我所认识的拉曼光谱
篇一:拉曼光谱成像深度
我和拉曼的那些不得不说的事
—— 披着羊皮的杨帆
一、拉曼光谱(Raman spectra)的历史过程：
拉曼光谱得名于印度物理学家拉曼(Raman)。1928年，拉曼首先从实验观察到单色的入射光投射到物质中后产生的散射，通过对散射光进行光谱分析，首先发现散射光除了含有与入射光相同频率的光外，还包含有与入射光频率不同的光。以后，人们将这种散射光与入射光频率不同的现象称为拉曼散射。拉曼因此获得诺贝尔奖。
当一束入射光通过样品时，在各个方向上都发生散射。拉曼光谱仪收集和检测与入射光成直角的散射光。由于收集和检测的散射光强度非常低，因此拉曼光谱的应用和发展受到很大限制。30年代拉曼光谱曾是研究分子结构的主要手段，此时的拉曼光谱仪是以汞弧灯为光源，物质产生的拉曼散射谱线极其微弱，因此应用受到限制。上世纪60年代，激光的问世为拉曼光谱仪的发展带来了蓬勃生机。早期作为光源使用的汞弧灯，被高功率、高能量、高单色性和高相干性的激光光源所代替。另外，高分辨率、低杂散光的双联和三联光栅单色仪，高灵敏度光电接收系统(光电倍增管和光子计数器)也在此期间研制成功，并实现了计算机和拉曼光谱仪的联机。70年代中期，不断提高的激光技术使得拉曼光谱技术的发展和应用更为广泛。 对在很大光谱范围内吸收的样品，激光器的多谱线输出和可调谐激光器的连续谱线输出，可以使人们很方便地选择合适的激发光进行共振拉曼光谱测量。用于样品的微区分析、不均匀表面检测等的空间分辨拉曼光谱技术(激光拉曼探针)也于同期诞生，到90年代末，高空间分辨拉曼光谱技术已经可以做到单分子检测。多通道测量和短脉冲激光技术配合，则实现了时间分辨拉曼光谱测试。这种光谱技术可用于短寿命自由基、化学反应的中间态、物质和系统的瞬间过程等方面的研究。1983年，Jennings等人成功地进行了傅里叶变换拉曼实验。此后，各型号的傅里叶变换拉曼光谱仪也先后问世。1986年，Hirschfeld和Chase在技术上实现了FT-拉曼光谱。1987年PE公司推出了第一台近红外激发傅里叶变换拉曼光谱仪。首部Fr-Raman专著于1991年正式出版。90年代初，为满足社会生产活动的需要，人们不断探索出多项新技术并应用于拉曼光谱仪中。例如：引进光纤对远距离或危险处的样品进行测量，用声光调制器(AOTF)代替光栅作为分光元件测量拉曼光谱；利用全息带阻滤光片滤除瑞利散射的干扰等。激光拉曼光谱仪的性能也日臻完善，如：美国Spex公司和英国Reinshow公司相继推出了拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪，低功率的激光光源的使用使激光器的使用寿命大大延长，共焦显微拉曼的引入实现了类似生物切片的激光拉曼扫描，从而得到样品在不同深度时的拉曼光谱。Dilor公司推出了多测点在线工业用拉曼系统，采用的光纤可达200m，从而使拉曼光谱的应用范围更加广阔。拉曼光谱仪以激光（excitation）作光源，光的单色性和强度都大大提高，拉曼散射仪的信号强度因而提高，拉曼光谱技术得以迅速发展，应用领域遍及物理，材料，化学，生物等学科，并已成为光谱学的一个分支——拉曼光谱学 (Raman Spectroscopy光谱学)。 二、拉曼光谱的原理 ：
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或长和或短的成分, 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:
拉曼光谱为散射光谱，1928年，C.V.拉曼实验发现，当光透过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象被称为拉曼散射。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率v0相同（及波长λ不变）的成分称为瑞利散射(Rayleigh scattering )弹性碰撞，无能量交换，仅改变方向；频率对称分布在v0两侧，即v0± v1（波长λ改变）为拉曼散射（Raman spectra）无弹性碰撞，有能量交换，改变方向。其中频率较小的成分(v0-v1)又称为斯托克斯线（Stocks lines)，频率较大的成分(v0+v1)又被称为反斯托克斯线
（Anti-Stocks lines）。因为斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线，且基态分子比较多，所以拉曼光谱仪一般记录斯托克斯线。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼线，远离的则称为大拉曼线。瑞利散射线的强度只有入射光强度的l0-10，拉曼光谱强度大约只有入射光强的10-10。小拉曼光谱与分子的转-3-5-7-9
1
动能级有关，大拉曼光谱与分子振动一转动能级有关。拉曼位移（Raman shift)：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，因此入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。Raman散射光的频率与入射光的频率相差?v。对不同物质：?v
不同；对同一物质：?v与入射光频率无关；可应用于表征分子振-转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据。拉曼谱线强度与入射光强和样品分子的浓度成正比例关系，因此可利用拉曼光谱来进行定量分析，在与激光入射方向垂直的方向上，能收集到的拉曼散射光的光通量φR为： -1
φR=4nφL〃A〃N〃L〃K〃sinα2(θ／2)
式中，φR为入射光照射到样品上的光通量；A为拉曼散射系数，约等于10～10mol／sr；N为单位体积-28-29
内的分子数；L为样品的有效体积；K为考虑到折射率和样品内场效应等因素影响的系数；α为拉曼光束在聚焦透镜方向上的角度。利用拉曼效应及拉曼散射光与样品分子的上述关系，可对物质分子的结构和浓度进行分析研究。
Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极距ρ，?ρ= ?α*E α分子极化率； Rayleigh / Raman Transitions and Spectra Rayleigh / Raman Transitions ?E=h?v E=hv0基态 E1 0 振动激发态
实线代表real states真实能级；虚线代表virtual states虚能级 Vibrational States振动能级 Ground State基级 Fluorescence荧光 拉曼光谱的一个重要参数：（强度，频率）
退偏振比r（去偏振度depolarization）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该参数ρ表征分子对称性振动模式的高低。（注缺失）
去偏振度与分子的极化度有关，通过测定拉曼谱线的去偏振度，可以确定分子的对称性。
拉曼光谱的特征(优、缺、难）：
a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关；
b.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在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。
c.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于玻尔兹曼（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。
d.波长位移在中红外区。有红外及拉曼活性的分子,其红外光谱和拉曼光谱近似。可使用各种溶剂，尤其是能测定水溶液，样品处理简单。低波数段测定容易(如金属与氧、氮结合键的振动nM-O, nM-N等)。而红外光谱的远红外区不适用于水溶液，选择窗口材料、检测器困难。由Stokes、反Stokes线的强度比可以测定样品体系的温度。
2
e.显微拉曼的空间分辨率很高，为1mm。时间分辨测定可以跟踪10-12s量级的动态反应过程。利用共振拉曼、表面增强拉曼可以提高测定灵敏度。
f. 其不足之处在于，激光光源可能破坏样品；荧光性样品测定一般不适用，需改用近红外激光激发等
g.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；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。
H.难点，拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2－3数量级）。激光激发强。 拉曼信号频率离激光频率很近。激光瑞利散射比拉曼信号强10－10，对拉曼信号干扰很大。拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度（体现在弱信号检测的高信噪比 ），才能有效地收集拉曼谱。
测定拉曼散射光谱时，一般选择激发光的能量大于振动能级的能量但低于电子能级间的能量差，且远离分析物的紫外-可见吸收峰。当激发光与样品分子作用时，样品分子即被激发至能量较高的虚态(上图中用虚线表示)。左边的一组线代表分子与光作用后的能量变化，粗线出现的几率大，细线表示出现的几率小，因为室温下大多数分子处于基态的最低振动能级。中间一组线代表瑞利(Rayleigh)散射，光子与分子间发生弹性碰撞，碰撞时只是方向发生改变而未发生能量交换。右边一组线代表拉曼散射，光子与分子碰撞后发生了能量交换，光子将一部分能量传递给样品分子或从样品分子获得一部分能量,因而改变了光的频率。能量变化所引起的散射光频率变化称为拉曼位移。由于室温下基态的最低振动能级的分子数目最多,与光子作用后返回同一振动能级的分子也最多,所以上述散射出现的几率大小顺序为：瑞利散射>Stokes线>反Stokes线。随温度升高，反Stokes线的强度增加。
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CCl4的拉曼光谱 using an Ar+ laser at 488 nm Rayleigh / Raman Transitions and Spectra 组成：A complete Raman spectrum consists of:一个完整的拉曼光谱由：
? a Rayleigh scattered peak (high intensity强度, same wavelength波长 as excitation激发，激动，反应)
?瑞利散射峰（高强度，相同的波长作为激发激发，激动，反应）
? a series of Stokes-shifted peaks (low intensity, longer wavelength)斯托克斯移峰（低强度，长波长）
? a series of anti-Stokes shifted peaks (still lower intensity, shorter wavelength) 一系列的反斯托克斯移峰（仍然较低的强度，较短的波长）
? spectrum independent of excitation wavelength (488, 632.8, or 1064 nm)
频谱独立的激发波长（488，632.8，或1064纳米）
在坐标系中，拉曼光谱的横坐标为拉曼位移，
以波数表示,是相对激发波长偏移的波数，波数就是波
长的倒数，以cm为单位。其中 和 分别为Stokes
位-1
3
移和入射光波数。纵坐标为拉曼光强，纵坐标是光子计数,就是散射光的强度。由于拉曼位移与激发光无关，只与分子的能级结构有关，一般仅用Stokes位移部分。对发荧光的分子，有时用反Stokes位移。 拉曼光谱的对应关系
三、拉曼光谱的仪器：
（一）分类：滤光器型拉曼光谱仪：有单色光源、滤光器、光学检测器组成，结构简单，可以制作的很小，只有很狭窄的光谱段进入检测器，大部分拉曼散射光被浪费。
分光仪型拉曼光谱仪：将不同波长的光分散开，使他们成像于不
同的位臵。通常是将来自入射狭缝的光照射于衍射光栅，后将衍
射光聚焦在光谱仪输出平面上，平面上安臵探测器。光栅刻度线
密度越大，光谱分辨率越高。
干涉性（傅里叶变换）拉曼光谱仪：
（二）具体组成：拉曼光谱仪一般由以下五个部分构成。
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。目前拉曼光谱实验的光源己全部用激光器代替历史上使用的汞灯，提供高功率、高能量、高单色性和高相干性的激光。对常规的拉曼光谱实验，常见的气体激光器基本上可以满足实验的需要。在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定。
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。
(1) 聚光：用一块或二块焦距合适的会聚透镜，使样品处于会聚激光束的腰部，以提高样品光的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功率比不用透镜会聚前增强10倍。
(2) 集光：常用透镜组或反射凹面镜作散射光的收集镜。通常是由相对孔径数值在1左右的透镜组成。为了更多地收集散射光，对某些实验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加反射镜。
(3) 样品架：样品架的设计要保证使照明最有效和杂散光最少，尤其要避免入射激光进入光谱仪的入射狭缝。为此，对于透明样品，最佳的样品布臵方案是使样品被照明部分呈光谱仪入射狭缝形状的长圆柱体，并使收集光方向垂直于入射光的传播方向。
(4) 滤光：安臵滤光部件的主要目的是为了抑制杂散光以提高拉曼散射的信噪比。在样品前面，典型的滤光部件是前臵单色器或干涉滤光片，它们可以滤去光源中非激光频率的大部分光能。小孔光栏对滤去激光器产生的等离子线有很好的作用。在样品后面，用合适的干涉滤光片或吸收盒可以滤去不需要的瑞利线的一大部分能量，提高拉曼散射的相对强度。
(5) 偏振：做偏振谱测量时，必须在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋转器可以改变入射光的偏振方向；在光谱仪入射狭缝前加入检偏器，可以改变进入光谱仪的散射光的偏振；在检偏器后设臵偏振扰乱器，可以消除光谱仪的退偏干扰。
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。由于拉曼散射强度很弱，因而要求拉曼光谱仪有很好的杂散光水平。各种光学部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是仪器杂散光的主要来源。当仪器的杂散光本领小于10时，只能作气体、透明液体和透明晶体的拉曼光谱。 -45
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：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。
具体实例：拉曼光谱仪的光源为激光光源。由于拉曼散射很弱，因此要求光源强度大，一般用激光光源。有可见及红外激光光源等。如具有308nm，351nm发射线的紫外激光器；Ar+激光器一般在488.0nm, 514.5nm等可见区发光；而Nd:YaG激光器则在1064nm的近红外区使用。色散型拉曼光谱仪有多个单色器(double or triple monochrometer system)。由于测定的拉曼位移较小，因此仪器需要较高的单色性。在 4
傅立叶变换拉曼光谱仪中，以迈克尔逊干涉仪代替色散元件，光源利用率高，可采用红外激光，用以避免分析物或杂质的荧光干扰。拉曼光谱仪的检测器为光电倍增管、多探测器(如CCD: Charge Coupled Device)等。
微区分析装臵的应用。微区分析装臵是拉曼光谱仪的一个附件，由光学显微镜、电子摄像管、显象荧光屏、照相机等组成。可以（作用）将局部样品的放大图显示在荧光屏上，用照相机拍摄样品的显微图象。如人眼球晶体中白内障病变部位的观测等。
（三）现在应用的拉曼光谱仪
激光Raman光谱仪： (laser Raman spectroscopy)
激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm; Ar激光器，波长514.5nm，488.0nm；散射强度∝1/λ 单色器：光栅，多单色器；检测器：光电倍增管，光子计数器；
激光拉曼的应用的优势： 4
激光拉曼光谱之所以一开始就受到重视，因为它与红外光谱有着相同的波长范围，操作比红外光谱简单，还具有以下优点：
（1）单色光源的频率可根据样品颜色而有所选择。而红外光谱的光源不能任意调换。
（2）激光拉曼光谱谱峰尖锐、分辨性好。而红外谱峰往往很宽。
（3）在显微分析中，拉曼光谱有更高的分辨率。激光拉曼光谱的常规试样用量为2~2.5ug,微量操作时用量为0.06ug；红外光谱的常规用量为100ug,微量操作用量为0.1ug.拉曼光谱成像深度。
(4)激光拉曼光谱可用于单晶的低频晶格频率及高频分子频率的研究红外光谱不能做这些单晶的数据。
（5）激光拉曼光谱可测水溶液，而红外光谱不适用于水溶液的测定。
（6）激光拉曼光谱的频率范围可为20～4000cm-1(500~2.5um)。一般红外光谱的测量范围只能为200～4000cm-1（50～2.5um）,200cm-1以下的需要用远红外光谱。
（7）激光拉曼光谱对C=C,C≡C,S-S,C=S,P-S等红外弱谱峰很灵敏，能出现强峰，对易产生偏振的一切重元素（过渡金属超铀元素）的配位键均可出现拉曼强峰。
（8）拉曼光谱中只有少量的倍频及组频。在红外光谱上，易出现倍频和组频。所以，在激光拉曼谱图上谱峰清楚，谱峰较少，往往出现基频峰，比红外光谱更容易分析。 激光拉曼光谱法的应用
激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面上的应用，在表面和薄膜方面的应用。
有机化学：拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是碇化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依据。
高聚物：拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体（单休异构、位臵异构、几何异构和空间立现异构等）的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。电活性聚合物如聚吡咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具，在高聚物的工业生产方面，如对受挤压线性聚乙烯的形态、高强度纤维中紧束分子的观测，以及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究中都彩了拉曼光谱。
生物：拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。拉曼光谱在蛋白质二级结构的研究、DNA和致癌物分子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、动脉硬化操作中的钙化沉积和红细胞膜的等研究中的应用均有文献报道。
利用FT-Raman消除生物大分子荧光干扰等，有许多成功的示例。
表面和薄膜
拉曼光谱在材料的研究方面，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多例作。
最近，对于拉曼光谱在金刚石和类金刚石薄膜的研究工作中的应用，国内外学者的兴趣有增无减。 拉曼光谱已成CVD（化学气相沉积法）制备薄膜的检测和鉴定手段。
另外，LB膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光谱研究都已见报道。
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第四章 拉曼散射
篇二:拉曼光谱成像深度
第四章激光拉曼光谱分析法
一、拉曼光谱基本原理
principle of Raman spectroscopy 二、拉曼光谱的应用
applications of Raman spectroscopy 三、激光拉曼光谱仪 laser Raman spectroscopy
什么是拉曼散射?
光散射的过程：激光入射到样品，产生散射光。 散射光弹性散射（频率不发生改变-瑞利散射）
非弹性散射（频率发生改变-拉曼散射）
瑞利散射
?laser
?scatter>??laser
?scatter=??laser
拉曼散射
一、激光拉曼光谱基本原理
瑞利散射：
弹性碰撞； 无能量交换，仅 改变方向
Raman散射： 非弹性碰撞； 方向改变且有能 量交换
激发虚态
h(?0 -???)
E1 + h?0
h?0
E0 + h?0 h?0 h?0
E1 E0
V=1 V=0拉曼光谱成像深度。
h?0 +????
Rayleigh散射 Raman散射拉曼光谱成像深度。
E0基态， E1振动激发态； E0 + h?0， E1 + h?0激发虚态；
获得能量后，跃迁到激发虚态.
（1928年印度物理学家Raman C V发现；1960年快速发展）
h????
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