激光拉曼光谱法讲解
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。
22激光拉曼光谱分析
22激光拉曼光谱分析激光拉曼光谱分析的基本概念激光拉曼光谱分析是利用物质对入射光产生的拉曼散射来研究分子的振动，从而对物质（分子）进行定性、定量和结构分析的一种分析方法。
光的散射：丁铎尔散射:是指光通过含有许多大质点(其颗粒大小的数量级等于光的波长)的介质时产生的散射。
乳状液、悬浮液、胶体溶液等引起的散射属于此类。
分子散射:又可分为瑞利散射和拉曼散射。
它们都是由比光的波长小得多的分子或分子聚集体与光作用而产生的。
瑞利散射当光子与物质中的分子发生完全弹性碰撞时，光子与分子之间没有能量交换，则光子的能量保持不变，散射光的频率与入射光的频率相同，只是光子的运动方向发生改变。
这种散射是完全弹性散射，文献上通常称之为瑞利散射。
拉曼散射当光子与物质中的分子发生非完全弹性碰撞时，光子与分子之间将发生能量交换，光子把一部分能量传给分子，或者从分子那里得到一部分能量，光子的能量就会减少或增加。
这样，光子不仅改变了运动方向，其频率也与入射光的频率不同。
这种由非完全弹性碰撞产生的非完全弹性散射，称为拉曼散射。
拉曼散射光与瑞利散射光的频率差称为拉曼位移。
本节主要内容一.激法拉曼光谱法的特点二.激光拉曼光谱法的基本原理三.激光拉曼光谱仪的结构四.激光拉曼光谱图的一般特征五.激光拉曼光谱法的优缺点及其用途一．激光拉曼光谱法的特点1.样品可以是固体、液体或气体。
2.以单色激光为光源。
因激光的单色性、相干性好，强度大，可以聚焦成很细的光束，可以获得较强的拉曼散射，可对块状样品的某个微区进行分析。
3.检测信号是拉曼散射光，根据拉曼散射线的频率求得拉曼位移。
4.可获得非红外活性分子振动的信息。
5.实际测定的光是便于测定的可见光。
二．激光拉曼光谱分析的基本原理（一）拉曼位移与分子振动频率的关系拉曼散射光与瑞利散射光（或入射光）的频率之差υ称为拉曼位移：υ=│υ0-υl│式中，υ0为入射光的频率，υl为拉曼散射光的频率。
拉曼位移＝分子振动频率υ=υm拉曼散射和瑞利散射可以用分子散射能级图来说明。
4.5 激光拉曼光谱法
4.5 激光拉曼光谱法
拉曼光谱图
Raman spectrum of CCl4
4.5 激光拉曼光谱法
红外光谱和拉曼光谱
红外
1. 吸收红外光谱 2. 分子偶极距的变化 3. 非对称振动模式有高灵敏度
拉曼
1. 光的非弹性散射 2. 极化率的变化 3. 对称振动模式有高灵敏度
4.5 激光拉曼光谱法
拉曼光谱与红外光谱的关系
互斥法则 互允法则 互阻法则
O=C=O 对称伸缩
O=C=O 反对称伸缩
偶极距不变无红外活性 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
4.5 激光拉曼光谱法
拉曼光谱技术的优越性
对样品无接触，无损伤
B
提供高质量的分 子结构信息
无需制备
可以选择激发 光的波长
优
点
用量少
维护成本低，使用简单
• 肿瘤检测 • 文物考古分析 • 公安与法学样品无损分析 • 鉴定参与界面过程的分子物种，研究界面
物种的取向，确定表面膜组成和厚度
4.5 激光拉曼光谱法
➢表面增强拉曼光谱（SERS）
表面增强拉曼散射效应是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶 胶中，吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号大大增强的现象。
➢ 傅立叶变换拉曼光谱仪与普通激光拉曼光谱仪比较 • 傅立叶变换拉曼光谱优势在于可以避免荧光干扰, 提高了散射光信号的信
噪比，拓宽了拉曼光谱的应用范围。 ➢ 傅里叶变换拉曼光谱主要应用于高分子材料、生物材料研究等方面。
4.5 激光拉曼光谱法
➢ 傅立叶变换拉曼光谱仪与普通激光拉曼光谱仪比较 • 以近红外激光代替可见激光做光源。 • 由迈克尔逊干涉仪傅里叶变换系统代替分光扫描系统对散射光进
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。
激光拉曼光谱实验讲义
激光拉曼光谱实验讲义一 实验目的1、 了解拉曼散射的基本原理2、 学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。
二 实验仪器RBD 型激光拉曼光谱仪三 实验原理当波束为0ν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。
按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为三类：第一类，其波数基本不变或变化小于5110cm --，这类散射称为瑞利散射；第二类，其波数变化大约为10.1cm -，称为布利源散射；第三类是波数变化大于11cm -的散射，称为拉曼散射；从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射最弱。
在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。
在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。
当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射也可以是非弹性碰撞的散射。
在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a ）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值12E E E ∆=-，当光量子把一部分能量交给分子时，光量子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光（斯托克斯线），散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态1E ，如图（1b ），这时的光量子的频率为0ννν'=-∆；当分子已经处于振动或转动的激发态1E 时，光量子则从散射分子中取得了能量E ∆（振动或转动能量），以较大的频率散射，称为频率较高的光（反斯托克斯线），这时的光量子的频率为0ννν'=+∆。
如果考虑到更多的能级上分子的散射，则可产生更多的斯托克斯线和反斯托克斯线。
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。
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
激光拉曼光谱法
04
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；
01
拉曼光谱：分子骨架测定。
02
红外与拉曼谱图对比
拉曼光谱图
拉曼光谱图
2941，2927cm-1 ;asCH2 2854cm-1 sCH2; 1029cm-1 （C-C）; 803 cm-1环呼吸; 1444 cm-1，1267 cm-1 CH2 环己烷红外光谱图 环己烷拉曼光谱图
E
e
e
r
二、Raman光谱
CCl4的Ramam光谱图
拉曼光谱记录的是stoke 线。
测量相对单色激发光频率的位移。 把入射光频率位置作为零，频率位移(拉曼位移)的数值正好对应于分子振动或转动能级跃迁的频率。
激发光是可见光，在可见光区测分子振动光谱。
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。
测量共振拉曼效应时的注意点：
结束
1 红外光谱分析基础 2 红外光谱仪 3 红外光谱与分子结构的关系 4 红外吸收光谱的应用 5 激光拉曼光谱法
第十一章
内容选择
红外活性
拉曼光谱—源于极化率变化
红外光谱—源于偶极矩变化
5.3 激光拉曼光谱仪（结构流程）
结构流程 激光光源、试样池、单色器、检测器。
二、主要部件
激光光源：He-Ne激光器，波长632.8 nm 。
三、傅里叶变换-拉曼光谱仪
1
光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064 m）。
2
检测器：高灵敏度的铟镓砷探头。
特点：
傅里叶变换-拉曼光谱仪特点
【2024版】拉曼光谱分析法--ppt课件
优 滤光片组
检测系统
Nd-YAG激光光源
点 ➢ 荧光背景出现机会小
➢ 分辨率高 ➢ 波数精度和重现性好 ➢扫描快，操作方便 ➢近红外光的特性（光纤维中传递性能好、可穿透生物组织）
PPT课件
29
✓近红 外激光 光源
Nd-YAG激光器代替可见光激光器； 产生1.064μm近红外激发光，比可见光 长约1倍，影响信噪比，FT技术克服； 激发光能量低于荧光所需阈值。
e
e
e
e
温度升高 概率大！
3振 电
2动 子
1 0
能 级
基 态
e e
Rayleigh 散射 PPT课件
Raman 散射 8
2、 拉曼光谱图
CCl4的散射光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
PPT课Δ件ν/cm-1
9
CCl4的拉曼光谱
适用于分子结构分析
PPT课件
11
3、拉曼光谱与分子极化率的关系 拉曼活性取决于振动中极化率是否变化。
若分子在电场E（光波的电磁场）中，产生诱导偶极距μ
μ ＝ αE α为极化率
反映了分子中电子云 变形的难易程度
分子极化率是诱导偶极矩与外电场的强度之比
分子中两原子距离最大时，α也最大
拉曼散射强度与极化率成正比例关系
➢干涉滤光片组，由折射率高低不同 的多层材料交替组合而成。
✓检测器
➢室温下的铟鎵砷检测器 ➢液氮冷却的锗检测器
PPT课件
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三、激光显微拉曼光谱仪
使入射激光通过显微镜聚焦到试样的微小部位 （直径小至5 μm ），可精确获取所照射部位的拉 曼光谱图。 ➢ 共焦显微激光拉曼光谱仪（使用CCD检测器）： 显微镜的物镜和目镜的焦点重合于一点，排除了非 焦点处组分对成像的影响，可显示微区的不同深度 和三维结构信息。 ➢ 激光拉曼光纤探针：光导纤维传感技术与显微镜 耦合而成，可对远距离、特殊环境中试样的拉曼散 射进行原位遥感探测。
第十五章 激光拉曼光谱分析重点讲义资料
第15章激光共焦显微拉曼光谱分析拉曼散射是印度科学家Raman在1928年发现的，拉曼光谱因之而得名。
光和介质分子相互作用时会引起介质分子作受迫振动从而产生散射光，其中大部分散射光的频率和入射光的频率相同，这种散射被称为瑞利散射，英国物理学家瑞利于1899年曾对其进行了详细的研究。
在散射光中，还有一部分散射光的频率和入射光的频率不同。
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，经过滤光的太阳光呈现蓝色，但是当光束再次进入溶液后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光，拉曼认为这是光与溶剂分子相互作用产生的一种新频率的光谱线。
因为这一重大发现，拉曼于1930年荣获诺贝尔物理学奖。
拉曼光谱得到的是物质的分子振动和转动光谱，是物质的指纹性信息，因此拉曼可以作为认证物质和分析物质成分的一种有力工具。
而且拉曼峰的频率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，来研究在某些特定条件下，例如改变温度、压力和掺杂特性等，所引起的物质结构的变化，从而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。
拉曼光谱技术具有很多优点：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；样品无需制备；能够快速分析、鉴别各种材料的特性与结构；激光拉曼光谱仪的显微共焦功能可做微区微量以及分层材料的分析（1 μm左右光斑）；能适合黑色和含水样品以及高低温和高压条件下测量；此外，拉曼光谱仪使用简单，稳固而且体积适中，维护成本也相对较低。
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。
在化学方面应可应用于有机化学、无机化学、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；在物理学方面可以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、固体能谱方面也有及其广泛的应用。
15.1基本原理入射光与物质相互作用时除了发生反射、吸收、透射以及发射等光学现象外，还会发生物质对光的散射作用。
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。
(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
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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。
拉曼(Raman)光谱2000讲解
(1)
其中是分子极化率, Ei为入射光波的电场, 可表示为: (2) Ei E0i exp[ i(2 i t ki r )] 分子振动时,原子核位置的移动改变了核对电子的吸引力,使得 分子的电荷分布即电子云发生形变,这意味着极化率受到分子振 动的调制, 将极化率按原子核位移的简正坐标Q 展开,即:
瑞利散射 反stokes散射
不同的化学键或基团有不同的振动形式和能级结构，因此 Raman位移是分子结构的特征参数------定性分析的理论依据 Raman谱线的强度与入射光的强度及样品分子的浓度成正比 ----定量分析依据
4. Raman散射的经典解释和Raman活性的判据
分子在光波交变电磁场作用下发生极化, 产生诱导偶极矩:
分析测试设备系列讲座
拉曼（Raman）光谱法
主要内容
一 、引言
二、Raman光谱法的基本原理 三、Raman光谱仪的结构
1. 色散型激光Raman光谱仪 2. 傅立叶变换激光Raman光谱仪
四、Renishaw2000显微Raman光谱仪 五、Raman光谱的特点与应用
一、引 言 1. 光谱分析方法简介
近年来,各种新的Raman技术不断涌现
Raman光谱属于分子振动光谱,主要用于分子结构分析.
二、基本原理
1. Raman效应
样 品 池
当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用时， 大部分光子仅是改变了方向，而光的频率保持不变 (s
=
i) ，这种散射称为瑞利散射。
但也存在很微量的光子(约占10－6～10－10)不仅改变了光的传
ki
P E0i exp[i(2 i t ki r )] Q
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。
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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。
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。
拉曼位移的大小和分子的跃迁能级差一样。
因此，对应于同一分子能级，斯托克斯线与反斯托克斯线的拉曼位移应该相等，而且跃迁的几率也应相等。
但在正常情况下，由于分子大多数是处于基态，测量到的斯托克斯线强度比反斯托克斯线强得多，所以在一般拉曼光谱分析中，都采用斯托克斯线研究拉曼位移。
拉曼位移的大小与入射光的频率无关，只与分子的能级结构有关，其范围为25～4000cm-1，因此人射光的能量应大于分子振动跃迁所需能量，小于电子能级跃迁的能量。
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的选择定则，也就是说只有伴随分子极化度α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u：
u=αE (3—1)
与红外吸收光谱相似，拉曼散射谱线的强度与诱导偶极矩成正比。
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)。
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。
在红外中只有单晶和取向的高聚物才能测量出偏振，而在激光拉曼光谱中，完全自由取向的分子所散射的光也可能是偏振的，因此一般在拉曼光谱中用退偏振比(或称去偏振度)ρ表征分子对称性振动模式的高低。
ρ=I|/I—3-2)
式中? I|和I—分别代表与激光电矢量相垂直和相平行的谱线的强
度。
ρ<3/4的谱带称为偏振谱带，表示分子有较高的对称振动模式；
ρ=3/4的谱带称为退偏振谱带，表示分子的对称振动模式较低。
3．1．2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。
一般来说，分子的对称性愈高，红外与拉曼光谱的区别就愈
大，非极性官能团的拉曼散射谱带较为强烈，极性官能团的红外
谱带较为强烈。
例如，许多情况下C=C伸缩振动的拉曼谱带比
相应的红外谱带较为强烈，而C=O的伸缩振动的红外谱带比相
应的拉曼谱带更为显著。
对于链状聚合物来说，碳链上的取代基
用红外光谱较易检测出来，而碳链的振动用拉曼光谱表征更为方
便。
红外与拉曼光谱在研究聚合物时的区别可以聚乙烯为例加以说明。
图3—2为线型聚乙烯的红外及拉曼光谱。
聚乙烯分子中具有对称中心，红外与拉曼光谱应当呈现完全不同的振动模式，事实上确实如此。
在红外光谱中，CH2振动为最显著的谱带。
而拉曼光谱中，C-C振动有明显的吸收。
图3—3为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的红外及拉曼光谱。
拉曼光谱中呈现了明显的芳环的c—c伸缩振动模式，而红外光谱中最强谱带为C—O及C—O振动模式。
图3—4为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的红外及拉曼光谱。
在PMMA拉曼光谱的低频率区．出现了较为丰富的谱带信号，而其IR光谱的同一区域中的谱带信息却很弱。
此外，与PET光谱类似，PMMA红外光谱的C==O及C-O振动模式有强烈的吸收，而C-C振动模式在拉曼谱中较为明显。
与红外光谱相比，拉曼散射光谱具有下述优点：
(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。
由于激光束的直径较小，且可进一步聚焦，因而极微量样品都可测量。
(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。
拉曼光谱研究高分子样品的最大缺点是荧光散射，多半与样品中的杂质有关，但采用傅里叶变换拉曼光谱仪，可以克服这一缺点。
3．2实验方法
3．2．1仪器组成
激光拉曼光谱仪的基本组成有激光光源，样品室，单色器，检测记录系统和计算机五大部分。
拉曼光谱仪中最常用的是He—Ne气体激光器。
受激辐射时发生于Ne原子的两个能态之间，He原子的作用是使Ne 原子处于最低激发态的粒子数与基态粒子数发生反转，这是粒子发生受激辐射，发出激光的基本条件。
He—Ne激光器是激光拉曼光谱仪中较好的光源，比较稳定，其输出激光波长为6.328A，功率在100mW以下。
Ar+激光器是拉曼光谱仪中另一个常用的光源。
3．2．2样品的放置方法
为了提高散射强度，样品的放置方式非常重要。
气体的样品可采用内腔方式，即把样品放在激光器的共振腔内。
液体和固体样品是放在激光器的外面，如图3—5所示。
在一般情况下，气体样品采用多路反射气槽。
液体样品可用毛细管、多重反射槽。
粉末样品可装在玻璃管
内，也可压片测量。
3．3拉曼光谱在聚合物结构研究中的应用
3．3．1拉曼光谱的选择定则与高分子构象
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”。
例如聚乙烯具有对称中心，所以它的红外光谱与拉曼光谱没有一条谱带的谱率是一样的。