拉曼散射、相干反斯托克斯拉曼散射、表面增强拉曼散射、时间分辨与空间分辨拉曼散射等各种新的光谱技术，使拉曼散射成为研究物质结构的一种重要工具，被广泛地应用于物理、化学、分子生物学等各个领域。
一 实验目的1.掌握拉曼光谱仪的使用，观测典型分子的振动拉曼光谱，了解拉曼散射的物理图像（经典和量子）；2.通过退偏度的测量，了解拉曼散射的退偏度及其和分子对称性的关系（选做）。
二 实验原理（一）拉曼散射的经典理论在电磁辐射的经典理论基础上讨论光散射问题，能使我们对光散射的固有机制有一个大致了解。
对于下面所作的数学推导只是提供一个分析问题的线索，预习时不必深究（有兴趣的同学可阅读有关的参考文献），但是要求了解分析所得到的结论的物理意义。
1．电偶极矩辐射对于如图1所示的、处在坐标原点的电偶极矩P，在离原点为r的地方，当r远远大于光波波长时，由电偶极矩P辐射产生的电场E为E e E )cos(1sin 22kr t r c P 0−⋅−=ωθω （1）式中0P 是偶极矩的振幅，c 是真空中的光速，k 是波矢而且c k /ω=，E e 代表r 和P 组成的平面上垂直于r 方向上的单位矢量，θ是r 和P 的夹角。
电偶极矩P 辐射的能流密度S 是r e S )(cos 4sin 22322204kr t rc P −=ωπθω其中r e 代表r 方向上的单位矢量。
在一个周期内的平均能流><S 是r r e e S θπθπω2220432232204sin ~2sin 8rP v c r c P =>=< （2）式中c v πω2/~=是辐射光波的波数。
一个频率为0ω的光入射到一个分子上，可以感应产生电偶极矩。
在一级近似下，所产生的感应电偶极矩P 与入射光波电场E 的关系由下式表达：E A P ⋅= （3）一般情况下，P 和E 不在一个方向上，A 是一个二阶张量，通常称A 为极化率张量。
如果频率为0ω的入射光波只感生振荡频率为0ω的感应电偶极矩，根据前面叙述的偶极辐射观点，该感生电偶极矩当然只辐射与频率0ω相同的散射光。
但是，如果考虑分子内部的运动，就会发现感应偶极矩的振荡频率有异于0ω的成分。
下面我们详细讨论分子存在内部运动时所产生的感应电偶极矩的辐射。
2．拉曼散射的机制分子极化率A 是分子内部运动坐标的函数。
如果分子中的原子由于热运动而在平衡位置附近振动，那么，分子极化率A 将和分子内部处于平衡状态时的极化率不同。
A 可用对振动简正坐标Q 展开的式子表示，A 的某一个分量ij a 的泰勒展开式是∑∑+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+=k l k ij ij ij ij a a a a ,20021)(L l k l k k k Q Q Q Q Q Q （4）式中符号0) (表示括号内的物理量是分子处于平衡状态时的值，L l k Q ,Q 是与频率L l k ωω,相联系的振动简正坐标，求和遍及全部简正坐标。
在下面的讨论中，对上式我们只保留到一级项，并且只讨论某个典型的正则振动模k Q ，因而式（4）便简化为图1 电偶极矩辐射示意图k Q k ijij k ij a a a )()()(0′+= （5）式中 0)(⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂=′kQ ij k ij a a 与分量表达式（5）对应的张量就是 k k 0k Q A A A ′+= （6）当分子内部振动的振幅不大时，振动可近似认为是简谐的，于是振动坐标k Q 就用下列表达式表示)cos(k k t ϕω+=k0k Q Q式中k0Q 表示振动的振幅，k ω和k ϕ分别是振动的频率和初相位，t 代表时间。
把上式代入式（5）和式（6），分别得到)cos()()()(00k k k k ikik k ij t Q a a a ϕω+′+= )cos(k k t ϕω+′+=k0k0k Q A A A 频率为0ω的光波的电场E 通常写成如下形式：t 0cos ω0E E = （7）式中0E 是电场E 的振幅矢量。
从前面的讨论知道，受电场为E 的光波的照射，分子将产生一个感应偶极矩P ，由于我们只讨论某个典型振动k Q ，把式（6）和式（7）代入式（3），得到由外场E 感应产生的偶极矩k P ：)]cos([cos cos 00k k t t t ϕωωω+⋅⋅′+⋅=⋅=0k0k00k k E Q A E A E A P ])[cos(21cos 00k k t t ϕωωω+−⋅′+⋅=0k k000E A Q E A （8） ])[cos(210k k t ϕωω++⋅′+0k k0E A Q 引入符号000E A P ⋅=， 0k k0k0E A Q P ⋅′=21 （9） t 00cos )(ωω00P P =（10） ])cos[()(00k k k t ϕωωωω+=m m k00P P（11）则式（8）可改写为])cos[(])cos[(cos 000k k k k t t t ϕωωϕωωω++++−+=k0k00k P P P P)()()(000k k ωωωωω++−+=k k 0P P P （12）从上面的简短讨论中，我们可以看到：（1） 根据经典的偶极矩辐射理论，式（1—6—12）中同时存在的三个感应偶极矩)(00ωP 和)(0k ωωm k P 将同时产生频率分别为k ωωω−00,和k ωω+0的辐射。
显然，它们分别对应瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。
（2） 从式（8）的具体推导过程中可以了解到，拉曼散射可以看作一个波的调制过程：频率为0ω的入射光波受到频率为k ω的分子振动的调制，使入射光波能量除继续以0ω的频率辐射外，还辐射出差频（k ωω−0）及和频（k ωω+0）的光。
前一种为瑞利散射，后两种为拉曼散射。
这一过程可以用图2形象地表示。
图2 光散射的经典理论调制机制示意图（3）注意到辐射强度I 的表达式是2/r S I >=<，把式（9）代入式（2），就得到拉曼散射强度 22340 sin 32)(0k k0E A Q ⋅′⎥⎦⎤⎢⎣⎡><=θπωωc I k k m 上式告诉我们，拉曼散射的强度正比于入射光强，并且近似地与入射光频率的四次方成正比。
此外，这个式子也告诉我们，由于反斯托克斯线的频率（k ωω+0）高于斯托克斯线的频率（k ωω−0），因此反斯托克斯线的强度应大于斯托克斯线。
但是这一结论与实验观察的结果正相反，这是经典理论不足之处。
（4）由式（9）联系到式（1），很容易推断出：对于空间取向固定的一个分子，感应偶极矩的取向也是固定的，因而当入射光为偏振光时，散射光也是偏振光。
但是要注意，对空间取向不固定的分子或一个取向随机的分子体系，上述推论一般不成立。
（5）由于式（11）中存在初相位因子k ϕ，因而使得不同分子间的拉曼散射光并不相干，所以对于多分子体系，其拉曼散射总强度是各个分子拉曼散射强度的代数和。
当然，基于同一理由，与式（10）相联系的不同分子间的瑞利散射光彼此应相干，因而对于多分子体系的瑞利散射强度不能简单地用各个分子的瑞利散射强度相加的办法得到。
（6）如果振动k Q 可以激发出拉曼散射，也就是说振动k Q 是拉曼活性的（Ramanactive ）。
从式（9）可以看出，振动k Q 是拉曼活性的条件是：微商极化率张量kA ′的分量k ij a )(′至少必须有一个不为零。
这个条件也就是拉曼振动的经典选择定则。
该定则的具体推算十分繁复，这里不作进一步的讨论。
与展开式（4）中二阶以上的项相联系的拉曼散射分别称为二级、三级、…拉曼散射，我们所处理的是一级（或叫做线性）拉曼散射。
上面用经典理论讨论了一级拉曼散射，使我们对拉曼散射的机制有一个大致的认识。
用量子理论讨论光散射现象，将对散射机制取得更深一层的认识。
下面简单地介绍量子理论关于光散射问题的一些观点和结论，以弥补经典理论中的不足。
（二）拉曼散射的量子力学描述量子力学体系是以波函数描述的，体系所处的能量状态通常是分立的，辐射的产生一般总是伴随着体系状态在不同能级间的跃迁。
一个体系在受到光照射产生散射光时，体系状态也随着在能级间跃迁。
跃迁的概率与跃迁矩阵元成正比，即与∑−>⋅><⋅<++>⋅><⋅<n ni i n n f r ni i n n f 0||||||||ωωψψψψωωψψψψP e P e P e P e 0r r 0（13）成正比，其中n f ψψ,和i ψ分别是末态、中间态和初态的波函数；0e 和r e 分别是入射光和散射光偏振方向的单位矢量；P 是原子或分子的电偶极矩；hn i ni E E −=ω，i E 和n E 分别是初态和中间态的能量；0ω和r ω分别是入射光和散射光的圆频率；求和应遍及所有的中间态。