拉曼光谱基础知识介绍

拉曼光谱基础学问介绍

1.什么是拉曼光谱？

拉曼光谱是一种散射光谱，它是基于光和材料的相互作用而产生的。

拉曼散射的定义：激光光源的高强度入射光被分子散射时，大多

数散射光与入射激光具有相同的波长（颜色），这种散射称为瑞利散射。然而，还有微小一（大约1/10^9）散射光的波长（颜色）与入射光不同，其波长的更改由测试样品（所谓散射物质）的化学结构所决议，这散射

光称为拉曼散射。

2.什么是拉曼光谱分析法？

拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发觉的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构讨论的一种分析方法。

3.拉曼光谱有何显著特点？

a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能

级有关，而不同物质的拉曼位移是不一样的（这也是用拉曼光谱定性分

析样品结构的依据）

b.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线

对称地分布在瑞利散射线两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于

得到或失去了一个振动量子的能量。

备注:实际使用过程中，人们通常以拉曼位移（）为横坐标，拉曼

光强为纵坐标。

c.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数宏大于处于振动激发态上的

粒子数。

4．拉曼谱图一般由什么构成？有何特征？

一张拉曼谱图通常由肯定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了

相应的拉曼位移和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中

既包括单一的化学键，例如C—C，C=C，N—O，C—H等，也包括由数个

化学键构成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动、多聚物长链的振动以

及晶格振动等。

拉曼光谱可以供给样品化学结构、相和形态、结晶度及分子相互

作用的认真信息。

备注：后面会通过文献实例进行实在分析

5.拉曼光谱是用于定性测试还是定量测试？

拉曼光谱通常用于定性测试，在特定条件下也可用于定量。通常

情况下，拉曼光谱（包括峰位和相对强度）供给了物质独一无二的化学

指纹，可以用于识别该物质并区分于其他物质。实际测试的拉曼光谱往

往很多而杂，通过谱峰归属来判定未知物相对比较多而杂，而通过拉曼

光谱数据库进行搜索来找寻与之匹配的结果，则可以快速对未知物进行

判别。

在其它条件不变的情况下，光谱的强度正比于样品浓度。通过标

准浓度的样品来确定峰强和浓度之间的关系（标准曲线）后，即可进行

浓度分析。对于混合物，相对峰强可以供给各种组分相对浓度的信息，

与此同时，肯定峰强可以体现肯定浓度信息（参考标准浓度校正）。

6.拉曼光谱技术的显著优越性

A.可分析的范围广：几乎全部包含真实的分子键的物质都可以用

于拉曼光谱分析，即固体、粉末、软膏、液体、胶体和气体都可以使用

拉曼光谱进行分析；拉曼一次可以同时覆盖50—4000波数的区间，可

对有机物及无机物，甚至是生物材料进行分析（若让红外光谱覆盖相同

的区间则必需更改光栅、光束分别器、滤波器和检测器）；拉曼对溶液，固体混合物和纯物质都可以进行分析。

混合材料样品的拉曼光谱:从某个样品取得的拉曼光谱包含了测试

体积（激光照射到的体积）内全部分子的信息。因此，混合物的拉曼光

谱中包含了代表测试体积内全部不同分子的拉曼信号。假如混合样品的

各种成分是已知的，那么依据相对峰强可以衡量混合物组分的相对含量。

气体样品的拉曼光谱：虽然气体样品也可以通过拉曼光谱进行分析，但是由于气体的分子密度特别低，所以测量气体的拉曼光谱相对较难，通常需要用到大功率激光器和较长路径的样品池。

B.对样品损害小：拉曼光谱是一种无损的分析技术（因此被广泛

应用于考古，文物鉴定等）

C.快速，简单，可重复：无需样品准备，样品可直接通过光纤探

头或者通过玻璃、石英和光纤测量。

采集拉曼光谱的时间是由一系列因素决议的，包括样品自身的性质、对光谱质量的要求以及所采纳的拉曼光谱仪。现代拉曼光谱仪在几

秒钟的时间内足以取得一条质量很好的拉曼光谱。

D.特别适合用于分析含水样品，包括溶液、生物组织和细胞等。

水分子的拉曼散射截面特别小，所以拉曼散射强度也比其他分子弱很多；此外，水分子的拉曼光谱也特别简单，只有为数不多的几个拉曼峰，对

于溶解物质的拉曼峰干扰甚小。在大多数情况下，即便水分子在数量上

占据很大优势，溶质的拉曼峰强度都比水的拉曼峰强度大得多。因而，

分析水溶液中的溶质是轻而易举的事情。

E.拉曼光谱谱峰清楚尖锐，更适合定量讨论、数据库搜索、运用

差异分析进行定性讨论。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可

以和功能集团的数量相关。

F.拉曼测试所需样品量少，测试面积小：由于激光束的直径在它

的聚焦部位通常只有0.2—2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就

可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉

曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小

面积的样品。当然，事实上，现代拉曼系统也可以实现宏观大样品的分析。

G.共振拉曼效应（表面加强拉曼散射SERS等）：共振拉曼效应可

以用来有选择性地加强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团

的拉曼光强能被选择性地加强1000到10000倍。

H.拉曼光谱有多种高级用途，并可以和多种表征进行联用：比如

显微拉曼光谱（拉曼光谱成像等）；拉曼光谱自动化检测和高通量筛选；原位拉曼技术（实时分析催化剂结构性能之间的关系）；拉曼－原子力

显微镜；拉曼－光致发光；拉曼－扫描电子显微镜－阴极荧光等。