RAMAN拉曼實驗講義

1、激光共焦顯微激光共焦顯微拉曼光譜儀拉曼光譜儀NJUST教學要求教學要求1、掌握、掌握RAMAN光譜儀的基本原理和結構光譜儀的基本原理和結構2、了解了解RAMAN光光譜儀的適用范圍及一般應用譜儀的適用范圍及一般應用3、通過對樣品的測試、通過對樣品的測試掌握掌握 LabSpec5 軟件的軟件的 操作過程，學會譜圖解析的一般方法操作過程，學會譜圖解析的一般方法拉曼光譜概述拉曼光譜概述l拉曼效應1928 年，印度科學家C.V Raman首先在CCl4光譜中發(fā)現(xiàn)了當光與分子相互作用后，一部分光的波長會發(fā)生改變(顏色發(fā)生變化)，通過對這些顏色發(fā)生變化的散射光的研究，可以得到分子結構的信息，把這種效應命名為

2、Raman效應。為此拉曼獲得1930年度的諾貝爾物理學獎。從拉曼光譜的研究可以得到有關分子振動或轉(zhuǎn)動的信息。拉曼光譜原理拉曼光譜原理 紅外光譜的產(chǎn)生伴隨著分子偶極矩的變化，而拉曼散射則伴隨著分子極化率的改變，這種極化率的改變是通過分子內(nèi)部的運動（例如轉(zhuǎn)動、振動等）來實現(xiàn)的。當一定頻率的激發(fā)光照射一分子時，一部分散射光的頻率與入射光的頻率相同，這種散射是分子對光子的一種彈性散射，其碰撞為彈性碰撞，沒有能量交換，稱為瑞利散射，是由英國物理學家瑞利提出而得名。 還有一部分散射光的頻率和激發(fā)光的頻率不等，這種散射稱為拉曼散射。彈性散射：在散射過程中沒有發(fā)生能量變化的散射非彈性散射：在散射過程中發(fā)生能量

3、變化的散射散射光的頻率分布散射光的頻率分布拉曼光譜原理拉曼光譜原理從能級的角度來講拉曼散射，是分子先吸收了光子的能量,從基態(tài)躍遷到虛態(tài),到了虛態(tài)之后，由于處于高能級，它從虛態(tài)返回到第一振動能級，釋放能量,這樣放出的光子的能量小于入射光子的能量，這就是拉曼散射的一種，也就是處于斯托克斯散射。當從第一振動能級躍遷到虛態(tài)，然后從虛態(tài)返回到基態(tài)，這樣放出的能量就大于入射光的能量，這就是處于反斯托克斯區(qū)，也是拉曼散射的一種。能量不變的就是瑞利散射。能級示意圖E1E0E1E00h0h0h0h0h0()h0h0()hEh 0000瑞利散射瑞利散射拉曼散射拉曼散射通過非彈性散射光子與入射光子能量的差別，通過非

4、彈性散射光子與入射光子能量的差別，我們可以得到分子振動和轉(zhuǎn)動能級的信息。我們可以得到分子振動和轉(zhuǎn)動能級的信息。例如例如:苯環(huán)振動模式在拉曼譜圖的歸屬：苯環(huán)振動模式在拉曼譜圖的歸屬：拉曼光譜圖給出的信息拉曼光譜圖給出的信息定性的信息：拉曼光譜是物質(zhì)結構的指紋光譜定量的信息：可以通過光譜校正，得到準確的 應力大小和濃度分布譜帶位置：化學組成, 結構,構象,形態(tài)頻率位移：應力 ，溫度 半 高 寬： 結晶度 強 度： 濃度或物質(zhì)的量拉曼光譜和紅外光譜的比較拉曼光譜和紅外光譜的比較拉曼光譜和紅外光譜均屬于分子振動和轉(zhuǎn)動光譜，在許拉曼光譜和紅外光譜均屬于分子振動和轉(zhuǎn)動光譜，在許多情況下，拉曼頻率位移的程度

5、正好相當于紅外吸收頻多情況下，拉曼頻率位移的程度正好相當于紅外吸收頻率。因此紅外測量能夠得到的信息同樣也出現(xiàn)在拉曼光率。因此紅外測量能夠得到的信息同樣也出現(xiàn)在拉曼光譜中，紅外光譜解析中的定性三要素（峰位，峰強和峰譜中，紅外光譜解析中的定性三要素（峰位，峰強和峰形）對拉曼解析也是適用。形）對拉曼解析也是適用。但由于這兩種光譜的分析機理不同，在提供信息上也是但由于這兩種光譜的分析機理不同，在提供信息上也是有差異的，通常分子的對稱性愈高，紅外與拉曼光譜的有差異的，通常分子的對稱性愈高，紅外與拉曼光譜的區(qū)別就愈大，非極性官能團的拉曼散射譜帶較為強烈，區(qū)別就愈大，非極性官能團的拉曼散射譜帶較為強烈，極性

6、官能團的紅外譜帶較為強烈，例如在許多情況下，極性官能團的紅外譜帶較為強烈，例如在許多情況下，C=CC=C伸縮振動的拉曼譜帶比相應的紅外譜帶較為強烈，而伸縮振動的拉曼譜帶比相應的紅外譜帶較為強烈，而C=OC=O的伸縮振動的紅外譜帶比相應的拉曼譜帶更為顯著。的伸縮振動的紅外譜帶比相應的拉曼譜帶更為顯著。拉曼拉曼光譜的光譜的特點特點 拉曼光譜作為紅外光譜的補充技術，還具有自身的拉曼光譜作為紅外光譜的補充技術，還具有自身的優(yōu)點：優(yōu)點：1.1.制樣簡單，氣體樣品可采用多路反射氣槽測定。液制樣簡單，氣體樣品可采用多路反射氣槽測定。液體樣品可裝入毛細管中測定，不揮發(fā)的液體可直接體樣品可裝入毛細管中測定，不揮

7、發(fā)的液體可直接用玻璃瓶裝盛測量，固體粉末可直接放在載波片上用玻璃瓶裝盛測量，固體粉末可直接放在載波片上測試。測試。2.2.由于激光束的直徑較小，且可進一步對焦，因而微由于激光束的直徑較小，且可進一步對焦，因而微量樣品也可測量。量樣品也可測量。拉曼拉曼光譜的光譜的特點特點3.3.水是極性很強的分子，紅外吸收非常強烈。但水水是極性很強的分子，紅外吸收非常強烈。但水的拉曼散射卻很微弱，因而這對生物大分子的研究的拉曼散射卻很微弱，因而這對生物大分子的研究非常有利，此外玻璃的拉曼散射也較弱，因而玻璃非常有利，此外玻璃的拉曼散射也較弱，因而玻璃可以用做窗口材料可以用做窗口材料4.4.對于聚合物及其分子，拉

8、曼散射的選擇定律的限對于聚合物及其分子，拉曼散射的選擇定律的限制較小，因而可以得到豐富的譜帶。制較小，因而可以得到豐富的譜帶。5.5.拉曼光譜的頻率不受單色光源頻率的限制，可根拉曼光譜的頻率不受單色光源頻率的限制，可根據(jù)樣品的不同性質(zhì)而選擇，比如對于熒光強的物質(zhì)據(jù)樣品的不同性質(zhì)而選擇，比如對于熒光強的物質(zhì)可以選擇長波長或短波長的激發(fā)光?？梢赃x擇長波長或短波長的激發(fā)光。拉曼光譜的優(yōu)勢拉曼光譜的優(yōu)勢拉曼拉曼光譜技術光譜技術的應用的應用1 1、化學物質(zhì)、化學物質(zhì) 認定、分析、和特性測量有機物、無機物，包括溶劑、認定、分析、和特性測量有機物、無機物，包括溶劑、汽油化工產(chǎn)品、碳物質(zhì)、薄膜。汽油化工產(chǎn)品、

9、碳物質(zhì)、薄膜。2 2、化學過程、化學過程 跟蹤高分子配方和聚合過程，實時測量（包括定量測跟蹤高分子配方和聚合過程，實時測量（包括定量測量）混合物（包括溶劑混合物及水溶液）。量）混合物（包括溶劑混合物及水溶液）。 各組成成分各組成成分的含量，檢查有機污染物，跟蹤化學反應的中間和末端的含量，檢查有機污染物，跟蹤化學反應的中間和末端產(chǎn)物，預測聚合物的型態(tài)特征。產(chǎn)物，預測聚合物的型態(tài)特征。3 3、高分子聚合物和塑料、高分子聚合物和塑料 質(zhì)量控制進廠和出廠產(chǎn)品，認定生產(chǎn)過程中的污染物質(zhì)量控制進廠和出廠產(chǎn)品，認定生產(chǎn)過程中的污染物質(zhì)，實時監(jiān)測聚合反應過程，預測雙折射、晶狀性、結質(zhì)，實時監(jiān)測聚合反應過程，預

10、測雙折射、晶狀性、結晶溫度等物理特性。晶溫度等物理特性。拉曼拉曼光譜技術光譜技術的應用的應用4 4、藥物、藥物 認定和分析藥物成分、關鍵添加劑、填充劑、毒品認定和分析藥物成分、關鍵添加劑、填充劑、毒品對藥物的純度和質(zhì)量進行質(zhì)量控制。對藥物的純度和質(zhì)量進行質(zhì)量控制。5 5、刑偵、刑偵 檢測易燃易爆物，毒品藥品，生物武器試劑，墨水檢測易燃易爆物，毒品藥品，生物武器試劑，墨水及文件。及文件。6 6、生物和醫(yī)學、生物和醫(yī)學 測量血液和血清中總蛋白質(zhì)及生物溶質(zhì)含量，決定測量血液和血清中總蛋白質(zhì)及生物溶質(zhì)含量，決定新陳代謝產(chǎn)物的濃度，測量血液和組織的含氧量，在分新陳代謝產(chǎn)物的濃度，測量血液和組織的含氧量，

11、在分子水平上對癌癥（如子宮癌、肺癌等）和心血管疾病子水平上對癌癥（如子宮癌、肺癌等）和心血管疾?。ㄈ鐒用}硬化）進行診斷。（如動脈硬化）進行診斷。拉曼拉曼光譜技術光譜技術的應用的應用 7 7、食品、食品 測量食物油中脂肪酸的不飽和度，檢測食品中的測量食物油中脂肪酸的不飽和度，檢測食品中的污染物如細菌，認定營養(yǎng)品和果品飲料中的添加藥污染物如細菌，認定營養(yǎng)品和果品飲料中的添加藥物。物。8 8、珠寶、珠寶 鑒定和分析真假寶石（如鉆石，石英，紅寶石，鑒定和分析真假寶石（如鉆石，石英，紅寶石，綠寶石等）以及對珍珠、玉石及其他珠寶產(chǎn)品進行綠寶石等）以及對珍珠、玉石及其他珠寶產(chǎn)品進行分類。分類。9 9、材料、

12、材料 鐵鐵( (介介) )電體，磁性材料，半導體，地質(zhì)，考古，電體，磁性材料，半導體，地質(zhì)，考古，環(huán)境等。環(huán)境等。拉曼光譜應用領域拉曼光譜應用領域1、半導體材料；2、聚合體；3、碳材料；4、地質(zhì)學 / 礦物學 /寶石鑒定；5、生命科學； 6、醫(yī)藥；7、化學；8、環(huán)境 ；9、物理； 10、考古；11、薄膜；12、法庭科學：違禁藥品的檢查/區(qū)分各種顏料，色素，油漆，纖維等/爆炸物的研究/墨跡研究/子彈殘留物和地質(zhì)碎片研究。本實驗室激光共焦顯微拉曼光譜儀本實驗室激光共焦顯微拉曼光譜儀生產(chǎn)公司：生產(chǎn)公司：HORIBA JOBIN YVON型型 號：號：Aramis拉曼光譜測量原理圖拉曼光譜測量原理圖拉

13、曼光譜儀結構圖拉曼光譜儀結構圖儀器主要元件的儀器主要元件的性能與作用性能與作用光光 源：發(fā)射激光光源，有源：發(fā)射激光光源，有 325nm325nm，532nm532nm，785nm 785nm 可供選擇?？晒┻x擇。外外 光光 路：路：聚光聚光、集光集光、濾光濾光、樣品架樣品架、偏振。、偏振。 抑制瑞利散射，高效透過拉曼信號。抑制瑞利散射，高效透過拉曼信號。色散系統(tǒng)：是拉曼光譜儀的核心部分，色散系統(tǒng)：是拉曼光譜儀的核心部分， 其作用是將拉曼散射光按頻率在空間分開。其作用是將拉曼散射光按頻率在空間分開。接收系統(tǒng)：拉曼散射信號可以通過單通道和多通道兩種方式接收。接收系統(tǒng)：拉曼散射信號可以通過單通道和

14、多通道兩種方式接收。 目前以電荷藕合器件圖像傳感器目前以電荷藕合器件圖像傳感器CCDCCD（Charge Coupled Charge Coupled Device Device）為代表的多通道探測器被廣泛應用于拉曼光譜儀。）為代表的多通道探測器被廣泛應用于拉曼光譜儀。信息處理與顯示系統(tǒng)：信息處理與顯示系統(tǒng)： 微弱信號的處理方法包括相干信號的鎖相處理，重復信號微弱信號的處理方法包括相干信號的鎖相處理，重復信號 時域平均處理，離散信號的統(tǒng)計處理以及計算機處理。目前時域平均處理，離散信號的統(tǒng)計處理以及計算機處理。目前 主要通用的是采用后兩種方法相結合，最后通過記錄儀或者主要通用的是采用后兩種方法相

15、結合，最后通過記錄儀或者 計算機接口軟件輸出圖譜。計算機接口軟件輸出圖譜。元件的選擇元件的選擇l激發(fā)波長的選擇：l244nml325nml473nml488nml514nml532nml633nml785nml。u1 避開熒光干擾u2 確定信息來源-拉曼或熒光u3 不同深度信息研究u4 避開黑體輻射u5 共振拉曼元件的選擇元件的選擇-濾光片濾光片1. 干涉濾光片：濾除等離子線2. 瑞利濾光片： Notch濾光片： 有機材料鍍膜 、壽命、 一般-年換一套 。可以做斯托克斯和 反斯托克斯 Edge濾光片 ： 介電材料制作 、壽命長。 只能測量斯托克斯拉曼信號元件的選擇元件的選擇-衰減片衰減片衰減激光功率，避免高強度激光輻射損壞樣品Aramis/HR XploRA 功率 - - 1 D0.3 50% 1/2 D0.6 25% 1/4 D1 10% 1/10 D2 1% 1/100 D3 0.1% 1/1000 D4 X 1/10000元件的選擇元件的選擇-物鏡物鏡不同工作范圍選擇不同的物鏡：UV,VIS,NIR物鏡