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。
拉曼光谱-课件分享
拉曼光谱分析
主要内容
红外光谱(IR) 拉曼光谱(Raman)
分子振动光谱
2
激光拉曼光谱基础
1928 C.V.Raman发现拉曼散射效应 1960 随着激光光源建立拉曼光谱分析 拉曼光谱和红外光谱一样，也属于分子振动光谱 生物分子，高聚物，半导体，陶瓷，药物等分析 ，
是否出现拉曼活性主要取决于分子在运动过程时某一 固定方向上的极化率的变化。 对于分子振动和转动来说，拉曼活性都是根据极化率 是否改变来判断的。 对于全对称振动模式的分子，在激发光子的作用下， 肯定会发生分子极化，产生拉曼活性，而且活性很强； 而对于离子键的化合物，由于没有分子变形发生，不 能产生拉曼活性。
Strength enhanced 102~3 more sensitive concentration < 0.1mM similar to UV
preresonance
Resonance enhanced
共振拉曼散射
11
拉曼原理-LRS与IR比较
拉曼光谱是分子对激发光的散射，而红外光谱则是分子对红外光的吸 收，但两者均是研究分子振动的重要手段，同属分子光谱。
优势：激发波长较长， 可以避免部分荧光产生
局限：黑色样品会产生热背景 薄膜样品的厚度应 >1m 光谱范围：5~4000cm-1
23
分析方法
普通拉曼光谱 一般采用斯托克斯分析
反斯托克斯拉曼光谱 采用反斯托克斯分析
24
Raman光谱可获得的信息
Raman 特征频率
Raman 谱峰的改变
Raman 偏振峰
47
100 Cr
100
depth profile lines
拉曼光谱
4.斯托克斯线强度比反斯托克斯线强；
拉曼光谱仪
拉曼光谱仪的基本结构
1．光源 它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光。 2．外光路 外光路部分包括聚光、集光、样品架、滤光和偏振等部件。 3．色散系统 色散系统使拉曼散射光按波长在空间分开，通常使用单色仪。 4．接收系统 拉曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。光电倍增管 接收就是单通道接收。 5．信息处理与显示 为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处理方法是直流放大、选频 和光子计数，然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。
拉曼光谱图
拉曼光谱的横坐标为拉曼位移，以波数 表示纵坐标为拉曼光强。由于拉曼位移与 激发光无关，一般仅用Stokes位移部分。对 发荧光的分子，有时用反Stokes位移。
拉曼光谱的信息
拉曼频率 的确认 物质的组成
parallel
拉曼偏振
perpendicular
晶体对称性和取 向
拉曼峰宽晶体质量好 坏 Nhomakorabea拉曼峰强 度
物质总量
拉曼光谱的特征
1. 对不同物质Raman 位移不同； 2.对同一物质 (
v v s v0 , v s 和 v0分别为斯托克斯
位移和入射光波数) 与入射光频率无关；是表征分子振-转能级 的特征物理量；是定性与结构分析的依据；
3.拉曼线对称地发布在瑞利线两侧，长波一侧为斯托克斯线，
拉曼光谱法优势
对样品无接触，无损伤；样品无需 制备 适合黑色和含水样品，试样量少
光谱成像快速、简便，分辨率高
一次可同时覆盖50-4000cm-1波数的 区间 仪器稳固，维护成本低，使用简单
拉曼光谱法的不足
拉曼散射信号弱
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
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
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。
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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
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。
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。
拉曼光谱原理+模型+常见应用
拉曼光谱原理+模型+常见应用拉曼光谱是一种非常重要的光谱分析方法，它利用分子振动能级的变化而发射或吸收光子，研究样品的分子结构和化学成分。
拉曼光谱具有独特的优势，可以应用于各种领域，包括化学、生物、材料科学等。
本文将重点介绍拉曼光谱的原理、模型和常见应用。
拉曼光谱的原理：拉曼光谱是一种分子振动光谱，其基本原理是分子在受到激发后，分子的振动状态会发生变化，从而导致入射光子的频率发生改变。
这个现象被称为拉曼散射，是由分子的振动引起的。
当分子受到光子激发，分子的振动能级发生变化，使得散射光子的频率发生变化，这种频率差被称为拉曼频移。
通过测量样品散射光的频率和强度，可以得到样品的拉曼光谱图谱，从而分析样品的分子结构和化学成分。
拉曼光谱的模型：拉曼光谱的模型主要是通过量子力学和分子振动理论来描述分子的振动状态和引起的拉曼频移。
在拉曼光谱分析中，通常采用谐振子模型和量子力学模型来模拟分子的振动模式和能级，从而推导出分子的振动能级和拉曼频移的数学表达式。
利用这些模型，可以计算出不同分子的拉曼频移和强度，从而分析样品的分子结构和化学成分。
拉曼光谱的常见应用：1.化学分析：拉曼光谱可以用于分析化学物质的结构和成分，包括有机分子、高分子材料、药物等。
通过拉曼光谱分析，可以辨识和鉴定不同化合物的结构和功能团，从而实现化学成分的快速检测和分析。
2.生物医学：拉曼光谱可以用于生物医学领域，包括生物分子的结构和功能分析、生物样本的快速检测和诊断等。
通过分析生物样本的拉曼光谱，可以实现对细胞、组织和生物分子的快速、无损检测和分析。
3.材料科学：拉曼光谱可以用于材料科学领域，包括材料表面、界面和纳米结构的表征、材料的结构、形貌和成分分析等。
通过拉曼光谱分析，可以实现对材料的微观结构和性质的表征和分析。
4.环境监测：拉曼光谱可以用于环境监测领域，包括大气、水体和土壤样品的化学成分和污染物的分析、环境污染的监测和评估等。
通过拉曼光谱分析，可以实现对环境样品的快速、准确的分析和监测。
有机波谱分析拉曼
含氮有机物的拉曼光谱特征
• 胺类：在3400-3500cm-1附近出现特征峰，对应 于N-H键的伸缩振动；在1550-1650cm-1附近出 现特征峰，对应于N-H键的弯曲振动。
含硫有机物的拉曼光谱特征
• 硫醇类：在3400-3500cm-1附近 出现特征峰，对应于S-H键的伸 缩振动；在1250-1450cm-1附近 出现特征峰，对应于C-S键的伸 缩振动。
03
拉曼光谱在有机物结构分 析中的应用
确定分子结构
拉曼光谱可以提供分子振动和转动信息，通过分析这些信息，可以确定分子的结构。例如，通过观察 拉曼光谱中的峰位置和强度，可以推断出分子中存在的化学键和分子构型。
拉曼光谱还可以用于研究分子内部的相互作用和分子间的相互作用，从而进一步了解分子的结构和性 质。
05
拉曼光谱的实验技术及样 品制备
实验设备与操作
拉曼光谱仪
用于产生和检测拉曼散射的仪器， 包括激光源、光谱仪和样品台。
激光波长选择
根据样品特性选择合适的激光波长， 以获得最佳的拉曼散射效果。
实验参数设置
包括曝光时间、激光功率、扫描范 围等，需根据具体情况进行调整。
样品制备方法
01
02
03
固体样品
环境科学
拉曼光谱可以用于环境科学领域的研究，例如检 测水体中的污染物、监测大气中的气体成分等。
拉曼光谱的优势与局限性
优势
拉曼光谱具有高灵敏度、高分辨率和 高重现性等优点，可以用于多种不同 类型的物质分析，且对样品无损伤。
局限性
拉曼光谱的信号较弱，需要较长时间 采集数据；另外，拉曼光谱对样品的 要求较高，有些样品可能难以获得理 想的拉曼光谱。
鉴定化合物类型
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。
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。
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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。
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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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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 。
小于入射光的波长，为反斯托克斯散射。一般来讲，反斯托克斯线又比斯托克斯线更弱。
λ λ λ 若以 0 表示激发光波长， Δ 波长的变化，则斯托克斯线的波长 − 为：
λ− = λ0 + Δλ
反斯托克斯线的波长为： λ − = λ 0 − Δ λ
拉曼光谱和红外吸收光谱都是分子光谱，但是他们产生的机制不同。极化率变化的
的路径与激发光路径的角度）。收集到的散射光中既有瑞利光又用荧光，而拉曼信号非
常弱，分光系统应该有很强的抗杂散光的能力。散射光经收集后，首先经过一种特别的
全息瑞利滤光片，这种窄带陷波滤光片的特点是，能有针对性的将以激光波长为中心的
几个纳米范围内的瑞利散射光能量滤除达 5-6 个数量级之多，而让该范围之外的光顺利
波长小的一侧称为反斯托克斯线，波长大的一侧称为斯托克斯线,如图 1。当分子从电
子基态受激跃迁到电子虚态之后又返回到某个激发态，分子的能量增加，光子的能量减
小，散射光的波长大于入射光的波长，为斯托克斯散射；当分子从电子激发态受激跃迁
到电子虚态之后又辐射跃迁到电子基态，分子能量减小，光子能量增加，散射光的波长
征峰为例来说明，这条谱线其波数大约在 18880 cm-1 处，波长在 533nm 处。拉曼位移的
值大于 0 的为斯托克斯线，小于 0 的为反斯托克斯线。因为反斯托克斯线的信号很弱，
因此在拉曼光谱中一般才用斯托克斯线。
图2
必达泰克 MiniRamI 拉曼测试的阿司匹林药片的光谱和软件界面，激发波长 785nm， 积分时间 3s。
图4 光路系统：一般采用 900 和 1800 几何散射结构收集散射光（角度是指收集散射光
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拉曼光谱仪系统的组成
拉曼光谱系统一般由四个部分组成：光源、样品池、散射光收集与分光系统和信号 处理系统。下图为必达泰克便携式拉曼光谱系统的结构示意图。
必达泰克公司采用的高灵敏度 CCD。
拉曼光谱的特点和应用领域
拉曼光谱与物质分子的振动、转动能级有关，因此拉曼光谱技术主要用来探测物质 的分子组成与结构形态。拉曼光谱同其他光谱技术相比，具有许多明显的优点。首先， 它具有优秀的“指纹”能力，在 10-4000 cm-1 范围内的谱线对应着分子的基频振动，因 而谱线细锐，可以反映出生物大分子组分或结构的细微变化。拉曼光谱的特异性好，每 种分子都有其自身特殊的拉曼光谱。其次，由于它对样品无特殊要求，适用范围广。再 次，其样品用量少、制样简便、测试快捷；另外，拉曼光谱技术具有很高的空间分辨率， 结合光纤技术可以实现在线实时检测。此外，拉曼光谱还有一个巨大的优势，这就是样 品可装于或密闭在玻璃毛细管内，因为可见光区的拉曼散射不为玻璃吸收，而且玻璃本 身的拉曼散射也比较弱。因此，易潮、易氧化以及腐蚀性的化合物常可封入玻璃管中进 行测量。加之，水本身的拉曼光谱很弱，且在 3000 cm-1 以上，使得水溶液样品容易分 析，可以在生理条件下进行原位测量。
通过。在必达泰克拉曼探头上装有这种滤光片，可以使瑞利光的降低降低 6 个数量级。
分光系统是拉曼光谱仪的核心部分，其主要装置为光栅，还包括反射镜、准直镜等。
必达泰克分光系统采取车尔尼特纳和轴相透射两种设计形式，光谱覆盖 175～3100 cm-1。
信号处理系统：通常使用 CCD 来检测有光栅分光之后的信号，有的使用光电倍增管。
分子才具有拉曼活性（分子云团的变化），而偶极距变化的分子有红外活性。一般说来
非极性基团的振动、分子的全对称振动使分子的的极化率发生改变，产生拉曼活性；而
急性基团的振动、分子的非对称振动使分子的偶极矩发生变化，是红外活性的[。大多
数有机分子一般具有不完全对称性，因而在红外与拉曼光谱中都有反映。极性基团与分
λ 因此在拉曼光谱图中横坐标即拉曼位移等于：
υ=
1
−
1
λ in c id e n t
λ sc a tte re d
其中 1 为入射光的波数， 1 为散射光的波长。拉曼光谱图中纵坐标表示的是
λincident
λscattered
信号的强度。
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拉曼光谱简介
沈高山 早在 1923 年 A.Smekal 等人从理论上预言了光的非弹性散射的存在，1928 年，
拉曼光谱的这些优点使其具有很广的应用领域：生物、化学及医药材料方面的拉曼 检测：反应的在线监控与动力学研究：环保部门水质污染监测、表面污染检测和其他有 机污染物：多晶体鉴定、涂层、聚合物、分子特性；光学器件和半导体元件研究；大学、 工厂企业的技术开发部门、科研机构实验室使用；海关反恐缉毒中快速检测炸药、毒品 等；工商、质检等部门用于打假中快速检测药品、珠宝、手饰等；古物古玩鉴定、公安 刑事鉴定等其他领域。
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光子,散射光波长与入射光波长不同，这种散射称为拉曼散射。
实验表明，拉曼散射光波长对称地分布在瑞利散射光波长两侧，其强度很弱。其中
C. V. Raman K 和 S. Krishiman 首先在 CCl4 液体的散射光中发现了频率的改变。拉曼
光谱技术是解析分子结构的一种强有力工具，能够给出有关分子结构的详细信息，比如 分子组成、键长、官能团的方位、分子动力学机制，因此它在自然科学的各个分支得到 了广泛的应用。
拉曼光谱的基本理论
子。因此拉曼散射的缺点就是有些样品的荧光信号强，可能淹没拉曼信号。
图3
光源：采用激光器为激发光源，这是因为激光发出的光单色性好，能量高。必达泰克 公司才用的式 TE 制冷窄带稳频激光器，波长可选 532、785nm。 样品池：样品池的式样是由实验样品的材料决定的，对于常量样品，可以放在常规的 试剂瓶、载波片中，液体可放入毛细管、比色皿中。样品池一般由玻璃或石英制成，石 英材料透光性更好。必达泰克公司针对便携式光纤拉曼探头推出了一款液体样品池，如 图 4 所示，比普通的样品池信号强度提高 3～5 倍。
V1 V0激发态
E1
photon
虚拟态
ν0
ν0 ν0 - Δν
能级跃迁ΔEe
ν0 ν0 ν0 +Δν
ν0 ν0 - Δν
红外吸收 斯托克
斯散射
瑞利散射
图1
反斯托克 斯散射
V2 V1 V0
共振拉 曼散射
电子振动基态
E0
λ 当一束波长为 0 的单色光照射到物质上，除了吸收、透射外，还有少量入射光子
与分子发生碰撞后向各个方向散射，形成散射光。当原来处于基态的分子受到入射光子 激发而跃迁到一个受激虚态,然后又辐射跃迁到基态的过程对应于弹性碰撞，散射光与 入射光的波长相同,为瑞利散射。除此之外，还有极少数光子与分子发生了能量交换为 非弹性碰撞。此时，光子的一部分能量传递给分子,或者分子的振动和转动能量传递给