激光拉曼光谱介绍

Limited selec源自文库ivity Poor universality
From single to nano-aggregate
Label imaging Label-free imaging
Highly selective (multiplex)
Multi-targeted imaging
Limited sensitivity Unsatisfactory biocompatibility Poor spectral/physical stability Difficult modification
拉曼光谱的基本原理
Raman spectrum of CCl4
拉曼光谱的基本原理
拉曼光谱的基本原理
Avoidance of fluorescence: background-free Raman spectra
红外
分子振动谱 吸收，发展较早 平衡位置附近偶极矩变化不为零 与拉曼光谱互补 实验仪器是以干涉仪为色散元件 测试在中远红外进行，不受荧光
拉曼光谱的发现
研究太阳光对苯的散射现 象时的“意外”发现
第一台拉曼光谱仪的 简易光路构型
拉曼光谱的基本原理
拉曼光谱的基本原理
低频
高频
❖ 斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两侧，这是 由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子 的能量。
❖ 反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于 Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发 态上的粒子数。
低波数没有问题
共焦显微微区测试，光斑尺寸 可小到1微米，空间分辨率好
CCD探测器噪声低，热电冷却 ，灵敏度高
无须制备样品，且可远距离测 试
没有水对红外光吸收的干扰
散射信号量的总计算公式
拉曼光谱的基本原理
灵敏度低 I入射= (103-105) I瑞利 I瑞利= (103-106) I拉曼
共焦显微拉曼谱仪原理
共焦拉曼显微镜的工作原理如图所示，即将激光束经入射针孔（Ｈ1） 聚焦于样品表面，样品表面的被照射点在探测针孔（Ｈ2）处成像，其信 号由在Ｈ2之后的检测器收集（光路如实线所示）；而当激光在样品表面 是散焦时，样品处的大部分信号被Ｈ2挡住（光路如虚线所示），无法通 过针孔到达检测器。当我们将样品沿着激光入射方向上下移动，可以将 激光聚焦于样品的不同层，这样所采集的信号也将来自于样品的不同层， 实现样品的剖层分析。
拉曼光谱的优缺点
优点: 可以得到高光谱分辨的谱图 不受溶剂水的影响 可以方便的改变激发光的波长
缺点: 1 incident photon, 10-6~-10 • 灵敏度低 (表面吸附物种)
共振拉曼光谱RRS
激光共振拉曼光谱（RRS）产生激光频率与待测分子的某个电子 吸收峰接近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度 可达到正常拉曼谱带的102～106倍，并观察到正常拉曼效应中难 以出现的，其强度可与基频相比拟的泛音及组合振动光谱。
干扰 低波数（远红外）困难 微区测试较难，光斑尺寸约10微
米，空间分辨率差 红外探测器须噪声高，液氮冷却
，且灵敏度较低 多数须制备样品 水对红外光的吸收
拉曼
分子振动谱 散射，自激光后才发展
平衡位置附近极化率变化不为 零
与红外光谱互补 实验仪器是以光栅为色散元件
测试在可见波段进行，有时受 样品荧光干扰，可采用近红外 激发
与正常拉曼光谱相比，共振拉曼光谱灵敏提高，可用于低浓度和 微量样品检测，特别适用于生物大分子样品检测。
表面增强拉曼光谱SERS
当一些分子被吸附到某粗糙金属，如金、银、铜的表面时，它们 的拉曼光谱强度会增加104～106倍，这种不寻常的现象被称为表 面增强拉曼散射效应，简称表面增强拉曼光谱（SERS）。
由于SERS有很高的灵敏度，能检测吸附在金属表面的单分子层 和亚单分子层的分子，又能给出表面分子的结构信息，因此它是 一种表面研究的有效技术。
SERS效应只在少数基体表面能观察到，其中银、金、铜被广泛 做为SERS的金属基体，它们能显示出很大的增强效应。镍、铝 等少数金属也能显示出一定的增强作用，但增强因子小。
金属表面必须被粗糙化一定程度才能显示出SERS效应。实验还 表明，SERS强度与激发光频率、入射角、吸附分子在金属基体 表面的覆盖度、分子离基体表面的距离等有关。
SERS的生物医学应用
Homogeneous assays
Highly sensitive Simple detection process
分子与光子作用截面（Cross-Section)
拉曼
～10-30 cm2/分子
红外
～10-20 cm2/分子
荧光
～10-16 cm2/分子
拉曼光谱的优点和特点
对样品无接触，无损伤； 样品无需制备； 快速分析，鉴别各种材料的特性与结构； 显微拉曼所须样品量少，且适用样品微区（1微米以下光斑） 高空间分辨率(对包裹体,金刚石压砧中的样品等尤其有用)， 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（RS）@仪器分析实验
激光拉曼光谱&共聚焦 显微拉曼光谱仪
武汉大学测试中心 2012. 12—2013.01
光散射现象
为什么晴朗的天空 呈现蓝色？
朝霞和晚霞呢？
拉曼光谱的发现
印度拉曼研究院
C. V. Raman是印度一位伟大的物理学家，他因为在光散射 工作和发现拉曼效应而获得诺贝尔奖，当时他是亚洲第一位获此 殊荣的科学家，他同时也作了有关声学、光学、结晶动态学、颜 色和它们在感知上的研究。
Developing advanced shell materials
High spatial resolution
Lacking standard database
Abundant chemical information Poor spectral stability
共焦显微拉曼谱仪原理
光源针孔的作用是将所形成的点光源成像到焦平面样品上，实 现了微小的照明区域。由于只有被照明的部分样品散射或反射 的光信号才会被接受，所以保证了显微镜的横向空间分辨率。 在光源照明区域内，但不在焦平面上的样品也会散射或反射光 信号，背景上的杂散光因为处于样品上离焦区域，所以被与光 源针孔共焦的探测针孔所形成的空间滤波器强烈地衰减。这样 对信号的主要贡献是处于焦平面上的样品被显微镜所观察的那 一薄层的信号，保证了显微镜的纵向空间分辨率。