拉曼光谱原理及应用

Low N.A. lens θ
High N.A. lens θ
对于不透明样品，高N.A.物镜有以下特点：
1. 取样体积小
→
高空间分辨率
2. 信号收集角大，收集更多信号 →
增强信号强度
3. 激光功率密度高 (mW/µm3)
→
增强信号强度
4. 工作距离短
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透明样品
数值孔径 (N.A.) = n·sinθ, n为介质的折射率
Low N.A. lens
High N.A. lens
对于不透明样品，低N.A.值透镜更具优势： 取样体积大 → 提高灵敏度
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拉曼光谱仪原理图（滤光片型）——共焦针孔
Intensity (a.u.)
100
200
300
400
500
Raman Shift (cm -1 )
Bi2O3 514 nm
100
200
300
400
500
Raman Shift (cm -1 )
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信号强度与激发波长
在同等条件(如激光功率、光栅、采集时间等）下 激发波长越短，拉曼信号越强！ I ∝ 1/λ4
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拉曼光谱应用领域
1：半导体材料; 2：聚合体；3：碳材料； 4：地质学/矿物学/宝石鉴定； 5：生命科学; 6：医药；7：化学； 8：环境；9：物理 10：考古；11：薄膜; 12: 法庭科学:违禁药品检查；区分各种颜料，色素，油漆，纤维 等；爆炸物的研究；墨迹研究；子弹残留物和地质碎片研究
Intensity (cnt)
520
40 000 35 000 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000
5 000 0
30 000 25 000 20 000 15 000 10 000
5 000 0
500
1 000
1 500
Raman shift (cm-1)
2 000
拉曼光谱原理及应用
武艳红
科学仪器事业部 欧美产线 2011.07.08
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内容概要
拉曼光谱原理 拉曼光谱仪各部件功能
激光器 滤光片 物镜及共焦针孔 光栅和焦长 探测器
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什么是拉曼效应?
1928 年，印度科学家C.V Raman in首先在CCL4光谱 中发现了当光与分子相互作用后，一部分光的波长 会发生改变（颜色发生变化），通过对于这些颜色 发生变化的散射光的研究，可以得到分子结构的信 息，因此这种效应命名为Raman效应。
Provided by Prof. D. Mukherjee, Director of Indian Association for the Cultivation of Science
谱峰偏移
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拉曼位移
498KJ/mol OO
941.7KJ/mol NN
Intensity (a.u.)
υ= μ=
(k/μ)1/2 2πc
MAMB (MA+MB)
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500
1 000
1 500
Raman shift (cm-1)
2 000
Intensity (cnt)
滤除等离子线
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两种瑞利滤光片
Notch滤光片：有机材料镀膜、寿命短、一般２-３年换一套。可以做斯 托克斯和反斯托克斯。 Edge滤光片：介电材料制作、寿命长。只能测量斯托克斯拉曼信号。
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拉曼位移的影响因素 — 键能(同素异形体）
同素异形体 — 石墨 & 金刚石
1332 1580
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20000
15000
10000
5000
0 1000
1 200 1 400
1 600
1 800
2 000
Raman Shift (cm-1)
2 200
2 400
2 600
键能越大，拉曼位移越大; 原子质量越大，拉曼位移越小.
拉曼位移的影响因素 — 原子质量
SWNT的G峰位移与C12/C13比例密切相关
Hongjie Dai et al. J. Am. Chem. Soc. (2008) 130: 13540-13541
150
Intensity (a.u.)
100
Notch
50
Intensity (cnt)
0
-300
-200
-100
0
100
200
300
Wavenumber (cm-1)
30 000
25 000
20 000
Laser
15 000
10 000
5 000
0
0
200
400
600
Raman Shift (cm -1)
瑞利滤光片
共聚焦针孔 狭缝
光栅
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显微镜 样品
探测器
滤光片在LabRAM HR中的位置
干涉滤光片
瑞利滤光片（Edge或Notch）
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干涉滤光片的作用
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弹性散射与非弹性散射
弹性散射： 频率不发生改变，如瑞利散射 非弹性散射： 频率发生改变，如拉曼散射
拉曼散射
λscatter≠ λlaser
λlaser
瑞利散射
λscatter= λlaser
拉曼散射
λscatter≠ λlaser
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拉曼光谱测量
光栅
探测器
瑞利滤光装置 光源
样品 干涉滤光片
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拉曼光谱仪原理图（滤光片型）
激光器
干涉滤光片 功率衰减片
共聚焦针孔
狭缝 瑞利滤光片
1200
1400
1600
Wavenumber (cm-1)
1800
2000
拉曼位移的影响因素 — 晶格（多晶型）
Intensity (cnt)
2 400
金红石和锐钛矿同为TiO ：
2 200
2
相同的化学组成，不同的晶型
2 000
1 800
金红石
1 600
1 400
1 200
1 000
800
600
400
光栅
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显微镜 样品
探测器
蓝：偏振片 粉: DuoScan
激发波长与拉曼位移
Bi2O3 633 nm
Intensity (a.u.)
能量差 值恒定
拉曼位移是一个相对值，对于 同一振动模式，发射光子与入 射光子的能量差恒定。不同的 激发波长下拉曼位移相同。
3 000
Intensity (cnt)
2 确定信号来源-拉曼或荧光
5 000 4 000 3 000 2 000 1 000
CaF-488 CaF-514 CaF-532
500
1 000
1 500
2 000
2 500
Raman Shift (cm-1)
用不同的激发波长测试CaF 样品
2
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3 000
2 确定信号来源-拉曼或荧光
Intensity (cnt)
5 000 4 000
CaF-488 CaF-514 CaF-532
3 000
2 000
1
0
500
510
520
530
540
550
560
570
Wavelength (nm)
将cm-1转换为nm
用不同的激发波长测试CaF 样品
显微镜 样品
CCD
显微镜
• 显微镜收集信号的方式。 • 物镜的三个参数：放大倍数，数值孔径,工作距离
可见波段： 10× 50× 100× LWD 50×
。。。。。。
N.A. = 0.25 N.A. = 0.75 N.A. = 0.9 N.A. = 0.5
WD = 10.6 mm WD = 0.37 mm WD = 0.21 mm WD = 10.6mm
2
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3 分析样品不同深度的信息
利用不同波长穿透深度不同，可以分析样品不同层的信息
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拉曼光谱仪原理图（滤光片型）— 滤光片
激光器
干涉滤光片
功率衰减片
Raman
对于所有样品都应选择短波长激光？
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激发波长的选择
244nm 325nm 473nm 488nm 514nm 532nm 633nm 785nm 。。。。。。
1 避开荧光干扰 2 确定信息来源-拉曼或荧光 3 不同深度信息研究
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能级示意图
电子激发态
虚态
hv1
hv0 hv0 hv0
h(v0-v) hv0
h(v0＋v)
能量差
hv2
发射光 子能量
电子基态
荧光
反斯托克斯散射 斯托克斯散射 瑞利散射
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锐钛矿
200
200
400
600
800
1 000
1 200
1 400
Raman Shift (cm-1)
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拉曼位移的影响因素 — 空间结构
麻黄碱
伪麻黄碱
非对映异构体
Raman Intensity (arbitrary unit)
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Raman Shift (cm-1)
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拉曼光谱的优势
信息
样品
• 分子层面 • 对结构与环境敏感
•各种性状 •无需特殊处理 •含水样品 •玻璃样品池
方法
• 无损，非破坏性 • 特异性 • 微量和宏观 • 实时检测 • 活体检测
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1 避开荧光干扰
• 532 nm laser • 633 nm laser • 785 nm laser
1 000
2 000 Raman Shift (cm -1 )
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取样体积
N.A.大，取样体积小 N.A.小，取样体积大
大 N.A. 物镜 θ
光斑尺寸
N.A.大，光斑尺寸小 N.A.小，光斑尺寸大
spot size = 1 . 22 λ NA
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不透明样品
数值孔径 (N.A.) = n·sinθ, n为介质的折射率
拉曼光谱的信息
定性的信息: 拉曼光谱是物质结构的指纹光谱 定量的信息: 可以通过光谱校正,得到准确的应力
大小和浓度分布
拉曼频率的确认：物质的组成、结构、 峰位
构象、形态
拉曼峰位的变化：张力、应力
强度
拉曼的偏振：晶体对称性和取向
拉曼峰宽：晶体质量 拉曼峰强度：物质总量
半高宽 FWHM
Raman shift
Edge
800
1 000
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专利调角度技术
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拉曼光谱仪原理图（滤光片型）——显微镜
激光器
干涉滤光片 功率衰减片
共聚焦针孔
狭缝 瑞利滤光片
光栅
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不同的工作范围选不同的物镜: UV,VIS,NIR
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Working distance
Working distance
数值孔径
数值孔径 (N.A.) = n·sinθ, n为介质的折射率
小N.A. 物镜 θ
收集角
N.A.大，收集角大 N.A.小，收集角小