拉曼光谱简介
拉曼光谱定义
拉曼光谱定义
拉曼光谱（Raman Spectroscopy）是一种非破坏性的分子特征检测手段。
它通过对激发后的分子进行检测，来识别分子中的原子或分子组成部分。
它具有高灵敏度、高准确性和非破坏性，广泛应用于有机/无机化学、生物化学、物理化学等多个学科领域。
拉曼散射是一种被激发光分子而发生的光谱效应，它是物理学家里昂·拉曼在1928年发现的，以他的名字命名。
它的本质是，当一个物体的原子或分子被外界电磁波的能量激发时，会发出符合该物体原子或分子特征的散射光，这种光谱效应就是拉曼散射效应。
拉曼光谱就是拉曼散射效应的可视化图形表示，它可以显示出物体内不同原子或分子的激发状态，从而反映出物体的结构和性质。
拉曼光谱的基本原理是，当一个物体的原子或分子被外界电磁波的能量激发时，会发出符合该物体原子或分子特征的散射光，这种光谱效应就是拉曼散射效应。
拉曼光谱的基本原理是根据物质的不同结构，被激发的分子状态不同，由此产生出不同的散射光谱来反映它们的特性。
拉曼光谱是一种高灵敏度、高准确性的分子特征检测手段，它可以直接检测分子中的原子或分子组成部分，从而反映物体的结构和性质。
由于它的非破坏性、精确性和
高灵敏度，拉曼光谱已经广泛应用于有机/无机化学、生物化学、物理化学、食品分析、环境分析等诸多领域。
拉曼光谱定义，就是表示一种利用拉曼散射原理来检测物质结构特征的方法，即通过测量拉曼散射光谱，来鉴定和识别物体中不同原子或分子组成部分的特性。
它可以提供客观准确的数据，为研究者提供重要的参考信息，从而更好的了解物质的结构、性质和功能。
表面增强拉曼散射(SERS)光谱简介
表面增强拉曼散射(SERS)光谱简介1.拉曼光谱简介：光与物质分子的碰撞可以分为两类，即弹性碰撞和非弹性碰撞。
光的散射可以看作是光子与物质碰撞后运动方向的改变。
如果发生的是弹性碰撞，即光子仅改变运动方向而在碰撞过程中没有发生能量交换，这种散射为瑞利散射(Rayleigh scattering)；如果发生的是非弹性碰撞，即光子不仅发生了运动方向的改变，而且在碰撞过程中有能量交换，这种散射就是拉曼散射(Raman scattering)。
结合图1我们可以更加清楚地了解光的散射过程。
图1 瑞利散射与拉曼散射的基本原理在激发光的激发下，分子从它的某一振动态(基态或激发态)跃迁到一个激发虚态，在皮秒时间尺度内跃迁回基态，同时伴随着光子的释放。
这时，大部分跃迁回基态时所释放的光子的波长与激发光相同，就是瑞利散射线。
另有少数光子的波长与激发光不同，即拉曼散射线，该散射又可以分为两类(见图1)：Stokes 散射和反Stokes散射。
由于常温下处于振动基态的分子数远多于处于振动激发态的分子数，所以Stokes谱线要比反Stokes线强得多。
拉曼光谱所关心的是拉曼散射光与入射光频率的差值，即拉曼频移。
不同的激发光所产生的拉曼散射光频率也不相同，但是拉曼频移是相同的。
拉曼频移表征的是化合物的振动—转动能级，在这一点上拉曼光谱与红外光谱是十分相似的[1,2]。
拉曼光谱是一项重要的现代光谱技术，它的应用早已超出化学、物理的范畴，渗透到生物学、矿物学、材料学、考古学和工业产品质量控制等各个领域，成为研究分子结构和组态、确定晶体结构的对称性、研究固体中的缺陷和杂质、环境污染物、生物分子和工业材料微观结构的有力工具。
2.表面增强拉曼散射(SERS)简介：表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering)最早是由Fleishmann 等人[3]于1974年发现。
他们在研究电化学电池内银电极上吸附的吡啶分子的拉曼光谱时发现其谱线强度有明显增强，对此他们解释为电极表面粗糙化引起电极表面积的增加。
03-2 拉曼光谱简介
一二三四五六192219281928德国物理学家印度物理学家拉曼苏联人曼迭利斯20世纪50年代1960年基本处于停顿状态，被红外随激光技术的迅速发展，人们很快把激光用作拉曼光谱2.拉曼光谱技术的优越性提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。
1）由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。
2）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进行分析。
相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器。
3）拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。
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。
4）因为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。
5）共振拉曼效应可以用来有选择性地增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增强1000到10000倍。
43. 基本原理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，大部分的光会按原来的方向透射，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、位移的大小和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。
511纵坐标是散射强度，可用任何单位表示，横坐标是拉曼位移，通常用相对于瑞利线的位移表示其数值，单位为波数（cm -1）。
拉曼光谱课件
利用拉曼光谱分析大气中的有害物质，如二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等，有助于监测和治理空气 污染。
详细描述
拉曼光谱能够检测大气中不同污染物的分子振动模式，从而确定污染物的种类和浓度。这种方法具有 非接触、无损、快速和高灵敏度的特点，对于大气污染的预防和治理具有重要意义。
水体污染物的拉曼光谱分析
总结词
拉曼光谱技术可用于检测水体中的有害物质，如重金属离子、有机污染物等，为水环境 的监测和治理提供有力支持。
详细描述
通过对水体样本进行拉曼光谱扫描，可以获取水中污染物的分子振动信息，从而判断污 染物的种类和浓度。这种方法在水质监测、饮用水安全等领域具有广泛的应用前景。
土壤污染物的拉曼光谱分析
总结词
用于分离拉曼散射信号中的不 同波长成分。
光电倍增管
用于检测拉曼散射信号，转换 为电信号。
实验操作流程
显微镜观察
使用显微镜观察样品，选择测 量区域和焦点。
数据采集
采集拉曼散射信号，记录光谱 数据。
样品准备
选择适当的样品，进行表面清 洁和干燥。
光路调整
调整拉曼光谱仪、单色仪和显 微镜的光路，确保测量区域的 聚焦。
与生物学和医学交叉
拓展拉曼光谱在生物分子结构和细胞代谢过程 中的应用。
与计算科学交叉
利用计算模拟方法预测分子拉曼光谱，指导实验设计和优化。
THANK YOU
总结词
高分子化合物的拉曼光谱分析主要依赖于链振动和侧基的振动，可以提供高分子化合物的结构和序列信息。
详细描述
拉曼光谱能够检测高分子化合物中主链和侧基的振动模式，从而推断出高分子的结构和序列。通过分析拉曼光谱 ，可以确定高分子化合物的聚合度、序列长度和支链结构等信息。
拉曼光谱
拉曼位移Δv=vR-vo
vR为拉曼线频率，vo为入射光频率。拉曼 位移与入射光频率无关，只与分子振动能 级差ΔE(ΔE=hv)有关。
不同分子具有不同振动能级，拉曼位移是 特征的，是研究分子结构的重要依据。
拉曼散射线的特点
•斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利线两 侧,相对应的拉曼位移完全相等,但斯托克斯线强度比 反斯托克斯线强度大得多;
第四章 拉曼光谱
概述
拉曼光谱是建立在拉曼散射效应基础上 的光谱分析法。
拉曼光谱与红外光谱一样，源于分子的 振动能级跃迁，属分子振动光谱。
拉曼光谱的基本原理
Real States 真实能级
Virtual State 虚能级
Mid IR Stokes Raman 红外 斯托克斯拉曼
E1+hv0 E0+hv0
•瑞利散射光的强度只有入射光强度的约10-3,而拉曼 散射光的强度非常弱,只有入射光强度的约10-6-10-8;
•若改变入射光的频率,拉曼散射线的频率也发生变化, 但它们总是出现在在瑞利线两侧,相对应的拉曼位移 保持不变;拉曼位移只与分子结构有关。
拉曼光谱图
CCl4的拉曼光谱 拉曼光谱图以拉曼位移为横坐标，拉曼线强度为纵坐标。入射光 频率当作0。由于Stokes线强于反Stokes线，所以拉曼光谱仪记录 的是前者,忽略反Stokes线。
拉曼光谱选律
从量子力学的观点来看,拉曼光谱起源于分子振动过 程中极化率的改变,红外光谱起源于分子振动过程中 偶极矩的变化.
极化率表征分子在电场(光波的电磁场)作用下分 子中电子云变形的难易程度。
振动时极化率发生变化,该振动是拉曼活性的;
振动时偶极矩发生变化,该振动是红外活性的;
拉曼光谱
Raman散射原理
E1 + h0 1. Raman effect： E2 + h0 Raman散射的两种跃
迁的能量差： E=h(0 - ) 产生stokes线；强；基 态分子多； E=h(0 + ) 产生反stokes线；弱； 2. Raman shift： Raman 散 射 光 与 入 射 光频率差；
联合散射 光谱
拉曼散射光谱（Raman）
一.拉曼光谱简介
1922 1928 1928
斯梅卡尔
预言新的谱 线 频率与方向 都发生改变
拉曼 （C.V.Raman） 在气体与液体 中观测到一种 特殊光谱的散 射 获1930年诺贝 尔物理奖
苏联人曼迭利 斯塔姆、兰兹 贝尔格 在石英中观测 到拉曼散射
一 拉曼光谱概述
• •
复 习
科学和技术都是以自然界为对象，大至宇宙中的日月
星辰，小至组成一切物质的基本粒子，都是科学认识 的对象。
空间尺度 （相差 1046） 1026 m（约150亿光年）（宇宙）——10-20 m（夸克） 时间尺度 （相差1045 ）
1018 s（150亿年）（宇宙年龄）——10-27 s（硬 射线周期）
拉曼光谱的发展――RR与SERS技术
4
拉曼光谱及其联用技术应用
光谱分类
联合散射光谱
光谱分析法
吸收光谱
发射光谱
光谱分类
发射光谱
原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）、X射 线荧光光谱法（XFS）、分子荧光光谱法（MFS）等
吸收光谱
紫外－可见光谱（UV-Vis）、原子吸收光谱（AAS）、 红外光谱（IR）、核磁共振（NMR）等
二.拉曼光谱与红外光谱的比较
拉曼光谱介绍范文
拉曼光谱介绍范文拉曼光谱是一种非常重要的分析技术，它利用了分子振动引起的光散射现象来提供关于分子结构和化学键的信息。
拉曼光谱的应用广泛，可以用于分析固体、液体和气体样品，以及生物分子和纳米材料等。
拉曼散射效应最早由印度物理学家C.V.拉曼于1928年发现，并因此获得1930年的诺贝尔物理学奖。
拉曼散射是一种物质与激发光发生相互作用后，散射光中产生的频移与激发光频率之间的差异。
这种散射光中频移的差异称为拉曼频移，它是由于分子振动引起的光的频率和波长的微小变化所产生的。
拉曼光谱通常由强入射激光和散射光组成。
入射激光一般使用可见光或近红外光，具有高单色性和窄带宽，以增强拉曼信号的检测。
散射光分为两个主要部分：一个是各向同性的爱曼散射，具有与入射光相同的波长和频率，而另一个是拉曼散射，具有频移的特性。
这些散射光经过光谱仪的分析，可以得到拉曼光谱图。
拉曼光谱图的横轴表示拉曼频移，纵轴表示散射光的强度。
拉曼光谱图中的峰对应于特定的分子振动模式，这些模式与分子中的化学键和键角有关。
通过对各峰的位置、强度和形状进行分析，可以推断出分子的结构和化学性质。
例如，在红外光谱中，通常只能检测到非极性的结构，而拉曼光谱可以提供关于极性结构的更多信息。
拉曼光谱的应用非常广泛。
在石油和化工行业，拉曼光谱可以用于燃料和原油的质量控制，以及对催化剂和聚合物材料的分析。
在药物领域，拉曼光谱可以用于药物的质量控制和结构表征。
在环境科学中，拉曼光谱可以用于水体和土壤中的有机污染物的检测和监测。
此外，拉曼光谱还常用于生物领域的研究，例如细胞和蛋白质的表征。
近年来，随着技术的发展，拉曼光谱已经得到了很大的改进。
例如，表面增强拉曼光谱（SERS）可以大大提高拉曼信号的灵敏度，使其可以检测到更低浓度的物质。
此外，激光共振拉曼光谱（LRS）可以通过共振增强效应提高拉曼信号的灵敏度。
这些改进使得拉曼光谱在更多领域中有了更广泛的应用。
总之，拉曼光谱是一种重要的分析技术，可以提供关于分子结构和化学键的信息。
--拉曼光谱简介
反斯托克斯线 h(v0+v1)
(v0+v1)
v=1 hv1
v=0
3
拉曼光谱的基本原理
Raman spectrum of CCl4
处于基态的分子总是占绝大多数，所以斯托克斯线强度远远高于反斯托克斯线 强度。斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比可用这样一个式子表示：
I反斯托克斯
/ I斯托克斯
(0 (0
Raman Intensity
Over-The-Counter Tablet, 785 laser
0
3000
2500
2000
1500
1000
500
Raman shift (cm-1)
31
Highly fluorescent sample:Poly(9-vinylcarbazole)
32
镜头的选择
FT-IR Transmission Spectrum
80 60 40 20
4 Raman Spectrum
3 2 1
4000
3000
2000
1000
9
项目
红外光谱
拉曼光谱
分子结构与光 谱活性
分子结构测定 范围
测试对象与品 种
极性分子及基团通常是红 非极性分子及基团通常是
外活性的
拉曼活性的
适于分子端基的测定
50 0 -0
Hale Waihona Puke 1 4001 200
1 000 cm-1
8 00
6 00
30 25 20 15 10 5 0
24
10 micron depth
Raman Intensity
17 micron depth
拉曼光谱
分析技术
种类
优点
不足
几种重要的拉曼光谱分析技术 1、单道检测的拉曼光谱分析技术 拉曼光谱2、以CCD为代表的多通道探测器的拉曼光谱分析技术 3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术 4、共振拉曼光谱分析技术 5、表面增强拉曼效应分析技术 拉曼光谱用于分析的优点和缺点
1、拉曼光谱用于分析的优点
含义
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发光波长相同的成分,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。拉曼效应是光子与光学支声子相互作用的结果。
拉曼光谱－原理 拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级 (点阵振动能级)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了拉曼效应:
相关信息
电化学原位拉曼光谱法,是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象,将单色入射光(包 括圆偏振光和线偏振光)激发受电极电位调制的电极表面,通过测定散射回来的拉曼光谱信号(频率、强度和偏振 性能的变化)与电极电位或电流强度等的变化关系。一般物质分子的拉曼光谱很微弱,为了获得增强的信号,可采 用电极表面粗化的办法,可以得到强度高104-107倍的表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)光谱,当具有共振拉曼效应的分子吸附在粗化的电极表面时,得到的是表面增强共振拉曼散射(SERRS)光谱, 其强度又能增强102-103。
拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，避免了一些误差的产生，并且在分 析过程中操作简便，测定时间短，灵敏度高等优点。
2、拉曼光谱用于分析的不足 (1)拉曼散射面积 (2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响 (3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰 (4)在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题 (5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析 的结果产生一定的影响。
干货全方位看懂拉曼光谱
⼲货全⽅位看懂拉曼光谱拉曼光谱（Raman spectra）以印度科学家C.V.拉曼（Raman）命名，是⼀种分⼦结构检测⼿段。
拉曼光谱是散射光谱，通过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。
以横坐标表⽰拉曼频移，纵坐标表⽰拉曼光强，与红外光谱互补，可⽤来分析分⼦间键能的相关信息。
图1：印度科学家拉曼⼀、拉曼光谱原理拉曼效应：起源于分⼦振动(和点阵振动)与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分⼦振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。
拉曼效应是光⼦与光学⽀声⼦相互作⽤的结果。
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发光波长相同的成分,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。
图2：拉曼散射⽰意图物质与光的相对作⽤分为三种：反射，散射和透射。
根据这三种情况，衍⽣出相对应的光谱检测⽅法：发射光谱（原⼦发射光谱（AES）、原⼦荧光光谱（AFS）、X射线荧光光谱法（XFS）、分⼦荧光光谱法（MFS）等），吸收光谱（紫外－可见光法（UV-Vis）、原⼦吸收光谱（AAS）、红外观光谱（IR）、核磁共振（NMR）等），联合散射光谱（拉曼散射光谱（Raman））。
拉曼光谱应运⽽⽣。
相对作⽤光谱类型实际应⽤反射发射光谱原⼦发射光谱（AES）、原⼦荧光光谱（AFS）、X射线荧光光谱法（XFS）、分⼦荧光光谱法（MFS）散射吸收光谱紫外－可见光法（UV-Vis）、原⼦吸收光谱（AAS）、红外观光谱（IR）、核磁共振（NMR）透射联合散射光谱拉曼散射光谱（Raman）表1：光谱种类区分表拉曼频移（Raman shift）：拉曼光谱的横坐标称作拉曼频移。
拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，通常的拉曼实验检测到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的频率之差值称拉曼频移（Raman shift）：Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光频率与激发光频之差。
拉曼光谱简介
Raman spectra
拉曼光谱基本原理
拉曼效应是光与物质分子之间发生能量交 换的结果，光照射到物体上会发生弹性散射 和非弹性散射。 弹性碰撞：光子和分子之间没有能量交换， 仅改变了光子的运动方向，其散射频率等于 入射频率，这种类型的散射在光谱上称为瑞 利散射。 非弹性碰撞：光子和分子之间在碰撞时发生 了能量交换，即改变了光子的运动方向，也 改变了能量。使散射频率和入射频率有所不 同。此类散射在光谱上被称为拉曼散射。
(2)水是极性很强的分子，因而其红外吸收非常强烈。但水的拉曼散射却极微弱，因 而水溶液样品可直接进行测量，这对生物大分子的研究非常有利。此外，玻璃的拉 曼散射也较弱，因而玻璃可作为理想的窗口材料，例如液体或粉末固体样品可放于 玻璃毛细管中测量。
(3)对于聚合物及其他分子，拉曼散射的选择定则的限制较小，因而可得到更为丰富 的谱带。S-S，C-C，C=C，N=N等红外较弱的官能团，在拉曼光谱中信号较为强烈。
拉曼光谱基本原理
characteristic Raman frequencies
拉曼频率的确认
composition of material
物质的组成
e.g. MoS2, MoO3
changes in frequency of Raman peak
拉曼峰位的变化
stress/strain State 张力 / 应力 crystal symmetry and orientation
晶体对称性和取向
e.g. Si 10 cm-1 shift per பைடு நூலகம் strain e.g. orientation of CVD diamond grains e.g. amount of plastic deformation e.g. thickness of transparent coating
拉曼光谱简介
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波长、波数、拉曼位移的关系可以由图 2 来解释。这是氯仿的拉曼光谱图，从下到
上三个横坐标分别表示波长、波数、拉曼位移。我们以拉曼位移在 667cm-1 处的拉曼特
所以增加入射光的频率、样品的浓度，都可以增强拉曼散射效应。散射参数与分子 的散射截面有关，增大散射截面也可以提高散射效应, 如共振拉曼和表面增强拉曼。拉
曼散射效率很低，因此拉曼散射光的强度要比瑞利光和荧光弱。举一个例子如果有一百 万个光子，大约有 999000 个瑞利散射光子，999 个荧光光子，只有一个是拉曼散射光
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最后拉曼散射光的强度可以用下面的方程表示：
I = I0 ⋅ A(υ) ⋅ J (υ) ⋅υ 4 ⋅ C I0 ,入射光的强度； A(υ) 为分子自吸收系数； J (υ) 为分子散射参数； υ 为入射光频率（与波长成反比）， C 为样品浓度。
子的非完全振动产生红外吸收带，一些强极性基团，如羟基、酮等在红外光谱有吸收带，
而测不到拉曼光谱。非极性的，但易于极化的基团，如二烯烃、双硫键等，不会产生红
外光谱，但有明显的拉曼光谱。由此可见，红外光谱与拉曼光谱可以相互补充，结合使
用这两种技术可以获得丰富完整的分子结构信息。
在拉曼光谱图中横坐标表示的拉曼位移（Raman shift），单位为波数用 cm-1 表示， 它是入射光的波数与散射光波数之差。波数是波长的倒数，用υ 表示， υ = 1 。
拉曼光谱repo-概述说明以及解释
拉曼光谱repo-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述拉曼光谱是一种非常重要的分析技术，它能够提供有关物质的结构、组成和性质的详细信息。
由于其非侵入性、快速、无需样品处理等优点，拉曼光谱在化学、材料科学、生物医学等领域广泛应用。
拉曼光谱基于拉曼散射现象，当物质受到激光或其他光源的照射时，其中一部分光被散射出来，散射光中所携带的信息与样品分子的振动行为有关。
通过测量散射光的强度和频率变化，可以确定样品分子的化学成分、结构和相互作用等信息。
拉曼光谱在许多领域有着广泛的应用。
在化学领域，它可用于研究分子结构、化学键的强度和振动频率等。
在材料科学领域，拉曼光谱可以用于表征材料的晶体结构、晶格振动和缺陷等信息。
在生物医学领域，拉曼光谱可用于研究蛋白质、DNA和细胞等生物分子的结构和相互作用。
为了实现高质量的拉曼光谱测量和数据分析，仪器和技术的发展非常重要。
常用的拉曼光谱仪包括激光器、光学元件、样品处理装置和光谱仪等。
此外，还有一些高级技术，如共焦拉曼光谱、拉曼显微成像和拉曼光谱与扫描隧道显微镜等的结合。
总之，拉曼光谱具有极高的应用价值，对于研究物质的结构、组成和性质具有重要意义。
随着仪器和技术的不断进步，拉曼光谱在科学研究和工业应用中的地位将不断提升。
本文将详细介绍拉曼光谱的基本原理、应用领域以及仪器和技术等内容，并对未来的研究展望进行探讨。
1.2 文章结构文章结构本文按照以下三个部分展开讨论拉曼光谱的相关内容。
首先，在第一部分引言中，我们将对拉曼光谱进行概述，介绍其基本原理和应用领域。
其次，在第二部分正文中，我们将详细探讨拉曼光谱的基本原理，包括拉曼散射现象和拉曼光谱的测量原理。
我们还将介绍拉曼光谱在不同领域中的应用，包括材料科学、生物医学和环境监测等。
此外，我们还将介绍与拉曼光谱相关的仪器和技术，以及常用的数据分析方法。
最后，在第三部分结论中，我们将对拉曼光谱进行总结和评价，讨论其优缺点，并展望未来拉曼光谱研究的发展方向。
拉曼光谱及其应用
拉曼光谱及其应用拉曼光谱是一种分析物质结构和化学组成的非侵入性技术，并广泛应用于许多领域，包括材料科学、生命科学和环境科学。
本文将介绍拉曼光谱的原理、仪器和一些常见的应用。
一、拉曼光谱的原理拉曼光谱是一种基于拉曼散射现象的光谱技术。
当激光等能量较高的光与物质相互作用时，光子会与物质中的分子相互作用，产生散射现象。
拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射两种类型，它们分别与物质的低频和高频振动模式相对应。
根据拉曼散射现象，我们可以获得物质的拉曼光谱。
拉曼光谱是由于分子振动引起的光散射频移所产生的谱线，可以提供关于物质结构、键合性质和化学组成的信息。
每个物质都有独特的拉曼光谱，因此拉曼光谱可以用于研究和识别不同的物质。
二、拉曼光谱的仪器为了获取物质的拉曼光谱，我们需要使用拉曼光谱仪。
一般的拉曼光谱仪包括激光光源、样品台、光学系统和光谱仪。
首先，激光光源是产生高能量光束的关键组件。
常见的激光光源包括氩离子激光器、二极管激光器和红外激光器。
不同的激光光源可以提供不同的波长范围和功率输出，以适应不同样品的测量需求。
其次，样品台是用于支撑和定位样品的平台。
样品台需要具备良好的稳定性和精确度，以确保样品在测量期间的位置和姿态不变。
然后，光学系统包括镜头、滤光片和光纤等组件，用于操控和导引激光光束。
光学系统的设计和优化可以提高信号强度和降低背景噪音，从而提高拉曼信号的检测灵敏度。
最后，光谱仪用于测量和分析样品散射的光谱。
它通常包括光栅、光电二极管和数据采集系统等部分。
光谱仪的性能决定了拉曼光谱的分辨率和信噪比，因此选择合适的光谱仪非常重要。
三、拉曼光谱的应用1. 材料科学领域拉曼光谱在材料科学中具有广泛的应用。
通过测量材料的拉曼光谱，我们可以了解材料的晶格结构、键合状态和纳米尺度的相变等信息。
拉曼光谱还可以用于研究材料缺陷、应力分布和化学反应等过程。
因此，在材料设计、合成和评估中，拉曼光谱起到了重要的作用。
2. 生命科学领域在生命科学中，拉曼光谱被广泛应用于细胞学、生物医药等领域。
拉曼光谱介绍
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拉曼光谱仪
测量原理
• 光源——太阳光-汞灯 -激光 • 耦合光路——光照射 到样品，收集散射光 （大光路和显微光路） • 瑞利滤光片 • 光谱仪和探测器
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(1)激发光源 常用的有Ar离子激光器，Kr离子激光器，He-Ne激光器， Nd-YAG激光器，二极管激光器等。Ar离子激光器的两条主要强线是 488nm蓝光和514．5nm黄绿光，这也是拉曼光谱仪上常用的激发谱线。 Kr离子激光器丰要提供近紫外谱线219nm，242nm和266nm。He-Ne激 光器的激发线常用的是632．8nm。Nd-YAG激光器激发最强的是波长为 1064nm的谱线，特别适合用于开展共振拉曼散射的染料激光器的泵浦光 源。 (2)收集光学系统 包括宏观散射光路和配置[前置单色器，偏振旋转器， 聚焦透镜，样品，收集散射光透镜(组)，检偏器等]，散射配置有0°、 90°和180°，后两者较常用。 (3)单色器和迈克尔逊干涉仪 有单光栅、双光栅或三光栅，一般使用平面 全息光栅干涉器一般与FTIR上使用的相同，为多层镀硅的CaF2或镀 Fe2O3的CaF2分束器。也有用石英分束器及扩展范围的KBr分束器。 (4)检测和控制系统 传统的采用光电倍增管，目前多采用CCD探测器， FTRaman常用的检测器为Ge或InGaAs检测器。在控制和处理方面，因 FTRaman采用了傅里叶变换技术，因此对计算机有更高的要求。
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拉曼活性
• 分子在光波的交变电磁场作用下会诱导出电偶极矩：
＝0 E0 cos2 0 t＋1/2 q0 E0 (d / d q) 0 [cos2 (0-) t + cos2（0+) t]
式中：－分子诱导的偶极矩； E－激发光的交变电场强度； －分子极化率（Polarizability） 描述电介质极化特性的微观参数，简称极化率。 • 第一项对应于分子散射光频率等于激发光频率的瑞利散射； 第二项对应于散射光频率发生位移改变的拉曼散射，其中0为Stokes线，0+为Anti-Stokes线。 • (d / d q) 00是拉曼活性的依据，即分子振动时，凡是分子 极化率随振动而改变，就会产生拉曼散射，即分子具有拉曼 活性。
拉曼光谱法简介
同一振动方式产生的拉曼位移频率和红外吸收频率是 相等的 。
拉曼光谱图 纵坐标为谱带强度，横坐标为拉曼位移频 率， 用波数表示。
4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
甲醇的拉曼光谱图
3.10.2拉曼选律
只有产生偶极矩变化的振动是红外活性的，即红外光 谱谱带强度正比于振动中原子通过它们平衡位置时偶极矩 的变化。
拉曼活性取决于振动中极化度是否变化， 只有极化度 有变化的振动才是拉曼活性的。
所谓极化度就是分子在电场（如光波这种交变的电磁 场）的作用下 分子中电子云变形的难易程度 。拉曼光谱 强度与原子在通过 平衡位置前后电子云形状的变化 大小 有关。拉曼谱线强度正比于诱导偶极矩的变化。
(1)对称取代的 S-S 、C=C 、N=N 、C≡C振动产生强拉曼 谱带，由单键、双键到三键，因可变形的电子逐渐增加， 故谱带S 、SH的伸缩振动谱带强度 可变或较弱，而在拉曼光谱中为强谱带。 C-O-O-C 的对 称伸缩在 880cm -1也是强谱带。
(3)环状化合物骨架的对称呼吸振动常是最强的拉曼谱带。
υ2as和υ3、υ4是红外活性的，而非拉曼活性 ,因为在平衡 位置前后电子云形状相同。
3.10.3 拉曼光谱的特征谱带及强度
在拉曼光谱中，官能团谱带的频率与其在红外光谱中出 现的频率基本一致。不同的是两者选律不同，所以在红外 光谱中甚至不出现的振动在拉曼光谱可能是强谱带。
1.相互排斥规则：凡有对称中心的分子，若红外是活性， 则拉曼是非活性的；反之，若红外为非活性，则拉曼是活 性的。如 O2只有一个对称伸缩振动，它在红外中很弱或 不可见，而在拉曼中较强。
普通拉曼光谱
11
拉曼光谱技术的优缺点及发展前景
影响拉曼光谱前景的因素：
1.市场动态—市场呈强势增长状态，成为科研机构的新“宠儿”。 最新研究报告表明，2014年，拉曼光谱市场价值超过1.3亿美元，显示出 高潜力的增长态势，2020年全球实验室和手持拉曼仪器的市场将达5.24亿 美元。 2.产品研发—机构、企业共同发力，创新成为拉曼光谱仪发展的第一动力。 为了打破进口仪器垄断国内市场的局面，国内科研机构加快研发脚步，以 创新的力量推动国产仪器发展。如屹谱仪器制造（上海）有限公司自主研 发制造出国内首款手持式拉曼光谱仪。 3.政府的相关政策—建立仪器行业规范，推动拉曼光谱仪器又好又快发展。 国家加大对仪器设备正规化的重视程度，国产仪器标准将走向正轨，同时 有效推动国产拉曼光谱仪稳步发展。
5
拉曼光谱仪工作原理
简而言之，不同的物质具有不同的特征光谱。这是拉曼光 谱可以作为分子结构定性分析的依据。 所以，当激光照射到不同样品后产生的散射光通过瑞利滤 光片进入到探测器中会产生不同的光谱。根据此实验原理， 可以定性分析该样品的成份。
6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
普通拉曼光谱的应用
拉曼光谱的分析方向有： 定性分析：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进 行定性分析。
4
拉曼光谱仪工作原理原理谱仪工作原理
• 当激光通过显微镜照射到样品上后， 样品分子使入射光发生散射。大部分 光只是改变传播方向而频率不变，产 生瑞利散射；极少数光不仅改变了传 播方向也改变了频率，产生拉曼散射。
• 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，因此有特定的能级变化， 所以与之对应的拉曼位移也是特征的。
拉曼光谱介绍
拉曼光谱与红外光谱的比较
相同点
产生机理
入射光 检测光 谱带范围
水 样品测试装置
制样 相互关系
解析要素
信号
检测定位
拉曼光谱
红外光谱
给定基团的红外吸收波数与拉曼位移完全相同，两者均在红外光区，都 反映分子的结构信息。
电子云分布瞬间极化产生诱导偶极
振动引起偶极矩或电荷分布 变化
可见光
红外光
可见光的散射
红外光的吸收
弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成 分,非弹性散射的散射光有比激发光波长长的 和短的成分, 统称为拉曼光谱(Raman spectra) 。 • 故拉曼光谱又称拉曼散射光谱。
拉曼光谱(Raman spectra)的原理
• 拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动) 与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分 子振动能级(点阵振动能级)与转动能级 结构的知识。用能级概念可以说明了拉 曼效应:
因此可以通过光谱进行定性分析。 定量分析
拉曼光谱定量分析依据为：
(I光学系统所收集到的样品表面拉曼信 号强度，K分子的拉曼散射截面积，Φ 样品表面的激光入射功率，k、k’分别是 入射光和散射光的吸收系数，Z入射光 和散射光通过的距离，h（z）光学系统
拉曼光谱的应用（续）
• 应用技术 通常的拉曼光谱可以进行半导体、
拉曼光谱(Raman spectra)的原理
（续）
Mid IR Stokes Raman Rayleigh Anti-Stokes Raman Fluorescence
红外 斯托克斯拉曼
瑞利散射 反斯托克斯拉曼
荧光
Real States 真实能级
Virtual State 虚能级
Vibrational States 振动能级 i
Raman拉曼光谱
于瑞利线旳位移表达旳拉曼光谱
h0
波数与红外光谱旳波数相一致。
入射
散射
h
h
E1
红外吸收 拉曼散射
E0
拉曼光谱与红外光谱
同
同属分子振(转)动光谱
异红：外红：外合用于分研子究对不同红原外子光旳旳极性吸键收振动 －O强H,度－由C分＝子O，偶－极C距－决X定
拉异曼：：拉合曼用于分研子究同对原激子光旳非旳极散性射键振动 －N－强N度－由, －分C子－C极－化，率C决＝定C
瑞利散射: 弹性碰撞；无能量互换，仅变化方向；频率不发生变化 旳辐射散射(u=u0)；强度与l0旳四次方成反比
拉曼散射：非弹性碰撞；方向变化且有能量互换； 频率发生变化旳辐射散射(u=u0△u)
光旳 散射
光旳散射
样 透过光λ不变
品 池
拉曼散射λ变
λ减小 λ增大
瑞利散射λ不变
二、拉曼散射旳产生
样品分子中旳电子首先被一
激光器示意图
工作2物质
产生激光振荡旳一种主 要条件：两个反射镜之间旳 光必须是驻波，波节在两个 反射镜处。
全反1 射镜
部分4反射镜
激光器旳选频作用
鼓励3 能源
激光旳特征: 单色性好，相位一致，方向性好，亮度高
第三节 激光拉曼光谱原理
一、光旳散射
光散射是自然界常见旳现象.当一束光照射介质时,除被吸收之外, 大部分被反射或透过,另一部分光被介质向四面八方散射.在散射光 中,大部分是瑞利散射,小部分是拉曼散射.
110 ℃干燥
500 ℃焙烧
Mo/Al2O3旳拉曼光谱
成果表白，在低负载 量时即有汇集态Mo物种 存在。随负载量提升，其 汇集度逐渐增大。
Mo/Al2O3催化剂旳Raman表征
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有对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼之一有活性，则
另一非活性；
2）互相允许法则
无对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼都是活性的 ； 3）互相禁止法则 少量分子的振动模式对红外和拉曼都是非活性的。
8
O
1.0
4 -A M IN O B E N ZO IC A C ID -IR 4 -A m i n o b e n z o i c a c i d -R a m a n
提供重原子的振动信息 ； 4）由于水的散射光谱极弱，因此拉曼光谱特别适合于研究水 溶液体系 ； 5）固体样品可直接测定，无需制样。
5
4．与红外光谱的关系
共同点：二者都反映分子振动的信息。 不同点：其物理过程不同。
1）拉曼效应是光散射过程，因此是发射光谱，而红外光 谱是吸收光谱； 2）拉曼光谱来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率变化
2
• 1960年代，激光技术的成熟极大的推动了
什么是拉曼效应呢？
光照射到物质上时会发生散射，大部分散射光的频率不变， 这部分光叫做瑞利散射。还有一小部分光的频率在散射后发 生了变化，频率的变化决定于散射物质的特性，这就是拉曼 效应。 拉曼光谱是入射光子和分子相碰
撞时，分子的振动能量或转动能
量和光子能量叠加的结果，利用 拉曼光谱可以把处于红外区的分 子能谱转移到可见光区来观测。 因此拉曼光谱作为红外光谱的补 充，是研究分子结构的有力武器。
15
5. 2 FT-Raman光谱 FT-Raman采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来 提高信噪比，并用Nd：YAG 的近红外激光光源（钇铝石榴石
激光器，波长1064 nm）照射样品，大大减弱了荧光背景 。
和传统色散光谱仪不同的 是，FT-Raman光谱仪采 用近红外光源，没有分光 系统，而且检测器采用了 高灵敏度的铟镓砷探头 。
拉曼光谱简介
张普敦
北京化工大学
1
1. 拉曼效应的发现
• 上世纪初，光的波粒二象性提出； • 1923年，Smekal预言了光的非弹性散射； 光证明了光的非弹性散射的存在。之后几个
• 1928年，印度物理学家Raman用玻璃和太阳
月，苏联科学家Landsberg和Mandelstam也
独立地发现了这一效应。 • 1931年，Raman获得了诺贝尔物理学奖。 Raman光谱技术的发展。
有关，通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引起 极化率的变化，属拉曼活性；而红外吸收与分子永久偶极
矩的变化有关，一般极性分子及基团的振动引起永久偶极
矩的变化，因此属红外活性
6
O=C=O
对称伸缩
偶极距不变无红外活性
O=C=O
反对称伸缩
偶极距变有红外活性
极化率变有拉曼活性 极化率不变无拉曼活性
7
红外及拉曼光谱的经验法则判断 ： 1）互相排斥规则
3
2．拉曼光谱的原理
可用分子能级图简单说明。 拉曼位移： 即拉曼散射光的
E1 + h0 E2 + h0 h(0 - ) E1 V=1 h0 h(0 + ) h
频率变化u。
拉曼位移与入射
E0
V=0
ANTI-STOKES
光波长无关，仅
仅与分子的振动 有关 。这就是拉
STOKES Rayleigh
曼分析的基础。
0 -
0
0 +
4
3．拉曼光谱的特点
1）红外光谱反映的是分子永久偶极矩的变化，而拉曼光谱则 反映分子诱导偶极矩的改变；
诱导偶极距μ＝aE， a为极化率，E为电场强度。
2）一些在红外光谱中为弱吸收的谱带，在拉曼光谱中可能为 强谱带，从而有利于这些基团的检出 ；
3）拉曼光谱低波数方向的测定范围宽（40 cm-1），有利于
BUCT 0.9 Unknown
O H 3C OH
0.8
0.7
0.6
In t
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
3000
2500
2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
10
1 . 0
Ben zyl s i op e n tyl e th e r
CH3 O CH3
0 . 9
B UC T U n k n o w n
0.7
0.6
Ab so r b a n ce
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
3000
2500
2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
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5．拉曼光谱实验技术
5．1 激光拉曼光谱 下图是一个传统色散型激光拉曼光谱仪的示意图：
该拉曼光谱仪的局限： 1）激发光源在可见光区，光
子能量较高，易产生荧光干 扰测定 ； 2）光栅分光导致波数的准 确度和重现性差； 3）逐点扫描，耗时长； 4）狭缝导致光通量小，信噪比低。
0.8
0.7
0.6
In t
0.5
0.4
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0.1
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2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
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1.0
b -A l a n i n e -R a m a n b -A l a n i n e -I R
O H 2N OH
0.9 BUCT Unknown 0.8
BUCT 0.9 Unknown
0.8
0.7
0.6
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0.5
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2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
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1.0
C Y C L O H E X E N E -IR C y c l o h e x e n e -R a m a n
BUCT 0.9 Unknown
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5．3 共振拉曼光谱（Resonance Raman Spectroscopy, RRS ） 激发频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，即产生 拉曼共振，这一分子的拉曼线强度可增强一万到一百万倍，并 能观察到强度可与基频相比拟的泛频及组合振动光谱。 共振拉曼光谱的特点：
0.9
BUCT Unknown
OH H2N
0.8
0.7
0.6
In t
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
3500
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2500
2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
9
1.0
B u ty ri c a c i d -R a m a n B U TY R IC A C ID -IR
0 . 8
0 . 7
0 . 6
It n0 . 50. 40 . 30 . 2
0 . 1
3 0 0 0
2 5 0 0
2 0 0 0 Wa v e n u m b e s rc (m 1 )
1 5 0 0
1 0 0 0
5 0 0
11
1.0
C y c l o h e x a n e -IR C y c l o h e x a n e -R a m a n