拉曼光谱实验报告

拉曼光谱实验报告

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。

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。

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=| ν0 –νs |, 即散射光频率与激发光频之差。Δv取决于分子振动能级的改变，所以他是特征的，并且拉曼光谱与入射光波长无关，适应于分子结构的分析。

二、拉曼发展历史

1922年，斯梅卡尔预言新的谱线频率与方向都发生改变。

1928年，拉曼在气体与液体中观测到一种特殊光谱的散射，也因此获1930年诺贝尔物理奖。

同年，曼迭利斯塔姆、兰兹贝尔格在石英中观测到拉曼散射。

1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。

1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱，当时测试对样品测试的各项要求较为苛刻，拉曼光谱的应用一度衰落。

1960年以后，激光技术发展，激光成为拉曼光谱的理想光源，随着不断改进，拉曼光谱广泛应用，越来越受研究者的重视。

三、拉曼测试

拉曼光谱可测试物质组成，张力和应力，晶体对称性和取向，晶体质量，物质总量，物质官能团的信息等。

图3：拉曼光谱的检测内容

拉曼光谱与红外光谱的比较：

拉曼光谱与红外光谱都能获得关于分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况，从而可以用来鉴定分子中存在的官能团。但两者产生的原理和机制都不同，在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱相互补充，一些在红外光谱无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。

红外光谱侧重于检测基团，适用于极性键，多用于测有机物，拉曼光谱检测分子骨架，适用于非极性键，有机无机均可测试。

表2：拉曼光谱与红外光谱对比表