第四章激光拉曼光谱法
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。
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、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的依据。
高聚物拉曼光谱可以提供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。
激光拉曼光谱分析法
激光拉曼光谱分析法首先，让我们来了解激光拉曼光谱分析的原理。
拉曼光谱是指物质分子与光子相互作用后发生的能量改变所产生的光的散射现象。
当激光照射到样品表面时，部分被散射，其中一部分发生拉曼散射，即光子在与物质分子相互作用后发生频率改变的过程。
拉曼散射光中含有与样品中分子振动、转动和其他模式有关的信息，通过分析拉曼散射光的频率和强度，可以确定样品的化学成分、结构和状态。
为了实现激光拉曼光谱的测量，需要一套专门的仪器设备。
最基本的设备包括激光器、样品架、光谱仪等。
激光器用于产生高能量、单色的激光束，通常使用激光二极管或激光器作为光源。
样品架用于将待测样品放置在激光束中，确保样品与激光充分接触。
光谱仪用于收集并分析拉曼散射光的频率和强度，通常使用光栅或干涉仪作为光谱分析装置。
激光拉曼光谱的测量过程主要包括样品的准备、实验参数的设置、光谱测量和数据分析等步骤。
首先，需要将待测样品制备成适当的形式，如固体样品可以通过压片或微晶片技术制备，液体样品可以直接放置在样品架上。
然后，根据样品的性质和分析要求，设置合适的激光器功率、波长和探测器增益等参数。
接下来，将样品架放置在激光束中，通过调整样品位置和激光聚焦来最大化拉曼散射光的强度。
然后，使用光谱仪收集拉曼散射光的光谱数据，并通过傅里叶变换等数学方法将时间域数据转换为频域数据。
最后，根据光谱图像和峰位、峰形等特征，可以确定样品的化学成分、结构和状态。
激光拉曼光谱分析法在不同领域具有广泛的应用。
在材料科学领域，可以利用激光拉曼光谱分析法研究材料的结构和相变过程，例如确定纳米材料的尺寸和形态、表征薄膜的物理性质等。
在生物医学领域，可以使用激光拉曼光谱分析法研究生物分子的结构和功能，如检测肿瘤标记物、鉴定细菌和病毒等。
在环境监测领域，可以利用激光拉曼光谱分析法迅速检测土壤、水体、空气中的污染物，例如检测水中重金属离子、鉴别有机污染物等。
综上所述，激光拉曼光谱分析法是一种高分辨率、非破坏性的分析技术，广泛应用于材料科学、生物医学、环境监测等领域。
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;
激光拉曼光谱法
激光拉曼光谱法近年来，新型材料在科学和技术领域发挥着越来越重要的作用，在许多领域得到广泛应用，如电子、医疗、航空、石油化工等等。
更重要的是，新型材料的研究为了科学的进步和社会的发展提供了重要的帮助。
为了更好地探索新型材料，人们开发了许多不同的技术，其中最受欢迎的技术之一就是激光拉曼光谱法。
激光拉曼光谱法是利用激光的近红外区的低能量激光束扫描材料样品，材料样品中的元素会发出特定波长的拉曼光谱，人们可以通过对这些拉曼光谱的谱线高度和宽度比较发现，材料样品中的元素种类和含量。
激光拉曼光谱法可以精确测定每种元素在样品中的含量，因此它在新型材料的研究中发挥了重要作用。
首先，激光拉曼光谱法可以提供快速准确的分析数据。
由于激光拉曼光谱仪的灵敏度很高，它能够快速准确的识别元素，并准确的测定它们的含量，这样可以更快速的研究新型材料。
其次，激光拉曼光谱法可以更准确地分析样品中的元素种类和含量。
比起传统的化学分析技术，激光拉曼光谱法不仅具有准确性更高，而且检测的范围更广。
因此，激光拉曼光谱法可以更准确的测定新型材料中的元素种类和含量，从而精确地探索新型材料。
另外，激光拉曼光谱法也可以研究新型材料的结构和性质。
由于激光拉曼光谱仪可以检测新型材料中的元素种类和含量，并且可以精确地了解元素之间的相互作用，从而更好地探索新型材料的结构和性质。
而且，激光拉曼光谱法还可以检测新型材料的变化。
例如，可以通过比较新型材料的拉曼光谱的谱线高度和宽度来分析新型材料的变化情况，从而更好地研究新型材料。
总之，激光拉曼光谱法无疑是一种非常有用的分析技术，它可以更好地探索新型材料，揭示新型材料的价值，为科学的发展和社会的进步做出贡献。
(完整)激光拉曼光谱法讲解
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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。
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。
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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
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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。
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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。
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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。
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四、 激光拉曼光谱法的应用
第四章拉曼光谱.pdf
拉曼散射效应是以此现象的发现者——印度物 理学家C.V.Raman（拉曼，1888-1970，1930年获诺 贝尔物理学奖）的名字命名的。拉曼于1928年首先 在液体中观察到这种现象，并记录了散射光谱。
4.1 方法原理
当单色光的光子与作为散射中心的分子相互 作用时，大部分光子只是改变方向发生散射，散 射光的频率仍与入射光的频率相同，这种散射称 为瑞利散射；但约占总散射光强度的10-7左右的散 射，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频 率也改变了，不同于入射光的频率，称为拉曼散 射。产生拉曼散射的原因是光子与分子之间发生 了能量交换。见图所示：
对于斯托克斯拉曼散射来说。分子由处于振动
基 态 E0 被 激 发 至 激 发 态 E1 ， 分 子 得 到 的 能 量 为 ΔE，恰好等于光子失去的能量：
ΔE＝E1－E0＝hΔν 与之相对应的光子频率改变Δν为
Δν＝ΔE/h
式中h为普朗克常数。此时，Stokes散射的频率为
νs： νs＝ν0－ΔE/h，Δν＝ν0－νs 斯 托 克 斯 散 射 光 的 频 率 低 于 入 射 光 频 率 ν0 。
在散射光谱中，瑞利线最易观察，其频率等于
入射光频率ν0，其强度大，表现为十分尖锐的瑞利
峰。另外，在瑞利峰的两侧还能看到强度比瑞利线低
很多的频宽分别为ν0±Δν的散射线，瑞利峰与散 射线（拉曼线）的频率之差Δν叫拉曼位移，是散射
物质的特征量，可用于物质的定性测定。拉曼线在瑞
利线两侧成对出现，在瑞利峰低频侧的拉曼线叫斯托 克斯（Stokes）线；在瑞利峰高频侧的拉曼线叫反斯 托克斯（Anti-Stokes）线。因反斯托克斯线的强度比
拉曼光谱法测定单晶硅片中的应力分布
拉曼光谱法测定单晶硅片中的应力分布1. 引言单晶硅片是电子行业中常用的材料，而其内部应力分布对其性能及稳定性有着至关重要的影响。
拉曼光谱法是一种非破坏性的测试方法，可以有效地测定单晶硅片中的应力分布。
本文将从什么是拉曼光谱法、单晶硅片中的应力分布以及拉曼光谱法如何应用于测定单晶硅片中的应力分布等方面展开讨论。
2. 什么是拉曼光谱法拉曼光谱法是一种通过激光照射样品后测定样品散射光频移而对材料进行表征的方法。
当激光光束照射到样品表面后，光子和晶格振动产生相互作用，散射光中将会存在由振动引起的频移，而这种频移就可以反映出材料的结构和性质信息。
3. 单晶硅片中的应力分布单晶硅片由于生长、切割等过程中所受到的物理和化学影响，会导致内部存在应力。
这些应力可能会影响到硅片的机械性能以及电子性能，因此了解单晶硅片中的应力分布对于材料的应用至关重要。
通常情况下，单晶硅片的应力分布是不均匀的，并且可能在不同方向上存在不同的应力状态。
4. 拉曼光谱法在测定单晶硅片中的应力分布中的应用拉曼光谱法通过测定样品中的拉曼频移，可以得到样品中晶格的应变状态，从而推算出样品中的应力分布情况。
通过对拉曼光谱数据的处理和分析，可以准确地获得单晶硅片中的应力分布情况，包括应力的大小、方向以及分布的非均匀性等信息。
5. 个人观点和理解从我个人的角度来看，拉曼光谱法作为一种非破坏性的测试手段，能够准确地获取单晶硅片中的应力分布情况，这对于材料的应用和性能评估有着重要的意义。
通过了解单晶硅片中的应力分布，我们可以更好地设计和制备材料，以满足特定应用的要求。
6. 总结与回顾本文主要介绍了拉曼光谱法在测定单晶硅片中应力分布中的应用，从什么是拉曼光谱法、单晶硅片中的应力分布，到拉曼光谱法如何应用于测定单晶硅片中的应力分布。
拉曼光谱法作为一种重要的材料表征手段，为我们提供了重要的材料信息，帮助我们更好地理解和应用材料。
对于单晶硅片中的应力分布，拉曼光谱法能够提供全面、深刻和灵活的定性和定量信息，为材料的研究和应用提供了重要的支持。
激光拉曼光谱分析法与红外光谱分析法
材料微观结构分析法一、激光拉曼光谱分析法1.拉曼光谱的基本原理当用单色光照射透明样品是，大部分光透过而小部分会被样品在各个方向上散射。
这些光的散射又分为瑞利散射和拉曼散射两种。
1.1瑞利散射和拉曼散射若光子和样品分子发生弹性碰撞，即光子和分子之间没有能量交换，即光子的能量保持不变，散射光能量和入射光能量相同，但方向可以改变。
这种光的弹性碰撞，叫做瑞利散射。
当光子和样品分子发生非弹性碰撞时，散射光能量和入射光能量大小不同，光的频率和方向都有所改变，这种光的散射成为拉曼散射。
其散射光的强度约占总散射光强度的10-6～10-10。
拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量。
1.2拉曼散射的产生拉曼散射的产生可以从光子和样品分子作用时光子发生能级跃迁来解释。
样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。
样品分子在吸收了光子后，被激发到较高的不稳定的能态（虚态）。
当样品分子激发到虚态后又回到低能级的振动激发态，此时激发光能量大于散射光能量，散射光频率小于入射光。
这时在瑞利散射线较低频率侧就会出现一根拉曼散射线，这条线称为Stokes 线。
若光子与处于振动激发态（V 1）的分子相互作用，是分子激发到更高的不稳定能态后又回到振动激态（V 0），散射光的能量大于激发光，在瑞利散射线高频率侧会出现一拉曼散射线，这条线称为Anti-stokes 线。
1.3拉曼位移Stokes 与Anti-stokes 散射光的频率与激发光之间频率的差值ΔV 称为拉曼位移。
一般斯托克斯散射光比反斯托克斯散射光强度大得多，故在拉曼光谱分析中通常测定斯托克斯散射光线。
拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同的化学键或基态有不同的振动方式，决定了其能级间的能量变化，与之对应的拉曼位移是特征的。
这是拉曼光谱进行分子结构定性分析的理论依据。
拉曼散射机制图示虚态激发态基态V 0+ΔVAnti-stokes 线 V 0 瑞利散射 V 0+ΔV Stokes 线2 基本仪器及功能拉曼光谱仪一般由光源、外光路、色散系统、及信息处理与显示系统五部分组成。
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。
拉曼光谱
由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息： 1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼 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伸缩振动产生的谱带一 般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。 3）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。
水可作为溶剂 样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器 中直接测定 固体样品可直接测定
水不能作为溶剂
不能用玻璃容器测定
需要研磨制成 KBR 压片
选律
多原子分子在红外光谱图上可以出现一个以上的基频吸收 带，基频吸收带的数目等于分子的振动自由度。 3N=平动自由度十转动自由度十振动自由度
转动自由度是由原子围绕着一个通过其质心的轴转动引起
FT
(a)由一个单色光产生的相干图象
I
FT (b)由两个单色光产生的相干图象 FT (c)由多个单色光产生的相干图象
迈克耳逊干涉仪光路
光线①和光线②是的相干光，可产生干涉。
光路中加补偿板G2的作用是使分束后的光线①和光线 ②都以相等的光程分别通过G1、G2两次，补偿了只有 G1而产生的附加光程差。M2′是M2被G1上半透膜反 射所成的虚象，在观测者看来好象M2位于M2′的位 置并与M1平行，在它们之间形成了一个空气薄膜。移 动M1即可改变空气膜的厚度。
料释放出电子〈负电〉与空穴
〈正电〉。经由外部加入电压， 这些电子会被转移到不同极性的 另一个硅层暂存起来。电子数的 多寡和曝光过程光点所接收的光 量成正比。
第四章拉曼光谱分析
第四章拉曼光谱分析引言：拉曼光谱分析是一项重要的光谱技术，它可以通过测量物质与激光光源相互作用后的散射光谱，获取有关物质结构、化学成分和分子振动等信息。
拉曼光谱分析具有非破坏性、无需样品处理、高灵敏度和非常详细的结构信息等特点，广泛应用于化学、生物、材料和环境等领域。
一、拉曼光谱原理拉曼散射现象是由物质分子受激光激发后的非弹性散射引起的。
当激光光子与物质分子发生相互作用时，发生傅里叶散射和拉曼散射两个过程。
其中，傅里叶散射是由于分子的自由旋转和振动引起的，而拉曼散射则是由于分子振动模式和其它非颤振转模式引起的，具有更加丰富的结构信息。
拉曼散射谱分为拉曼位移和强度两个方面。
拉曼位移是指拉曼散射光子相对于激发光子的频率偏移，由于分子处于不同振动模式时能量差异不同而引起。
拉曼强度则依赖于分子的极化率改变程度，因此可以提供有关分子的结构和振动信息。
二、拉曼光谱分析仪器与实验方法拉曼光谱仪由激光光源、光谱系统和探测器等组成。
常用的激光光源有氦氖激光和固体激光等，光谱系统则包括单色器、样品室和一系列的滤光器和光栅等。
探测器一般采用光电二极管或光电倍增管等，用于测量拉曼散射光的强度。
拉曼光谱实验方法主要有常规拉曼光谱、共振拉曼光谱和表面增强拉曼光谱等。
常规拉曼光谱是最常用的方法，通过对物质直接进行激光照射和拉曼散射测量来获取光谱信息。
而共振拉曼光谱则需要根据所研究物质的能级结构设计合适的激光波长，以增强拉曼信号。
表面增强拉曼光谱则是通过在样品表面引入纳米级的增强剂，如金属纳米颗粒，以提高散射强度。
三、拉曼光谱在化学分析中的应用拉曼光谱在化学分析中具有广泛的应用。
它可以用于物质的鉴别和定性分析，通过对拉曼光谱的特征峰进行比较和匹配，可以确定物质的组成和结构。
此外，拉曼光谱还可用于定量分析，通过建立标定曲线，利用拉曼强度与浓度之间的线性关系，可以测定样品中的目标成分的含量。
同时，拉曼光谱也可以用于反应动力学和过程分析，通过观察拉曼峰的强度变化，可以研究物质的反应过程和动力学参数。
激光拉曼光谱法的原理和应用实例
激光拉曼光谱法的原理和应用实例1. 原理激光拉曼光谱法是通过激发样品中的分子振动使其发生光散射，进而通过分析散射光子的能量变化来确定样品的组成和结构。
其原理主要涉及以下几个方面：1.1 拉曼散射拉曼散射是光与分子相互作用产生的光散射现象。
当光与样品分子相互作用时，部分光子的能量会发生改变，这种能量变化即为拉曼散射。
拉曼散射分为斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射两种，其中斯托克斯拉曼散射的光子能量减小，反斯托克斯拉曼散射的光子能量增大。
1.2 激发光源激光是产生拉曼散射的关键光源。
激光具有单色性、高亮度和狭窄线宽等特点，能够提供足够的功率和光子密度。
常用的激光光源包括氦氖激光器、固体激光器和半导体激光器等。
1.3 散射光子激发样品后，样品发射出的散射光子包含了拉曼散射光子。
这些散射光子的能量在激发光子的基础上发生了变化，通过测量散射光子的能量变化可以推断出样品的振动模式和化学成分。
2. 应用实例激光拉曼光谱法在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了几个典型的应用实例。
2.1 材料科学激光拉曼光谱法在材料科学中被用于材料的组成和结构分析。
通过测量散射光子能量的变化，可以得到材料中不同化学键的振动信息，从而确定其组成和结构。
这对于材料的研发和分析具有重要意义。
2.2 生物医学激光拉曼光谱法在生物医学领域中被广泛应用于生物分子的定量和定性分析。
通过测量生物样品中的拉曼散射光子能量变化，可以获得样品中不同化学物质的信息，包括蛋白质、核酸和脂类等。
这对于研究疾病的发生机制和诊断具有重要意义。
2.3 环境监测激光拉曼光谱法在环境监测中可用于检测和分析土壤、水和大气等环境样品中的化学物质。
通过测量散射光子的能量变化，可以确定样品中的有机物、无机物和污染物等成分，从而评估环境污染状况。
2.4 食品安全激光拉曼光谱法在食品安全检测中起到重要作用。
利用激光拉曼技术可以检测食品中的农药残留、添加剂和污染物等有害物质，确保食品的质量和安全。
拉曼光谱-PPT(精)
红外光谱与Raman光谱比较
② 不同之处：
a 红外光谱的入射光及检测光都是红外光，而拉曼光谱的入射光和散 射光大多是可见光。拉曼效应为散射过程，拉曼光谱为散射光谱， 红外光谱对应的是与某一吸收频率能量相等的（红外）光子被分 子吸收，因而红外光谱是吸收光谱。
b 机理不同：从分子结构性质变化的角度看，拉曼散射过程来源于分 子的诱导偶极矩，与分子极化率的变化相关。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，是拉曼活性的。 红外吸收过程与分子永久偶极矩的变化相关，一般极性分子及基 团的振动引起永久偶极矩的变化，故通常是红外活性的。
3060cm-1r-H) 1600,1587cm-1 c=c)苯环
1000cm-1 c-o-c
787 cm-1 环变形
多数的吸收光谱中，只具有二个基本参数(频率 和强度) ；
在激光拉曼光谱中还有一个重要的参数即退偏振 比(也可称为去偏振度)。
由于激光是线偏振光，而大多数的有机分子是各向异 性的，在不同方向上的分子被入射光电场极化程度是 不同的。
Raman散射 h
交换；
E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态；
获得能量后，跃迁到激发虚态.
（1928年印度物理学家Raman C V 发现；1960年快速发展）
基本原理
Raman散射
E1 + h0
Raman散射的两种跃迁 E2 + h0
能量差： E=h(0 - )
拉曼散射效应的进展：
拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发 现的，本人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。
1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。 这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；
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有分子极化度发生变化的振动才能与 入射光的电场E相
互作用，产生诱导偶极矩m：
m = aE E
（4-1）
材料现代研究方法
4.1.3 拉曼退偏振比
在多数的吸收光谱中，只具有二个基本参数(频率和强 度)，但在激光拉曼光谱中还有一个重要的参数即退偏振 比(也可称为去偏振度)。
I
I II
（4-2）
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4.5.3 碳纳米管的拉曼散射
碳纳米管(CNTs)是1990年代日本NEC公司的饭岛澄男在透 射电镜的观察下发现的。直径在4～30nm，长度最长为 1μm的碳管沉积在用于直流电弧放电蒸发的碳棒的负电 极上，真空腔内充有的氩气。碳纳米管独特的结构和奇 特的物理、机械和化学性质使其在显示器、超强复合材 料以及新一代纳电子器件等方面有十分广泛的应用前景。 各国材料研究者趋之若骛。仅以单壁碳纳米管为例说明 拉曼光谱在研究纳米材料结构上的应用。
表4.2 锐钛矿多晶和单晶拉曼活性振动模式的频率
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4.5.4 半导体纳米材料的拉曼散射
在纳米材料结构的表征中，如何确定纳米晶粒的大小是
一项很重要的指标。拉曼散射法可以基于以下的公式来
测量纳米晶粒的平均尺寸：
1
d
2
B
2
（4-4）
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4.5.4 半导体纳米材料的拉曼散射
图4.11 上图：溶菌酶的拉曼光谱 下图：组成氨基酸的重叠谱
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4.5.1 生物学材料的拉曼散射光谱
（a）双键振动区（1500～1800 cm-1） （b）环伸缩振动区（包括环上双键和C—N键） （1400～1200cm-1） （c）环的呼吸振动区（600～800cm-1） （d）核酸的主链振动
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4.5.1 生物学材料的拉曼散射光谱
材料现代研究方法
图4.12 小牛胸腺纤维DNA的拉曼光谱 上图相对湿度98% 下图相对湿度75%
4.5.2 纳米材料的某些特性
近年来，纳米材料的研究已成为材料学科中的热门和交 叉领域。纳米材料的光学、电学、磁学、力学和化学等 性质与体相材料完全不同，这是由于纳米材料的尺寸与 电子的德布罗意波长、超导相干波长以及激子波尔半径 等相当。电子被局域在一个体积十分小的纳米空间内， 电子的输运性质受到限制。
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4.5.3 碳纳米管的拉曼散射
在实际的实验中环呼吸振动峰位常被用来确定单壁碳纳
米管的直径，通常用下面的经验公式来表达二者之间的
关系：
223.75
d
（4-3）
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4.5.3 碳纳米管的拉曼散射
(a)原始CNTs的拉曼曲线 (b)酸处理CNTs的拉曼曲线 图 4.13 不同方法处理前后的CNTs的拉曼光谱曲线
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4.5.3 碳纳米管的拉曼散射
(c)酸处理结合石墨化CNTs的拉曼曲线 图 4.13 不同方法处理前后的CNTs的拉曼光谱曲线
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4.5.4 半导体纳米材料的拉曼散射
拉曼光谱在无机纳米材料结构分析中一个典型的例子是
二氧化钛纳米粒子的拉曼散射光谱。本体二氧化钛有金
红石型和锐钛矿型两种结构，它们的拉曼振动模式不完
图4-7为拉伸400％的聚酰胺—6薄膜的偏振拉曼散射光谱。 在聚酰胺—6的红外光谱中，某些谱带显示了明显的二向 色性特性。
图4.7聚酰胺—6薄膜拉伸400％~激光拉曼散射光谱
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4.4.2 高分子材料的拉曼去偏振度及 红外二向色性
图4.8为的聚酰胺—6薄膜被拉伸250％的红外偏振光谱
材料现代研究方法
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4.4.3 复合材料形变的拉曼光谱研究
材料现代研究方法
图4.9 聚合丁二炔衍生物的结构分析 (a)丁二炔衍生物单体及聚合物链的结构示意图
R代表取代基官能团 (b) 聚丁二炔单晶纤维德共振拉曼光谱
4.4.3 复合材料形变的拉曼光谱研究
图4.10复合材料中聚丁二炔单晶纤维形变分布 复合材料伸长形变分别为0．00％，0．50％和1．00％
材料现代研究方法
第四章 激光拉曼光谱法
材料现代研究方法
第四章 激光拉曼光谱法
4.1 拉曼散射光谱的基本概念 4.2 激光拉曼光谱与红外光谱比较 4.3 激光拉曼光谱法实验技术 4.4 拉曼光谱法在有机材料研究中的应用 4.5 拉曼光谱法在生物材料和纳米材料中的应用
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4.1 拉曼散射光谱的基本概念
材料现代研究方法
4.3.2 样品的处理方法
透明固体
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图4.6 各种形态样品在拉曼光谱仪中的放置方法 (b)半透明固体 (c)粉末 (d)极细粉末 (e)液体 (f)溶液
1-反射镜2-多通道池3-楔形镜4-液体
4.4 拉曼光谱法在有机材料研究中 的应用
1 拉曼光谱的选择定则与分子构象 2 高分子材料的拉曼去偏振度及红外二向色性 3 复合材料形变的拉曼光谱研究
材料现代研究方法
4.1.4 拉曼光谱图
汞弧灯激发四氯化碳的拉曼散射光谱图（简写Ram）如图 4.2所示，纵坐标为相对强度，横坐标是波数，它表示的 是拉曼位移值。
图4.2 汞弧灯激发的四氯化碳拉曼散射光谱图
材料现代研究方法
4.1.4 拉曼光谱图
材料现代研究方法
图4.3 PMMA的红外（a）及拉曼（b）光谱
4.2 激光拉曼光谱与红外光谱比较
拉曼效应产生于入射光子与分子振动能级的能量交换。 在许多情况下，拉曼频率位移的 程度正好相当于红外 吸收频率。因此红外测量能够得到的信息同样也出现在 拉曼光谱中，红外光谱解析中的定性三要素(即吸收频率、 强度和峰形)对拉曼光谱解析也适用。但由于这两种光谱 的分析机理不同，在提供信息上也是有差异的。
全相同。金红石型结构的二氧化钛属于四方晶系（
D14 4h
），
共有18种振动自由度，但具有拉曼活性的只有A1g，B1g，
B2g和Eg等四个振动模式，它们才能引起一级拉曼散射。
锐钛矿型结构的二氧化钛也属于四方晶系（D419h ），它的 单晶和多晶的拉曼散射列于表4.2。
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4.5.4 半导体纳米材料的拉曼散射
材料现代研究方法
4.4.1 拉曼光谱的选择定则与分子构象
由于拉曼与红外光谱具有互补性，因而二者结合使用能够 得到更丰富的信息。这种互补的特点，是由它们的选择定 则决定的。凡具有对称中心的分子，它们的红外吸收光谱 与拉曼散射光谱没有频率相同的谱带，这就是所谓的“互 相排斥定则”。
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4.4.2 高分子材料的拉曼去偏振度及 红外二向色性
4.1.2 拉曼光谱选律和选择定则
红外吸收要服从一定的选择定则，即分子振动时只有伴
随分子偶极矩发生变化的振动才 能产生红外吸收。同
样，在拉曼光谱中，分子振动要产生位移也要服从一定
Байду номын сангаас
的选择定则，也就是说只有伴随分子极化度。发生变化
的分子振动模式才能具有拉曼活性，产生拉曼散射。
极化度是指分子改变其电子云分布的难易程度，因此只
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4.5 拉曼光谱法在生物材料和纳米材料 中的应用
1 生物学材料的拉曼散射光谱 2 纳米材料的某些特性 3 碳纳米管的拉曼散射 4 半导体纳米材料的拉曼散射
材料现代研究方法
4.5.1 生物学材料的拉曼散射光谱
生物大分子中，蛋白质、核酸、磷酯和多聚糖等是重要的 生命基础物质，是生物体内的纳米结构材料和功能材料。
材料现代研究方法
4.2 激光拉曼光谱与红外光谱比较
表4.1常见的化合物基团振动频率在红外和拉曼光谱中 的强度比较
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4.2 激光拉曼光谱与红外光谱比较
续上表
材料现代研究方法
4.2 激光拉曼光谱与红外光谱比较
材料现代研究方法
图4.4PET的红外（a）拉曼（b）光谱
4.2 激光拉曼光谱与红外光谱比较
4.4.3 复合材料形变的拉曼光谱研究
纤维状聚合物在拉伸形变过程中，链段与链段之间的相 对位置发生了移动，从而使拉曼线发生变化。用纤维增 强热塑性或热固性树脂能得到高强度的复合材料。树脂 与纤维之间的应力转移效果，是决定复合材料机械性能 的关键因素。将聚丁二炔单晶纤维埋于环氧树脂之中， 固化后生成性能优良的结构材料。
材料现代研究方法
图4.5 线型聚乙烯的红外（a）拉曼（b）光谱
4.2 激光拉曼光谱与红外光谱比较
与红外光谱相比，拉曼散射光谱应用具有下述优点： (1)拉曼光谱是一个散射过程，因而任何尺寸、形状、透 明度的样品，只要能被激光照射到，就可直接用来测量。 (2)水是极性很强的分子，因而其红外吸收非常强烈。 (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。
材料现代研究方法
Thank you
材料现代研究方法
1 瑞利散射、拉曼散射及拉曼位移 2 拉曼光谱选律和选择定则 3 拉曼退偏振比 4 拉曼光谱图
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4.1.1 瑞利散射、拉曼散射及拉曼位移
拉曼光谱为散射光谱。当辐射能通过介质时，引起介质 内带电粒子的受迫振动，每个振动着的带电粒子向四周 发出辐射就形成散射光。
材料现代研究方法
图4.1 散射效应示意图 (a) 瑞利和拉曼散射的能级图 (b)散射谱线
图4.14 ZnO的Raman光谱（488nmAr＋激光器激发）
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4.5.4 半导体纳米材料的拉曼散射
Intensity (a.u.)
1-LO
2-LO
3-LO
4-LO
800
1600
wavenumber (cm-1)