我所認識的拉曼光譜

1、我和拉曼的那些不得不說的事 披著羊皮的楊帆一、拉曼光譜(Raman spectra)的歷史過程： 拉曼光譜得名于印度物理學家拉曼(Raman)。1928年，拉曼首先從實驗觀察到單色的入射光投射到物質中后產生的散射，通過對散射光進行光譜分析，首先發(fā)現(xiàn)散射光除了含有與入射光相同頻率的光外，還包含有與入射光頻率不同的光。以后，人們將這種散射光與入射光頻率不同的現(xiàn)象稱為拉曼散射。拉曼因此獲得諾貝爾獎。 當一束入射光通過樣品時，在各個方向上都發(fā)生散射。拉曼光譜儀收集和檢測與入射光成直角的散射光。由于收集和檢測的散射光強度非常低，因此拉曼光譜的應用和發(fā)展受到很大限制。30年代拉曼光譜曾是研究分子結構的主要

2、手段，此時的拉曼光譜儀是以汞弧燈為光源，物質產生的拉曼散射譜線極其微弱，因此應用受到限制。上世紀60年代，激光的問世為拉曼光譜儀的發(fā)展帶來了蓬勃生機。早期作為光源使用的汞弧燈，被高功率、高能量、高單色性和高相干性的激光光源所代替。另外，高分辨率、低雜散光的雙聯(lián)和三聯(lián)光柵單色儀，高靈敏度光電接收系統(tǒng)(光電倍增管和光子計數(shù)器)也在此期間研制成功，并實現(xiàn)了計算機和拉曼光譜儀的聯(lián)機。70年代中期，不斷提高的激光技術使得拉曼光譜技術的發(fā)展和應用更為廣泛。對在很大光譜范圍內吸收的樣品，激光器的多譜線輸出和可調諧激光器的連續(xù)譜線輸出，可以使人們很方便地選擇合適的激發(fā)光進行共振拉曼光譜測量。用于樣品的微區(qū)分析

3、、不均勻表面檢測等的空間分辨拉曼光譜技術(激光拉曼探針)也于同期誕生，到90年代末，高空間分辨拉曼光譜技術已經可以做到單分子檢測。多通道測量和短脈沖激光技術配合，則實現(xiàn)了時間分辨拉曼光譜測試。這種光譜技術可用于短壽命自由基、化學反應的中間態(tài)、物質和系統(tǒng)的瞬間過程等方面的研究。1983年，Jennings等人成功地進行了傅里葉變換拉曼實驗。此后，各型號的傅里葉變換拉曼光譜儀也先后問世。1986年，Hirschfeld和Chase在技術上實現(xiàn)了FT-拉曼光譜。1987年PE公司推出了第一臺近紅外激發(fā)傅里葉變換拉曼光譜儀。首部Fr-Raman專著于1991年正式出版。90年代初，為滿足社會生產活動的

4、需要，人們不斷探索出多項新技術并應用于拉曼光譜儀中。例如：引進光纖對遠距離或危險處的樣品進行測量，用聲光調制器(AOTF)代替光柵作為分光元件測量拉曼光譜；利用全息帶阻濾光片濾除瑞利散射的干擾等。激光拉曼光譜儀的性能也日臻完善，如：美國Spex公司和英國Reinshow公司相繼推出了拉曼探針共焦激光拉曼光譜儀，低功率的激光光源的使用使激光器的使用壽命大大延長，共焦顯微拉曼的引入實現(xiàn)了類似生物切片的激光拉曼掃描，從而得到樣品在不同深度時的拉曼光譜。Dilor公司推出了多測點在線工業(yè)用拉曼系統(tǒng)，采用的光纖可達200m，從而使拉曼光譜的應用范圍更加廣闊。拉曼光譜儀以激光（excitation）作光源

5、，光的單色性和強度都大大提高，拉曼散射儀的信號強度因而提高，拉曼光譜技術得以迅速發(fā)展，應用領域遍及物理，材料，化學，生物等學科，并已成為光譜學的一個分支拉曼光譜學 (Raman Spectroscopy光譜學)。二、拉曼光譜的原理 ：光照射到物質上發(fā)生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分,非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長或長和或短的成分, 統(tǒng)稱為拉曼效應。拉曼效應是光子與光學支聲子相互作用的結果。拉曼光譜原理：拉曼效應起源于分子振動(和點陣振動)與轉動，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能級(點陣振動能級)與轉動能級結構的知識。用虛的上能級概念可以說明了拉曼效應:拉曼

6、光譜為散射光譜，1928年，C.V.拉曼實驗發(fā)現(xiàn)，當光透過透明介質被分子散射的光發(fā)生頻率變化，這一現(xiàn)象被稱為拉曼散射。在透明介質的散射光譜中，頻率與入射光頻率v0相同（及波長不變）的成分稱為瑞利散射(Rayleigh scattering )彈性碰撞，無能量交換，僅改變方向；頻率對稱分布在v0兩側，即v0± v1（波長改變）為拉曼散射（Raman spectra）無彈性碰撞，有能量交換，改變方向。其中頻率較小的成分(v0-v1)又稱為斯托克斯線（Stocks lines)，頻率較大的成分(v0+v1)又被稱為反斯托克斯線（Anti-Stocks lines）。因為斯托克斯線的強度遠遠

7、強于反斯托克斯線，且基態(tài)分子比較多，所以拉曼光譜儀一般記錄斯托克斯線?？拷鹄⑸渚€兩側的譜線稱為小拉曼線，遠離的則稱為大拉曼線。瑞利散射線的強度只有入射光強度的l0-3-10-5，拉曼光譜強度大約只有入射光強的10-7-10-9。小拉曼光譜與分子的轉動能級有關，大拉曼光譜與分子振動一轉動能級有關。拉曼位移（Raman shift)：拉曼位移的大小與入射光的頻率無關，只與分子的能級結構有關，其范圍為254000cm-1，因此入射光的能量應大于分子振動躍遷所需能量，小于電子能級躍遷的能量。Raman散射光的頻率與入射光的頻率相差v。對不同物質：v不同；對同一物質：v與入射光頻率無關；可應用于表征

8、分子振-轉能級的特征物理量；定性與結構分析的依據(jù)。拉曼譜線強度與入射光強和樣品分子的濃度成正比例關系，因此可利用拉曼光譜來進行定量分析，在與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R為：R=4nL·A·N·L·K·sin2(2) 式中，R為入射光照射到樣品上的光通量；A為拉曼散射系數(shù)，約等于10-2810-29molsr；N為單位體積內的分子數(shù)；L為樣品的有效體積；K為考慮到折射率和樣品內場效應等因素影響的系數(shù)；為拉曼光束在聚焦透鏡方向上的角度。利用拉曼效應及拉曼散射光與樣品分子的上述關系，可對物質分子的結構和濃度進行分析研究。R

9、aman散射的產生：光電場E中，分子產生誘導偶極距，r= a*E 分子極化率； Rayleigh / Raman Transitions and Spectra Rayleigh / Raman Transitions E=hv E0=hv0 基態(tài) E1 振動激發(fā)態(tài) 實線代表real states真實能級；虛線代表virtual states虛能級 Vibrational States振動能級 Ground State基級 Fluorescence熒光拉曼光譜的一個重要參數(shù)：（強度，頻率）退偏振比r（去偏振度depolarization）由于激光是線偏振光，而大多數(shù)的有機分子是各向異性的，在不

10、同方向上的分子被入射光電場極化程度是不同的。 在激光拉曼光譜中，完全自由取向的分子所散射的光也可能是偏振的，因此一般在拉曼光譜中用該參數(shù)表征分子對稱性振動模式的高低。（注缺失）去偏振度與分子的極化度有關，通過測定拉曼譜線的去偏振度，可以確定分子的對稱性。拉曼光譜的特征(優(yōu)、缺、難）： a.拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關,只和樣品的振動轉動能級有關； b.在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側, 這是由于在兩種情況下分別相應于得到或失去了一個振動量子的能量。c.一般情況下，斯托克斯線比反斯托

11、克斯線的強度大。這是由于玻爾茲曼（Boltzmann）分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。 d.波長位移在中紅外區(qū)。有紅外及拉曼活性的分子,其紅外光譜和拉曼光譜近似。可使用各種溶劑，尤其是能測定水溶液，樣品處理簡單。低波數(shù)段測定容易(如金屬與氧、氮結合鍵的振動nM-O, nM-N等)。而紅外光譜的遠紅外區(qū)不適用于水溶液，選擇窗口材料、檢測器困難。由Stokes、反Stokes線的強度比可以測定樣品體系的溫度。 e.顯微拉曼的空間分辨率很高，為1mm。時間分辨測定可以跟蹤10-12s量級的動態(tài)反應過程。利用共振拉曼、表面增強拉曼可以提高測定靈敏度。 f. 其不足之處在于，

12、激光光源可能破壞樣品；熒光性樣品測定一般不適用，需改用近紅外激光激發(fā)等 g.對樣品無接觸，無損傷；樣品無需制備；快速分析，鑒別各種材料的特性與結構；能適合黑色和含水樣品；高、低溫及高壓條件下測量；光譜成像快速、簡便，分辨率高；儀器穩(wěn)固，體積適中，維護成本低，使用簡單。 H.難點，拉曼散射信號弱（比熒光光譜平均小23數(shù)量級）。激光激發(fā)強。 拉曼信號頻率離激光頻率很近。激光瑞利散射比拉曼信號強10101014，對拉曼信號干擾很大。拉曼光譜儀器的設計，必須能排除瑞利散射光，并具有高靈敏度（體現(xiàn)在弱信號檢測的高信噪比 ），才能有效地收集拉曼譜。 測定拉曼散射光譜時，一般選擇激發(fā)光的能量大于振動能級的能

13、量但低于電子能級間的能量差，且遠離分析物的紫外-可見吸收峰。當激發(fā)光與樣品分子作用時，樣品分子即被激發(fā)至能量較高的虛態(tài)(上圖中用虛線表示)。左邊的一組線代表分子與光作用后的能量變化，粗線出現(xiàn)的幾率大，細線表示出現(xiàn)的幾率小，因為室溫下大多數(shù)分子處于基態(tài)的最低振動能級。中間一組線代表瑞利(Rayleigh)散射，光子與分子間發(fā)生彈性碰撞，碰撞時只是方向發(fā)生改變而未發(fā)生能量交換。右邊一組線代表拉曼散射，光子與分子碰撞后發(fā)生了能量交換，光子將一部分能量傳遞給樣品分子或從樣品分子獲得一部分能量,因而改變了光的頻率。能量變化所引起的散射光頻率變化稱為拉曼位移。由于室溫下基態(tài)的最低振動能級的分子數(shù)目最多,與

14、光子作用后返回同一振動能級的分子也最多,所以上述散射出現(xiàn)的幾率大小順序為：瑞利散射>Stokes線>反Stokes線。隨溫度升高，反Stokes線的強度增加。 CCl4的拉曼光譜 using an Ar+ laser at 488 nm Rayleigh / Raman Transitions and Spectra 組成：A complete Raman spectrum consists of:一個完整的拉曼光譜由： a Rayleigh scattered peak (high intensity強度, same wavelength波長 as excitation激發(fā)，激動

15、，反應)瑞利散射峰（高強度，相同的波長作為激發(fā)激發(fā)，激動，反應） a series of Stokes-shifted peaks (low intensity, longer wavelength)斯托克斯移峰（低強度，長波長） a series of anti-Stokes shifted peaks (still lower intensity, shorter wavelength)一系列的反斯托克斯移峰（仍然較低的強度，較短的波長） spectrum independent of excitation wavelength (488, 632.8, or 1064 nm)頻譜獨立的激

16、發(fā)波長（488，632.8，或1064納米） 在坐標系中，拉曼光譜的橫坐標為拉曼位移，以波數(shù)表示,是相對激發(fā)波長偏移的波數(shù)，波數(shù)就是波長的倒數(shù)，以cm-1為單位。其中 和 分別為Stokes位移和入射光波數(shù)?？v坐標為拉曼光強，縱坐標是光子計數(shù),就是散射光的強度。由于拉曼位移與激發(fā)光無關，只與分子的能級結構有關，一般僅用Stokes位移部分。對發(fā)熒光的分子，有時用反Stokes位移。 拉曼光譜的對應關系 3、 拉曼光譜的儀器： （一）分類：濾光器型拉曼光譜儀：有單色光源、濾光器、光學檢測器組成，結構簡單，可以制作的很小，只有很狹窄的光譜段進入檢測器，大部分拉曼散射光被浪費。分光儀型拉曼光譜儀：將

17、不同波長的光分散開，使他們成像于不同的位置。通常是將來自入射狹縫的光照射于衍射光柵，后將衍射光聚焦在光譜儀輸出平面上，平面上安置探測器。光柵刻度線密度越大，光譜分辨率越高。干涉性（傅里葉變換）拉曼光譜儀： （二）具體組成：拉曼光譜儀一般由以下五個部分構成。1、光源：它的功能是提供單色性好、功率大并且最好能多波長工作的入射光。目前拉曼光譜實驗的光源己全部用激光器代替歷史上使用的汞燈，提供高功率、高能量、高單色性和高相干性的激光。對常規(guī)的拉曼光譜實驗，常見的氣體激光器基本上可以滿足實驗的需要。在某些拉曼光譜實驗中要求入射光的強度穩(wěn)定，這就要求激光器的輸出功率穩(wěn)定。2、外光路：外光路部分包括聚光、集

18、光、樣品架濾光和偏振等部件。(1) 聚光：用一塊或二塊焦距合適的會聚透鏡，使樣品處于會聚激光束的腰部，以提高樣品光的輻照功率，可使樣品在單位面積上輻照功率比不用透鏡會聚前增強105倍。(2) 集光：常用透鏡組或反射凹面鏡作散射光的收集鏡。通常是由相對孔徑數(shù)值在1左右的透鏡組成。為了更多地收集散射光，對某些實驗樣品可在集光鏡對面和照明光傳播方向上加反射鏡。(3) 樣品架：樣品架的設計要保證使照明最有效和雜散光最少，尤其要避免入射激光進入光譜儀的入射狹縫。為此，對于透明樣品，最佳的樣品布置方案是使樣品被照明部分呈光譜儀入射狹縫形狀的長圓柱體，并使收集光方向垂直于入射光的傳播方向。(4) 濾光：安置

19、濾光部件的主要目的是為了抑制雜散光以提高拉曼散射的信噪比。在樣品前面，典型的濾光部件是前置單色器或干涉濾光片，它們可以濾去光源中非激光頻率的大部分光能。小孔光欄對濾去激光器產生的等離子線有很好的作用。在樣品后面，用合適的干涉濾光片或吸收盒可以濾去不需要的瑞利線的一大部分能量，提高拉曼散射的相對強度。(5) 偏振：做偏振譜測量時，必須在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋轉器可以改變入射光的偏振方向；在光譜儀入射狹縫前加入檢偏器，可以改變進入光譜儀的散射光的偏振；在檢偏器后設置偏振擾亂器，可以消除光譜儀的退偏干擾。3、色散系統(tǒng)：色散系統(tǒng)使拉曼散射光按波長在空間分開，通常使用單色儀。由于拉曼散射強度很

20、弱，因而要求拉曼光譜儀有很好的雜散光水平。各種光學部件的缺陷，尤其是光柵的缺陷，是儀器雜散光的主要來源。當儀器的雜散光本領小于10-4時，只能作氣體、透明液體和透明晶體的拉曼光譜。4、接收系統(tǒng)：拉曼散射信號的接收類型分單通道和多通道接收兩種。光電倍增管接收就是單通道接收。5、信息處理：為了提取拉曼散射信息，常用的電子學處理方法是直流放大、選頻和光子計數(shù)，然后用記錄儀或計算機接口軟件畫出圖譜。 具體實例：拉曼光譜儀的光源為激光光源。由于拉曼散射很弱，因此要求光源強度大，一般用激光光源。有可見及紅外激光光源等。如具有308nm，351nm發(fā)射線的紫外激光器；Ar+激光器一般在488.0nm, 51

21、4.5nm等可見區(qū)發(fā)光；而Nd:YaG激光器則在1064nm的近紅外區(qū)使用。色散型拉曼光譜儀有多個單色器(double or triple monochrometer system)。由于測定的拉曼位移較小，因此儀器需要較高的單色性。在傅立葉變換拉曼光譜儀中，以邁克爾遜干涉儀代替色散元件，光源利用率高，可采用紅外激光，用以避免分析物或雜質的熒光干擾。拉曼光譜儀的檢測器為光電倍增管、多探測器(如CCD: Charge Coupled Device)等。 微區(qū)分析裝置的應用。微區(qū)分析裝置是拉曼光譜儀的一個附件，由光學顯微鏡、電子攝像管、顯象熒光屏、照相機等組成?？梢裕ㄗ饔茫⒕植繕悠返姆糯髨D顯示在

22、熒光屏上，用照相機拍攝樣品的顯微圖象。如人眼球晶體中白內障病變部位的觀測等。（三）現(xiàn)在應用的拉曼光譜儀 激光Raman光譜儀： (laser Raman spectroscopy)激光光源：He-Ne激光器，波長632.8nm; Ar激光器，波長514.5nm，488.0nm；散射強度1/4單色器：光柵，多單色器；檢測器：光電倍增管，光子計數(shù)器；激光拉曼的應用的優(yōu)勢： 激光拉曼光譜之所以一開始就受到重視，因為它與紅外光譜有著相同的波長范圍，操作比紅外光譜簡單，還具有以下優(yōu)點：（1）單色光源的頻率可根據(jù)樣品顏色而有所選擇。而紅外光譜的光源不能任意調換。（2）激光拉曼光譜譜峰尖銳、分辨性好。而紅外

23、譜峰往往很寬。（3）在顯微分析中，拉曼光譜有更高的分辨率。激光拉曼光譜的常規(guī)試樣用量為22.5ug,微量操作時用量為0.06ug；紅外光譜的常規(guī)用量為100ug,微量操作用量為0.1ug. (4)激光拉曼光譜可用于單晶的低頻晶格頻率及高頻分子頻率的研究紅外光譜不能做這些單晶的數(shù)據(jù)。（5）激光拉曼光譜可測水溶液，而紅外光譜不適用于水溶液的測定。（6）激光拉曼光譜的頻率范圍可為204000cm-1(5002.5um)。一般紅外光譜的測量范圍只能為2004000cm-1（502.5um）,200cm-1以下的需要用遠紅外光譜。（7）激光拉曼光譜對C=C,CC,S-S,C=S,P-S等紅外弱譜峰很靈敏

24、，能出現(xiàn)強峰，對易產生偏振的一切重元素（過渡金屬超鈾元素）的配位鍵均可出現(xiàn)拉曼強峰。（8）拉曼光譜中只有少量的倍頻及組頻。在紅外光譜上，易出現(xiàn)倍頻和組頻。所以，在激光拉曼譜圖上譜峰清楚，譜峰較少，往往出現(xiàn)基頻峰，比紅外光譜更容易分析。激光拉曼光譜法的應用激光拉曼光譜法的應用有以下幾種：在有機化學上的應用，在高聚物上的應用，在生物方面上的應用，在表面和薄膜方面的應用。有機化學：拉曼光譜在有機化學方面主要是用作結構鑒定的手段，拉曼位移的大小、強度及拉曼峰形狀是碇化學鍵、官能團的重要依據(jù)。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為順反式結構判斷的依據(jù)。高聚物：拉曼光譜可以提供關于碳鏈或環(huán)的結構信息。在確定異構

25、體（單休異構、位置異構、幾何異構和空間立現(xiàn)異構等）的研究中拉曼光譜可以發(fā)揮其獨特作用。電活性聚合物如聚吡咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光譜為工具，在高聚物的工業(yè)生產方面，如對受擠壓線性聚乙烯的形態(tài)、高強度纖維中緊束分子的觀測，以及聚乙烯磨損碎片結晶度的測量等研究中都彩了拉曼光譜。生物：拉曼光譜是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光譜很弱、譜圖又很簡單，故拉曼光譜可以在接近自然狀態(tài)、活性狀態(tài)下來研究生物大分子的結構及其變化。拉曼光譜在蛋白質二級結構的研究、DNA和致癌物分子間的作用、視紫紅質在光循環(huán)中的結構變化、動脈硬化操作中的鈣化沉積和紅細胞膜的等研究中的應用均有文獻報道。利用FT-Rama

26、n消除生物大分子熒光干擾等，有許多成功的示例。表面和薄膜拉曼光譜在材料的研究方面，在相組成界面、晶界等課題中可以做很多例作。最近，對于拉曼光譜在金剛石和類金剛石薄膜的研究工作中的應用，國內外學者的興趣有增無減。拉曼光譜已成CVD（化學氣相沉積法）制備薄膜的檢測和鑒定手段。另外，LB膜的拉曼光譜研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光譜研究都已見報道。盡管拉曼散射很弱，拉曼光譜通常不夠靈敏，但利用共振或表面增強拉曼技術就可以大大加強拉曼光譜的靈敏度。表面增強拉曼光譜學（SERS）已成為拉曼光譜研究中活躍的一個領域。發(fā)展傳統(tǒng)的光柵分光拉曼光譜儀，彩的是逐點掃描，單道記錄的方法，十分浪費時間。而且激光拉曼光譜

27、儀所用的激光很容易激發(fā)出熒光來，影響測定。為避免傳統(tǒng)激光光譜儀的弊端近來研制出了兩種新型的光譜儀：傅里葉變換近紅外激光拉曼光譜儀和共焦激光光譜儀。傅里葉拉曼光譜儀由激光光源、試樣室、邁克爾遜干涉儀、特殊濾光器、檢測器組成。傅里葉拉曼光譜儀和光路與傅里葉紅外光譜儀的光路比較相象。檢測到的信號經放大器由計算機收集處理。 1.T64000型拉曼光譜儀： 64000系統(tǒng)是由ISA/JOBIN-YVON公司研制生產的能兼顧單、多道檢測，設計新穎的新一代全電腦化的三級光譜系統(tǒng)，用于常規(guī)Raman光譜，變溫等極端物理條件下的Raman光譜，顯微Raman光譜和發(fā)射光譜的測量。它可以取得樣品表面1um尺寸上的

28、Raman信號。系統(tǒng)內有多個平面反透鏡和狹縫。通過不同反射鏡和狹縫的組合，T64000可以作為單級、雙級和三級色散不同的光譜儀使用。系統(tǒng)裝備的CCD探測器可以使得光譜探測的效率大大提高。主要技術指標如下：1800條/mm全息光柵 光譜范圍：350-900nm；雜散光：10-14；重復性：±0.1cm-1；精度：0.01%； 600條/mm全息光柵 閃爍在1.5mm，光譜范圍：800nm-2.5mm；極低噪聲的CCD探測器 光譜范圍：400-1000nm；顯微入射系統(tǒng)配有×100，×50（長焦距），×50，×10物鏡。 T64000型光譜儀的內光

29、路示意圖 外觀圖2.傅立葉變換-拉曼光譜儀:(FT-Raman spectroscopy)光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（1.064mm）；檢測器：高靈敏度的銦鎵砷探頭；特點：避免了熒光干擾；精度高；消除了瑞利譜線；測量速度快。3.Renishaw拉曼光譜儀（優(yōu)點）1. 高靈敏度：靈敏度遠高于其它同類拉曼譜儀，檢驗標準：硅三階峰（約在1440 cm-1）的信噪比10:1，檢測條件為：激光輸出功率20mW，波長514.5nm，狹縫寬度50微米，曝光時間60秒，累加次數(shù)5次，binning（分級）為1或2，光柵為1800刻線。顯微鏡頭為 X50常規(guī)鏡頭。2. 高穩(wěn)定性、高重復性穩(wěn)定性、重復性標

30、志一臺儀器的質量，保證了數(shù)據(jù)的可靠性及重復性，是檢測光譜微小變化的關鍵性能，如材料的應力、應變引起的波數(shù)位移。雷尼紹拉曼光譜儀的傳動部件使用了世界領先的RG2線形和圓形編碼器，克服了機械間隙。能夠給光譜儀帶來空間與光譜的高穩(wěn)定性，高重復性，高精度與高準確度3. 同步連續(xù)掃描專利技術（SynchroScan）可一次性連續(xù)獲取任意寬波段范圍光譜（拉曼及發(fā)光光譜）無需人為接譜，無需使用低分辨率的光柵，且保證高分辨率，并可平均掉單探測點噪音及缺陷。應用技術1、光柵連續(xù)轉動2、CCD電荷的移動與光柵的轉動同步。優(yōu)點：無需接譜；連續(xù)極端大范圍掃描（9000cm-1以上）；信號橫越CCD的整個寬度，可將電荷

31、漏電等噪聲平均掉，不會產生贗譜；避免了材料的熒光背景雖時間逐漸減弱(淬滅)產生明顯贗譜的問題。4. 采用Leica顯微鏡高熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性 目鏡：Leica 原配，符合歐洲及北美等安全標準。好處是 a.高分辨，大視野，可方便、準確地尋找微米 級樣品：如礦物包裹體等，以及低反差樣品；b. 可安全地觀察激光焦點，以確認激光焦點是否聚焦在微米顆粒上。 同時配有攝像機：彩色，高分辨，可觀察激光焦點，不飽和，提供圖像采集卡及軟件，可在計算機上存儲白光照片，無需照相機。 照明光源：Leica原配，確保質量。5. 數(shù)字化顯微共焦系統(tǒng)專利技術受專利保護的最新的顯微共焦系統(tǒng)技術，無需調節(jié)針孔，并可連續(xù)調節(jié)共

32、焦深度，大大提高了儀器的光通量和穩(wěn)定性。6. 16級激光功率縝密衰減（可從100%至5x10-8%） 采用激光擴束器技術，可以連續(xù)改變激光焦點處光斑大?。?-250微米），進而可以連續(xù)改變作用于樣品上的功率密度注：激光功率過高或者激光功率密度過高，有的樣品可能被燒，也有的樣品雖然不會破壞，但在激光加熱下，會產生應力，導致拉曼峰的移動，影響了實驗結果的準確性。7. 自動化程度高激光光路：計算機控制、調節(jié)、存儲激光光路的位置。激光光路可自動準直。激光波長可自動切換部件：瑞利濾光片自動切換。光柵可自動切換。狹縫大小可自動調節(jié)功能：共焦與非共焦可自動切換。取譜模式與觀察樣品模式可自動切換。自動切換激光

33、的16級衰減模式。8. 選擇了最佳成像質量的CCD芯片尺寸9. 可以選擇的儀器分辨率/靈敏度分辨率和靈敏度是一對矛盾，分辨率提高的同時，靈敏度將會下降。分辨率和多種因素有關，不僅僅取決于焦長。在Renishaw的儀器上，用戶可根據(jù)所研究的樣品來選擇分辨率和靈敏度，既可選擇高分辨率，也可選擇高靈敏度。10. 功能擴展能力強可與掃描電鏡（電子探針，能譜，陰極熒光）聯(lián)用?？膳c原子力顯微鏡/近場光學聯(lián)用?？膳c付立葉紅外光譜儀聯(lián)用。可與共聚焦掃描顯微鏡聯(lián)用。（四）減少拉曼光譜中的噪音的方法： 是信號還是噪音取決于分子的對象和目的；增加重復光譜次數(shù)改善噪音比；用較長波長的激發(fā)光或測定開始前用激光對試樣照射

34、一段時間減弱背景熒光；加化學試劑破壞熒光結構。（五）拉曼儀器的發(fā)展：1.顯微拉曼光譜儀：2.共焦顯微拉曼光譜儀：在樣品成像處放置一個光闌，提高軸向分辨率。3.纖維光學拉曼光譜儀： 不成像纖維光學探針，最簡單的形式是兩根緊靠在一起平行排列的光纖。其中一根纖維傳送激光，而在另一根纖維的芯部收集其接受角錐體內的拉曼散射光，傳到儀器中； 聚焦纖維光學探針，將來自光線的激光聚焦于樣品的小區(qū)域，來自該區(qū)域的拉曼散射光則被聚焦到另一根返回光纖傳回儀器檢測（六）儀器使用注意事項：具備暗室條件，無強振動源，無強電磁干擾，不可受陽光直射。 光學器件表面有灰塵，不允許接觸擦拭，可用氣球小心吹掉。 實驗結束，先取出試

35、樣，關斷電源。 注意激光器電源開關順序正好相反。四、拉曼與紅外的區(qū)別： 苯benzene的紅外與拉曼圖 相同：激光拉曼光譜與紅外光譜一樣，都能提供分子振動頻率的信息，對于一個給定的化學鍵，其紅外吸收頻率與拉曼位移相等，均代表第一振動能級的能量。不同：1、紅外光譜的入射光及檢測光都是紅外光，拉曼光譜的入射光及散射光大多是可見光。拉曼效應為散射過程，拉曼光譜為散射光譜，紅外光譜對應的是與某一吸收頻率相等的（紅外）光子被分子吸收，因而紅外光譜是吸收光譜。2、 機理不同：從分子結構性質變化的角度來看，拉曼散射過程來源與分子的誘導偶極矩，與分子的極化率的變化相關。通常非極性分子及基團的振動導致分子變形，

36、引起極化率的變化，是拉曼活性的。紅外吸收過程與分子永久偶極矩的變化相關，一般極性分子及基團的振動引起永久偶極矩的變化，故通常是紅外活性的。3、 制樣技術不同：紅外光譜制樣復雜，拉曼光譜無需制樣，可直接測試水溶液。聯(lián)系：1、 相互排斥規(guī)則：凡有對稱中心的分子，若有拉曼活性，則紅外非活性。反之亦然。2、 相互允許規(guī)則：凡無對稱中心的分子，大多數(shù)分子紅外拉曼都有活性。3、 相互禁止規(guī)則：少數(shù)的分子振動，二者都不是。如、乙烯分子的扭曲振動，在紅外和拉曼光譜中均觀察不到該振動的譜帶。Eer紅外活性振動:永久偶極矩；極性基團；瞬間偶極矩；非對稱分子紅外活性振動伴有偶極矩變化的振動可以產生紅外吸收譜帶.拉曼

37、活性振動: 誘導偶極矩 = E;非極性基團，對稱分子；拉曼活性振動伴隨有極化率變化的振動。對稱分子：對稱振動拉曼活性。不對稱振動紅外活性 Polarization Effects極化效應 Raman光譜選律是分子具有各向異性的極化率：即分子中的電子在電場作用下沿鍵軸方向變形大于垂直于鍵軸方向的變形,則分子的誘導偶極矩要發(fā)生變化.五、拉曼光譜學的優(yōu)勢：Here are some reasons why someone would prefer to use Raman Spectroscopy.以下是為什么有人會喜歡使用拉曼光譜的一些原因。 Non-destructive to samples

38、(minimal sample prep)對樣品的非破壞性（最小樣本準備） Higher temperature studies possible (dont care about IR radiation)盡可能更高的溫度研究（不關心紅外輻射） Easily examine low wavenumber region: 100 cm-1 readily achieved.輕松檢查低波數(shù)區(qū)：100 cm-1的容易實現(xiàn)。 Better microscopy; using visible light so can focus more tightly.更好的顯微鏡；使用可見光，所以可以更緊密地聚焦

39、。 Easy sample prep: water is an excellent solvent for Raman. Can probe sample through transparent containers (glass or plastic bag).容易的樣品制備.水是一種很好的拉曼光譜.通過透明容器（玻璃或塑料袋）可探測樣品。 （一）拉曼光譜技術的優(yōu)越性提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。2 拉曼一次

40、可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。3 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區(qū)間的強度可以和功能集團的數(shù)量相關。4 因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。5 共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發(fā)色基團的振動，這些發(fā)色基團的拉曼

41、光強能被選擇性地增強1000到10000倍。 （二）拉曼光譜用于分析的不足 (1)拉曼散射面積 (2)不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響 (3)熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾 (4)在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性的問題 (5)任何一物質的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結果產生一定的影響。六、拉曼光譜的應用：（一）拉曼光譜與有機結構：由拉曼光譜可以獲得有機化合物的各種結構信息：1）同種分子的非極性鍵S-S，C=C，N=N，CºC產生強拉曼譜帶， 隨單鍵®雙鍵®三鍵譜帶強

42、度增加。2）紅外光譜中，由C N，C=S，S-H伸縮振動產生的譜帶一般較弱或強度可變，而在拉曼光譜中則是強譜帶。3）環(huán)狀化合物的對稱呼吸振動常常是最強的拉曼譜帶。4）在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-這類鍵的對稱伸縮振動是強譜帶，反這類鍵的對稱伸縮振動是弱譜帶。紅外光譜與此相反。5）C-C伸縮振動在拉曼光譜中是強譜帶。6）醇和烷烴的拉曼光譜是相似的：I. C-O鍵與C-C鍵的力常數(shù)或鍵的強度沒有很大差別。II. 羥基和甲基的質量僅相差2單位。 III.與C-H和N-H譜帶比較，O-H拉曼譜帶較弱。（二）用通常的拉曼光譜可以進行半導體、陶瓷等無機材料的分析。 如剩余應力分析、晶體

43、結構解析等。拉曼光譜還是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。如分子取向、蛋白質的巰基、卟啉環(huán)等的分析。直鏈CH2碳原子的折疊振動頻率可由下式確定：n=2400/Nc(cm-1)。Nc為碳原 。由圖可知，材料不同，拉曼光譜不同。（三）領域：1. 石油領域：檢測石油產品質量、定性分析石油產品組成或種類2. 食品領域;用于食品成分的“證實”，以及摻雜物的“證偽”3. 農牧領域:農牧產品的分類及鑒定4. 化學、高分子、制藥及醫(yī)學相關領域:過程控制；質量控制、成分鑒定、藥物鑒別、疾病診斷5. 刑偵及珠寶行業(yè):毒品檢測；珠寶鑒定6.環(huán)境保護:環(huán)保部門水質污染監(jiān)測、表面污染檢測和其他有機污染物7. 物理領

44、域；光學器件和半導體元件研究8.鑒定：古物古玩鑒定、公安刑事鑒定等其他領域。9.地質領域;現(xiàn)場探礦、礦石成分的定量定性分析和包裹體的研究等。七、拉曼信號的選擇入射激光的功率，樣品池厚度和光學系統(tǒng)的參數(shù)也對拉曼信號強度有很大的影響，故多選用能產生較強拉曼信號并且其拉曼峰不與待測拉曼峰重疊的基質或外加物質的分子作內標加以校正。其內標的選擇原則和定量分析方法與其他光譜分析方法基本相同。斯托克斯線能量減少，波長變長；反斯托克斯線能量增加，波長變短八、發(fā)展前景： (一）激光技術 （二）納米科技九、相關技術： （一）高溫法高溫激光拉曼技術被用于冶金、玻璃、地質化學、晶體生長等領域，用它來研究固體的高溫相變

45、過程，熔體的鍵合結構等。然而這些測試需在高溫下進行，必須對常規(guī)拉曼儀進行技術改造。（二）共振法 RRS(Resonance Raman Scattering)激光共振拉曼光譜(RRS)產生激光頻率與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度可達到正常拉曼譜帶的104106倍，并觀察到正常拉曼效應中難以出現(xiàn)的、其強度可與基頻相比擬的泛音及組合振動光譜。與正常拉曼光譜相比，共振拉曼光譜靈敏度高，結合表面增強技術，靈敏度已達到單分子檢測 。 以分析物的紫外-可見吸收光譜峰的鄰近處作為激發(fā)波長。樣品分子吸光后躍遷至高電子能級并立即回到基態(tài)的某一振動能級，產生共振拉曼散射

46、。該過程很短，約為10-14秒。而熒光發(fā)射是分子吸光后先發(fā)生振動松弛，回到第一電子激發(fā)態(tài)的第一振動能級，返回基態(tài)時的發(fā)光。熒光壽命一般為10-6-10-8秒。 共振拉曼強度比普通的拉曼光譜法強度可提高102-106倍，檢測限可達10-8摩爾/升，而一般的拉曼光譜法只能用于測定0.1摩爾/升以上濃度的樣品。因此RRS法用于高靈敏度測定以及狀態(tài)解析等,如低濃度生物大分子的水溶液測定。共振拉曼的主要不足是熒光干擾。例如用共振拉曼確定血紅蛋白和細胞色素c中Fe的氧化態(tài)和Fe原子的自旋狀況。此時共振拉曼僅取決于四個吡咯環(huán)的振動方式，與蛋白質有關的其它拉曼峰并不增強，在極低濃度時并不干擾。 （三）共焦顯微

47、法顯微拉曼光譜技術是將拉曼光譜分析技術與顯微分析技術結合起來的一種應用技術。與其他傳統(tǒng)技術相比，更易于直接獲得大量有價值信息，共聚焦顯微拉曼光譜不僅具有常規(guī)拉曼光譜的特點，還有自己的獨特優(yōu)勢。輔以高倍光學顯微鏡，具有微觀、原位、多相態(tài)、穩(wěn)定性好、空間分辨率高等特點，可實現(xiàn)逐點掃描，獲得高分辨率的三維圖像，近幾年共聚焦顯微拉曼光譜在腫瘤檢測、文物考古、公安法學等領域有著廣泛的應用。 （四）傅立葉變換法傅立葉變換拉曼光譜是上世紀90年代發(fā)展起來的新技術，1987年，Perkin Elmer公司推出第一臺近紅外激發(fā)傅立葉變換拉曼光譜(NIR FTR)儀，采用傅立葉變換技術對信號進行收集，多次累加來提

48、高信噪比，并用1064mm的近紅外激光照射樣品，大大減弱了熒光背景。從此，F(xiàn)rRaman在化學、生物學和生物醫(yī)學樣品的非破壞性結構分析方面顯示出了巨大的生命力。 （五）光纖法光纖的引入,使拉曼光譜儀用于工業(yè)在線分析以及現(xiàn)場遙測分析成為可能。Huy 等使用兩個10m長、100m 直徑的光纖,激光波長為514. 5nm ,對苯/ 庚烷混合物進行分析,獲得非常好的結果。Benoit 等將光導纖維傳感器用于拉曼光譜儀, 使得液體樣品的拉曼信號增強了50 倍。Cooney 等人比較單個光纖與多個光纖應用于拉曼光譜儀的結果,發(fā)現(xiàn)多個光纖的應用將改善收集拉曼光的有效性。Cooper 等利用光纖遙控拉曼技術分

49、析了石油染料中的二甲苯異構體。近年來,國外將1550nm 光纖激光器、EDFA 光纖放大器技術應用于拉曼散射型分布光纖溫度傳感器系統(tǒng),取得了較好的結果。分布式光纖拉曼光子溫度傳感器已成為光纖傳感技術和檢測技術的發(fā)展趨勢。由于它具有獨特的性能,因此已成為工業(yè)過程控制中的一種新的檢測裝置,發(fā)展成一個工業(yè)自動化測量網絡。 （六）固體光聲法光聲拉曼技術是通過光聲方法來直接探測樣品中因相干拉曼過程而存儲能量的一種非線性光存儲技術。光聲拉曼信號正比于固體介質三階拉曼極化率的虛部,與非共振拉曼極化率無關,因而完全避免了非共振拉曼散射的影響,并且克服了傳統(tǒng)的光學法受瑞利散射,布里淵散射干擾的缺點,具有高靈敏度

50、(能探測到10 - 6cm- 1的拉曼系數(shù)) 、高分辨率和基本上沒有光學背景等優(yōu)點。在氣體、液體樣品的檢測分析中獲得了理想的效果。由于不像相干斯托克斯拉曼過程那樣有比較嚴格的相位匹配角要求,因而它也很適合用于研究固體介質特性。Barrett 等人從理論上分析了氣體樣品中的光聲拉曼光譜技術過程,但與之不同,固體介質的光聲拉曼效應是由相干拉曼增益過程產生的局部熱能耦合到樣品本身的振動模式的熱彈過程,對于介質各向異性結構,三階非線性拉曼極化率張量形式表現(xiàn)出對稱性,因而,情況要復雜得多,運用平行模型和熱彈性理論,導出固體介質樣品中光聲拉曼信號的解析式,對固體中光聲拉曼效應的一些特性進行分析。 （七）聯(lián)

51、用法近兩年，實現(xiàn)拉曼與其它多種微區(qū)分析測試儀器的聯(lián)用，其中有：拉曼與掃描電鏡聯(lián)用(RamanSEM)；拉曼與原子力顯微鏡/近場光學顯微鏡聯(lián)用(RamanAFM/NSOM)；拉曼與紅外聯(lián)用(RamaniR)；拉曼與激光掃描共聚焦顯微鏡聯(lián)用(Raman CLSM)，這些聯(lián)用的著眼點是微區(qū)的原位檢測。通過聯(lián)用可以獲得更多的信息，并提高可靠度。 （八）表面增強法 SERS(Surface-Enhanced Raman Scattering)  自1974年Fleischmann等人發(fā)現(xiàn)吸附在粗糙化的Ag電極表現(xiàn)的吡啶分子具有巨大的拉曼散射現(xiàn)象，加之活性載體表面選擇吸附分子對熒光發(fā)射的抑制，使

52、激光拉曼光譜分析的信噪比大大提高，這種表面增強效應被稱為表面增強拉曼散射(SERS)。SERS技術是一種新的表面測試技術，可以在分子水平上研究材料分子的結構信息。 表面增強拉曼是用通常的拉曼光譜法測定吸附在膠質金屬顆粒如銀、金或銅表面的樣品，或吸附在這些金屬片的粗糙表面上的樣品。盡管原因尚不明朗，人們發(fā)現(xiàn)被吸附的樣品其拉曼光譜的強度可提高103-106倍。如果將表面增強拉曼與共振拉曼結合，光譜強度的凈增加幾乎是兩種方法增強的和。檢測限可低至10-9-10-12摩爾/升。表面增強拉曼主要用于吸附物種的狀態(tài)解析等。 一般物質分子的拉曼光譜很微弱, 為了獲得增強的信號, 可采用電極表面粗化的辦法, 可以得到強度高104-107倍的表面增強拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 光譜, 當具有共振拉曼效應的分子吸附在粗化的電極表面時, 得到的是表面增強共振拉曼散射(SERRS)光譜, 其強度又能增強102-103。 （注：）增強拉曼的技術表面增強拉曼光譜技術（SERS）：當物質分子吸附在一