激光拉曼光譜技術(shù)課件

一、拉曼光譜簡介

二、拉曼光譜產(chǎn)生原理

三、拉曼光譜的實驗研究及應(yīng)用

四、常見的自發(fā)拉曼光譜技術(shù)

五、相干拉曼散射技術(shù)

第七章激光拉曼光譜技術(shù)一、拉曼光譜簡介

二、拉曼光譜產(chǎn)生原理

三、拉曼

1928年印度科學(xué)家拉曼(C.V.Raman)與克里希南(K.S.Krishnan)在液體與蒸汽中發(fā)現(xiàn)了拉曼散射現(xiàn)象。當(dāng)一束光入射到分子上時，除了產(chǎn)生與入射光頻率ω0相同的散射光以外，還有頻率分量為ω0±ωM的散射光，ωM是與分子振動或轉(zhuǎn)動相關(guān)的頻率，拉曼散射非常弱。拉曼獲得了1930年度的諾貝爾獎金由分子振動、固體中的光學(xué)聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射稱為拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起來所形成的光譜稱為拉曼光譜。一、拉曼散射簡介1928年印度科學(xué)家拉曼(C.V.Raman)與克拉曼1888年11月7日出生于印度南部的特里奇諾波利。父親是一位大學(xué)數(shù)學(xué)、物理教授。16歲大學(xué)畢業(yè)，以第一名獲物理學(xué)金獎。19歲又以優(yōu)異成績獲碩士學(xué)位。1906年，他僅18歲，就在英國著名科學(xué)雜志《自然》發(fā)表了論文，是關(guān)于光的衍射效應(yīng)的。拉曼就投考財政部以謀求職業(yè)，結(jié)果獲得第一名，被授予總會計助理的職務(wù)。把業(yè)余時間全部用于繼續(xù)研究聲學(xué)和樂器理論。加爾各答有一所學(xué)術(shù)機構(gòu)，叫印度科學(xué)教育協(xié)會，里面有實驗室，拉曼就在這里開展他的聲學(xué)和光學(xué)研究。經(jīng)過十年的努力，拉曼在沒有高級科研人員指導(dǎo)的條件下，靠自己的努力作出了一系列成果，也發(fā)表了許多論文。1917年加爾各答大學(xué)破例邀請他擔(dān)任物理學(xué)教授，使他從此能專心致力于科學(xué)研究。拉曼1888年11月7日出生于印度南部的特里奇諾波利。父親是1921年拉曼代表了印度的最高學(xué)府——加爾各答大學(xué)，到牛津參加英聯(lián)邦的大學(xué)會議，還準備去英國皇家學(xué)會發(fā)表演講。在輪船上他又用光柵分析海水的顏色，發(fā)現(xiàn)海水光譜的最大值比天空光譜的最大值更偏藍?？梢?，海水的顏色并非由天空顏色引起的，而是海水本身的一種性質(zhì)。拉曼認為這一定是起因于水分子對光的散射。他在回程的輪船上寫了兩篇論文，討論這一現(xiàn)象，論文在中途?？繒r先后寄往英國，發(fā)表在倫敦的兩家雜志上?；赜《群笃吣觊g他和和同事共發(fā)表了大約五六十篇論文。他們先是考察各種媒質(zhì)分子散射時所遵循的規(guī)律，選取不同的分子結(jié)構(gòu)、不同的物態(tài)、不同的壓強和溫度，甚至在臨界點發(fā)生相變時進行散射實驗。1922年，拉曼寫了一本小冊子總結(jié)了這項研究，題名《光的分子衍射》。1923年4月，他的學(xué)生之一拉瑪納桑（K.R.Ramanathan）第一次觀察到了光散射中顏色改變的現(xiàn)象。實驗是以太陽作光源，經(jīng)紫色濾光片后照射盛有純水或純酒精的燒瓶，然后從側(cè)面觀察，卻出乎意料地觀察到了很弱的綠色成份1921年拉曼代表了印度的最高學(xué)府——加爾各答大學(xué)，到牛津參拉曼的另一名學(xué)生克利希南（K.S.Krishnan）觀測了經(jīng)過提純的65種液體的散射光，證明都有類似的“弱熒光”。1928年2月28日下午，拉曼決定采用單色光作光源，做了一個非常漂亮的有判決意義的實驗。他從目測分光鏡看散射光，看到在藍光和綠光的區(qū)域里，有兩根以上的尖銳亮線。每一條入射譜線都有相應(yīng)的變散射線。一般情況，變散射線的頻率比入射線低，偶爾也觀察到比入射線頻率高的散射線，但強度更弱些。1934年，拉曼和其他學(xué)者一起創(chuàng)建了印度科學(xué)院，并親任院長。1947年，又創(chuàng)建拉曼研究所。他在發(fā)展印度的科學(xué)事業(yè)上立下了豐功偉績拉曼愛好音樂，也很愛鮮花異石。他研究金剛石的結(jié)構(gòu)，耗去了他所得獎金的大部分。晚年致力于對花卉進行光譜分析。在他80壽辰時，出版了他的專集：《視覺生理學(xué)》。拉曼喜愛玫瑰勝于一切，他擁有一座玫瑰花園。拉曼的另一名學(xué)生克利希南（K.S.Krishnan）觀測了經(jīng)6AbsorbedTransmittedReflectedScatteredIncidentlightl0l0l0l0ll0ll0ElasticInelastic有0.1％的入射光子與樣品分子發(fā)生彈性碰撞，這種散射光頻率與入射光頻率相同，而方向發(fā)生改變的散射，稱為Rayleigh（瑞利）散射。入射光與樣品分子之間還存在著概率更小的非彈性碰撞（僅為總碰撞數(shù)的十萬分之一），光子與分子間發(fā)生能量交換，使光子的方向和頻率均發(fā)生變化。這種散射光頻率與入射光頻率不同，且方向改變的散射為Raman散射，對應(yīng)的譜線稱為Raman散射線（Raman線）。6AbsorbedTransmittedReflectedS

拉曼頻率及強度、偏振等標志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從這些資料可以導(dǎo)出物質(zhì)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成成分的知識。這就是拉曼光譜具有廣泛應(yīng)用的原因。

拉曼效應(yīng)起源于分子振動((和點陣振動))與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)的知識。

拉曼散射強度是十分微弱的，大約為瑞利散射的千分之一。在激光器出現(xiàn)之前，為了得到一幅完善的光譜，往往很費時間。激光器的出現(xiàn)使拉曼光譜學(xué)技術(shù)發(fā)生了很大的變革。拉曼頻率及強度、偏振等標志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0ANTI-STOKES0-RayleighSTOK拉曼頻移（Ramanshift）

即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。

取決于分子振動能級的改變，所以他是特征的。適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射光波長無關(guān)拉曼頻移（Ramanshift）適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射拉曼峰的頻移與激發(fā)波長無關(guān)（改變激發(fā)波長）拉曼峰的頻移與激發(fā)波長無關(guān)，即拉曼峰相對頻移量不變。拉曼峰的頻移與激發(fā)波長無關(guān)（改變激發(fā)波長）拉曼峰的頻移與激發(fā)二、拉曼散射理論1、經(jīng)典處理二、拉曼散射理論1、經(jīng)典處理Dipolere-radiatesatsamefrequencywpr0Inducedpolarizationu=E(:polarizability)-+-+rE=E0sin(wpt)Dipolere-radiatesatsamefreq感應(yīng)的極化強度P＝Nμ在頻率為ωp、ωp－ωm、ωp＋ωm處產(chǎn)生輻射；（1）散射光頻率為ωp時，散射光頻率與入射光相同，是一種彈性散射，稱瑞利散射；（2）散射光頻率為ωp－ωm時，為斯托克斯拉曼散射，非彈性散射；（3）散射光頻率為ωp＋ωm時，為反斯托克斯拉曼散射，非彈性散射。感應(yīng)的極化強度P＝Nμ在頻率為ωp、ωp－ω上式偶極矩表達式中的第二項可看做入射光在介質(zhì)中的誘導(dǎo)偶極矩，并受到了分子振動的調(diào)制，誘導(dǎo)偶極矩與分子的極化率成正比。可見，這項既與入射光有關(guān)，又比例于極化率的振蕩部分，是入射光與振動模的乘積，相應(yīng)的振動模被稱為“拉曼活性?！薄Ｍǔ㈩l率降低的差頻光散射稱為斯托克斯散射，而頻率升高的和頻光散射稱為反斯托克斯散射。這種散射又稱為正常拉曼散射，又由于散射光無相干性，具有自發(fā)發(fā)射性質(zhì)，所以也稱為自發(fā)拉曼散射。OCO例如：CO2symmetricmode由于分子周圍的電子云交替的伸長與收縮，使極化性有相應(yīng)的變化，產(chǎn)生了1338cm-1的拉曼位移。上式偶極矩表達式中的第二項可看做入射光在介質(zhì)中的誘導(dǎo)2、量子觀點經(jīng)典表達式能正確地描述拉曼散射會在哪些頻率上出現(xiàn)，但無法解釋斯托克斯散射線與反斯托克斯散射線的強度差異，即斯托克斯散射線的強度大于反斯托克斯散射線的強度。量子理論很好解釋：分子的振動是量子化的，拉曼散射過程可以看成入射光子在介質(zhì)中產(chǎn)生或涅滅聲子(分子的振動量子)斯托克斯散射是將入射光子損失的能量交給了分子，即光子在系統(tǒng)中產(chǎn)生了振動量子，稱為聲子，產(chǎn)生聲子與原有聲子無關(guān)，所以斯托克斯散射的幾率是與溫度無關(guān)的。

反斯托克斯散射將從分子吸收能量，使振動量子湮滅。但聲子湮滅的幾率與系統(tǒng)所處的激發(fā)振動態(tài)的幾率有關(guān)，故與溫度有關(guān)。斯托克斯帶的強度與反斯托克斯帶的強度之比反映了玻耳茲曼因子exp(-hν/kBT)。式中hν是振動量子的能量，kB為玻耳茲曼常數(shù)。2、量子觀點反斯托克斯散射將從分子吸收能量，第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件CCl4的拉曼光譜

Stockslinesanti-StockeslinesRayleighscatteringΔν/cm-1CCl4的拉曼光譜Stockslinesanti-Sto在示意圖中斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布于瑞利線的兩側(cè)，這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個振動量子的能量。反斯托克斯線的強度遠小于斯托克斯線的強度，這是由于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)。實際上，反斯托克斯線與斯托克斯線的強度比滿足公式：在示意圖中斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布3、選擇定則在經(jīng)典理論中，散射光與入射光之間的關(guān)系可用張量表示，設(shè)入射光為E0＝(E0x,E0y,E0z),散射光Es=(Esx,Esy,Esz)，則如果張量元不為零，則拉曼散射就有可能，即有拉曼活性。

分子在振動過程中，分子的極化率發(fā)生變化才屬于拉曼活性；

對于紅外光譜，分子的偶極矩發(fā)生變化才屬于紅外活性。3、選擇定則在經(jīng)典理論中，散射光與入射光之間拉曼與紅外選擇定則第1行是三種簡單分子類型，即同核雙原子分子、異核雙原子分子與線性三原子分子；第2行為它們的振動模，雙原子分子只有一種振動模，即伸縮振動，而三原子分子則有三種振動模式，它們是：對稱伸縮振動、反對稱伸縮振動和彎曲振動；第3行是極化率對在平衡位置附近對位移的變化率。第4行是相應(yīng)的拉曼活性．對于雙原子分子伸縮振動引起它們的極化率發(fā)生變化，所以具有拉曼活性；對于三原子分子，只有對稱伸縮振動，極化率才是變化的，具有拉曼活性，反對稱伸縮振動和彎曲振動時，極化率都不發(fā)生變化，沒有拉曼活性。第5、6行是偶極矩在平衡位移的變化卒及相應(yīng)的紅外活性，同核雙原子分子的伸縮振動與三原于分子的對稱伸縮振動，不會引起偶極矩變化。沒有紅外活性，而異核雙原于分子的仲縮振動、三原子分子的反對稱伸縮振動及彎曲振動、它們的偶極矩會發(fā)生變化，所以有紅外活性存在。拉曼與紅外選擇定則第1行是三種簡單分子類型，即同核雙原子分子2022/10/31同同屬分子振(轉(zhuǎn))動光譜異：紅外分子對紅外光的吸收強度由分子偶極距決定異：拉曼分子對激光的散射強度由分子極化率決定紅外：適用于研究不同原子的極性鍵振動－OH,－C＝O，－C－X拉曼：適用于研究同原子的非極性鍵振動－N－N－,－C－C－拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系兩者互補2022/10/22同同屬分子振(轉(zhuǎn))動光譜異：紅外分子對紅221.非極性或極性很小的基團振動有較強的拉曼譜帶，而強極性基團振動有較強的紅外譜帶。但有個別例外，如C≡N基團的光譜有很強的拉曼譜帶，通常在紅外光譜中很弱。2.根據(jù)互不相容原理，具有對稱中心的分子，任何一個振動模的譜帶不可能同時出現(xiàn)在拉曼和紅外光譜中。3.C?H伸縮振動：在脂肪族化合物的拉曼光譜中為強譜帶；在乙烯基或芳香基的光譜中，是中等強度的拉曼譜帶和較弱的紅外譜帶；乙炔的C?H伸縮振動譜帶在拉曼光譜中是弱譜帶，而在紅外光譜中是中等強度的。4.C?H變形振動：脂肪族基團的C?H彎曲振動在紅外光譜中是中等強度的譜帶，而在拉曼光譜中為弱譜帶；不飽和系統(tǒng)(乙烯基，芳香化合物)的C?H面外變形振動只在紅外光譜中是強譜帶。221.非極性或極性很小的基團振動有較強的拉曼譜帶，而強極性235.C?C，N?N，S?S，和C?S等單鍵在拉曼光譜中產(chǎn)生強譜帶，而在紅外光譜中為弱譜帶。6.C=C，C=N，N=N，C≡C和C≡N等多重鍵的伸縮振動在拉曼光譜中多為很強的譜帶，在紅外光譜中為很弱的譜帶，而C=O伸縮振動在紅外光譜中有很強的譜帶，而在拉曼光譜中僅為中等強度的譜帶。7.環(huán)狀化合物在拉曼光譜中有一個很強的譜帶，是環(huán)的全對稱(呼吸)振動的特征，這個振動頻率由環(huán)的大小所決定。8.芳香族化合物在拉曼和紅外光譜中都有一系列尖銳的強譜帶。9.H?H和C?O?C類型的基團有一個對稱伸縮振動和一個反對稱伸縮振動，前者對應(yīng)很強的拉曼譜帶，而后者為較強的紅外譜帶。10.各種振動的倍頻及和頻譜帶在紅外光譜中比在拉曼光譜中強，有時在拉曼光譜中弱到難以檢測的程度。235.C?C，N?N，S?S，和C?S等單鍵在拉曼光譜中產(chǎn)拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較紅外光譜：基團；拉曼光譜：分子骨架測定；紅外光譜：基團；紅外與拉曼譜圖對比紅外與拉曼譜圖對比第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件4、拉曼信號強度與共振拉曼散射拉曼散射光的強度與散射物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。按照原子的偶極輻射原理，分子的斯托克斯頻率的感應(yīng)偶極矩為μ（ωs）通常用微分散射截面來表征物質(zhì)的拉曼散射能力，微分散射截面的定義為4、拉曼信號強度與共振拉曼散射拉曼散射光的強度與散射物質(zhì)的性幾種分子的拉曼頻移與微分截面幾種分子的拉曼頻移與微分截面第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件三、拉曼光譜的實驗研究及應(yīng)用三、拉曼光譜的實驗研究及應(yīng)用顯微鏡樣品雙瑞利濾光片狹縫光柵擴束器激光CCD檢測器雷尼紹拉曼光譜儀光路結(jié)構(gòu)示意圖

儀器結(jié)構(gòu)與原理

1.采用CCD檢測器和陷波濾波(NotchFilter)技術(shù)，中間的光程不到一米信號強度提高，一般只需10mW小功率激光激發(fā)樣品2.采用激光擴束器技術(shù)，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顯微鏡樣品雙瑞利濾光片狹縫光柵擴束器激光CCD檢測器雷尼紹拉2022/10/31激光器作光源，常用如下：儀器

Ar＋

Kr＋

He/Ne二極管激光器488/514531/647633782/830nm拉曼散射光的I僅入射光的10-7/10-8拉曼散射光強I與光源頻率4次方成比例488nmAr＋光源的拉曼線強度比He/Ne大約3倍半導(dǎo)體激光器熒光干擾非常低因發(fā)射光能量太低，不能激發(fā)大多少分子中的電子能級躍遷2022/10/22激光器作光源，常用如下：儀器2022/10/31激光器最常用Ar＋激光器488.0/514.5nm頻率高，拉曼光強大試樣室發(fā)射透鏡使激光聚焦在樣品上收集透鏡

使拉曼光聚焦在雙單色儀的入射狹縫雙單色儀儀器心臟2個光柵，4個狹縫減少雜散收光儀器

2022/10/22激光器最常用Ar＋激光器試樣室發(fā)射透鏡37儀器的收集，傳輸和檢測效率單個分子的微分散射截面cm2molecule-1sr-1激光功率密度photons·s-1·cm-2(或W·s-1·cm-2)分子數(shù)密度molecules·cm-3(molecules·cm-2)檢測試樣體積cm3(cm2)幾何因子,與試樣形貌有關(guān)收集立體角sr光學(xué)元件，色散系統(tǒng)的光傳輸率檢測器的量子效率e-·photon-1檢測時間s信號電子量

影響拉曼光譜的因素散射信號量的總計算公式37儀器的收集，傳輸和檢測效率單個分子的微分散射截面激光功率38波長的選擇Silicon1064nmlaser400Silicon,785nmlaser8000RamanIntensitySilicon,532nmlaser0300050010001500200025003000Raman

shift(cm-1)

拉曼信號的強度正比與散射光頻率的四次方I∝1/4

理想的情況是選擇避免熒光的最短激光波長38波長的選擇Silicon1064nmlaser439ShorterWavelengthsareNotAlwaysBetter!Over-The-CounterTablet,532laserOver-The-CounterTablet,633nmlaserRamanIntensityOver-The-CounterTablet,785laser050010001500200025003000Ramanshift(cm-1)39ShorterWavelengthsareNot40Highlyfluorescentsample:Poly(9-vinylcarbazole)40Highlyfluorescentsample:Po鏡頭的選擇

如果需要高的空間分辨率則應(yīng)選擇高放大倍數(shù)的鏡頭;如50X,100X的鏡頭對于易揮發(fā),腐蝕性樣品的測試則應(yīng)選擇長工作距離的鏡頭,并且一般還要用PVC或PE薄膜包裹來保護鏡頭,或者可以在樣品上方加窗片來隔離.

如果要高的光收集效率,則選擇數(shù)字孔徑大(通常倍數(shù)是高的放大倍數(shù))的鏡頭鏡頭的選擇42激光功率密度問題在共聚焦顯微拉曼儀器中,激光經(jīng)顯微鏡鏡頭聚焦于采樣點，即使使用的激光功率很低,到達樣品采樣點處的激光功率密度仍然很大.考慮樣品的承受能力，激光功率密度不能太高，否則可能由于光熱或光解作用而使樣品發(fā)生變化。方法有:采用能量低的激發(fā)光降低激光功率:使用衰減片降低激光功率;小倍數(shù)的收集透鏡離焦:讓樣品脫離激光聚焦焦點,功率密度即成指數(shù)下降42激光功率密度問題在共聚焦顯微拉曼儀器中,激光經(jīng)顯微鏡鏡頭43Sample：CopperComplexes（銅配合物）Experimentalcondition:514.5nmundamagedsample--exposuretime:10s;Accumulations:1;laserpower:10%damagedsample--exposuretime:10s;Accumulations:1;laserpower:50%43Sample：CopperComplexes（銅配合物熒光干擾的消除用激光激發(fā)分子，不可避免產(chǎn)生熒光發(fā)射，特別是共振拉曼涉及到在電子吸收帶附近的激發(fā)，分子發(fā)射熒光的波長也往往與拉曼線波長相近，因此造成對拉曼檢測的強烈干擾。

解決熒光干擾的辦法:1、添加適當(dāng)?shù)拇鉁鐒┦篃晒獯銣?，或者將樣品冷卻，或用基質(zhì)隔離減弱熒光，也可適當(dāng)改變激發(fā)波長，使拉曼線與熒光線分離。2、采用時間鑒別技術(shù)，從測量時間上避開對發(fā)射熒光的接收，拉曼發(fā)射很快，約10-14s，熒光壽命則通常在10-8～10-12s范圍內(nèi)．在時間分辨拉曼測量中，通?？梢圆捎面i模激光器產(chǎn)生的超短脈沖激發(fā)，使用具有電子快門的光子計數(shù)器處理，就可實現(xiàn)時間鑒別。把拉曼光譜信號從強熒光背景中提取出來。熒光干擾的消除用激光激發(fā)分子，不可避免產(chǎn)生熒光發(fā)射，測試盡量在暗室中進行物質(zhì)熒光很強時，可適當(dāng)增加曝光時間和掃描次數(shù)測試盡量在暗室中進行物質(zhì)熒光很強時，可適當(dāng)增加曝光時間和掃描2022/10/31環(huán)境光的影響暗室2022/10/22環(huán)境光的影響暗室2022/10/31

曝光時間提高信噪比途徑2022/10/22曝光時間提高信噪比途徑2022/10/31提高信噪比途徑掃描次數(shù)2022/10/22提高信噪比途徑掃描次數(shù)拉曼散射的應(yīng)用1．分子結(jié)構(gòu)的研究拉曼光譜是一種測量分子振動的光譜技術(shù)，拉曼頻移的產(chǎn)生是基于分子振動。拉曼頻移值與分子的振動能級相對應(yīng)，而不同的振動能級起源于不同方式的振動?；衔镏械慕Y(jié)構(gòu)基團都有其特征的振動頻率，據(jù)此，可以直接鑒定化合物的結(jié)構(gòu)基團，判斷化學(xué)健的性質(zhì)及其變化。在許多化合物的拉曼譜上有長的全對稱振動泛頻系列，可以利用來進行分子振動的非諧性研究。

2.定量分析中的應(yīng)用依據(jù)拉曼譜線的強度與入射光的強度和樣品分子的濃度的正比例關(guān)系，可以利用拉曼譜線來進行定量分析。拉曼散射的應(yīng)用1．分子結(jié)構(gòu)的研究拉曼光譜是一種測量分由拉曼光譜可以獲得有機化合物的各種結(jié)構(gòu)信息：2）紅外光譜中，由CN，C=S，S-H伸縮振動產(chǎn)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。1）同種分子的非極性鍵S-S，C=C，N=N，CC產(chǎn)生強拉曼譜帶，隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強度增加。由拉曼光譜可以獲得有機化合物的各種結(jié)構(gòu)信息：2）紅外光譜中，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(zhì)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。4）在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-這類鍵第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件2941，2927cm-1

ASCH22854cm-1

SCH21029cm-1

（C-C）803cm-1環(huán)呼吸

1444，1267cm-1

CH22941，2927cm-1ASCH22854cm-13060cm-1r-H)1600,1587cm-1c=c)苯環(huán)1000cm-1環(huán)呼吸787cm-1環(huán)變形1039,1022cm-1單取代3060cm-1r-H)1600,1587cm-12022/10/31CCl4CH2Cl22022/10/22CCl4不同的碳材料其拉曼光譜不同，因此可以彼此區(qū)分。不同的碳材料其拉曼光譜不同，因此可以彼此區(qū)分。第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件2022/10/31不同種類的糧食2022/10/22不同種類的糧食2022/10/31不同產(chǎn)地的糧食2022/10/22不同產(chǎn)地的糧食2022/10/31原淀粉和改性淀粉2022/10/22原淀粉和改性淀粉鍵型C-HC-C波數(shù)鍵型C-HC-C波數(shù)2022/10/31

1、共振拉曼光譜RRS當(dāng)入射激光波長與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，Raman躍遷的概率大大增加，使這一分子的某個或幾個特征Raman譜帶強度可達到正常Raman譜帶的104~106倍，這種現(xiàn)象稱為共振Raman（ResonanceRaman）效應(yīng)?；诠舱馬aman效應(yīng)建立的Raman光譜法稱共振Raman光譜法。共振Raman光譜有利于低濃度和微量樣品的檢測，最低檢出濃度約為10-6～10-8molL-1。四、常見的自發(fā)拉曼光譜技術(shù)2022/10/221、共振拉曼光譜RRS當(dāng)入射激光波長與2、表面增強拉曼光譜

表面增強拉曼散射是一種高靈敏度的拉曼散射檢測技術(shù)，現(xiàn)象是：當(dāng)分子吸附在某種金屬表面時，共散射截面比不吸附時增大好幾個數(shù)量級，例如當(dāng)吡啶分子吸附于銀電極表面時，其散射截面比常態(tài)吡啶分子增大了5—6個數(shù)量級。主要特點表現(xiàn)為：1)表面增強拉曼散射與吸附金屬種類有關(guān)，目前發(fā)現(xiàn)有表面增強效應(yīng)的金屬有：金、鋼、銀、鋰、鈉、鉀等，其中以銀的增強效應(yīng)最顯著。2)與吸附金屬表面的粗糙度有關(guān)，當(dāng)金屬表面具有微觀(原子尺度)或亞微觀(納米尺度)結(jié)構(gòu)時，才有表面增強效應(yīng)，實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銀的表面粗糙度為100nm、銅的表面粗糙度為50nm時，增強效應(yīng)較大；2、表面增強拉曼光譜主要特點表現(xiàn)為：3)正常拉曼散射光的強度與激發(fā)光頻率的四次方成正比，而對表面增強拉曼散射這一關(guān)系并不成立，表現(xiàn)為寬頻帶的共振關(guān)系；選擇定則也放寬了．實驗發(fā)現(xiàn)，某些只有紅外活性的介質(zhì)，測量到了增強拉曼散射信號；4)表面增強拉曼散射與分子的振動模式有關(guān)，振動模式不同，增強因子也不同；此外，如在分子的吸收帶內(nèi)激發(fā)，會有更大的增強因子，最大時增強因子可達約108

。3)正常拉曼散射光的強度與激發(fā)光頻率的四次方成正比，而對表面

第1篇有關(guān)SERS的文章是英國的Fleishmann研究組在1974年發(fā)表的（Fleischmann,M.et.Al.,Chem.

Phys.Lett.1974,26,163）。在文章中，他們報道了吸附在用電化學(xué)方法粗糙化的銀電極表面的吡啶分子在不同電位下的拉曼光譜，表明了拉曼光譜能與電化學(xué)方法聯(lián)用而測得吸附在電極表面的分子的信息。

表面增強拉曼光譜SurfaceEnhancedRamanScattering但Fleishmann認為這是由于電極表面的粗糙化，電極真實表面積增加而使吸附的吡啶分子的量增加引起的，而沒有意識到粗糙表面對吸附分子的拉曼光譜信號的增強作用。第1篇有關(guān)SERS的文章是英國的Fleishmann研究第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件一直到1977年，VanDuyne和Creighton兩個研究組各自獨立地發(fā)現(xiàn)，吸附在粗糙銀電極表面的每個吡啶分子的拉曼信號要比溶液中單個吡啶分子的拉曼信號大約強106倍。他們認為這種異常高的拉曼信號的增強不能簡單地歸結(jié)于銀電極表面粗糙化后吸附的吡啶分子數(shù)量的增加，而必然有某種物理效應(yīng)在起作用。第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件TheEarlyStudyonSurface-EnhancedRamanScattering

(1)Fleischmann,M.et.Al.,J.Chem.

Phys.Lett.

1974,26,163.(2)Jeanmaire,D.L.;VanDuyne,R.P.J.Electroanal.Chem.

1977,84,1.Ramansignalscanbeenhanced105~106!(4)Kneipp,K.et.Al.Phys.Rev.Lett.1997,78,1667.(5)Nie,S.;Emory,S.R.Science1997,275,1102.1014SingleMolecule

(3)Albrecht,M.G.;Creighton,J.A.J.Am.Chem.Soc.1977,99,5215.TheEarlyStudyonSurface-EnhSERS機理的分類對于為什么一些粗糙金屬表面吸附分子后，吸附分子的拉曼散射得到巨大增強這一效應(yīng)，人們提出了許多不同的理論模型來解釋這種現(xiàn)象。由于分子的拉曼散射是分子在外電場作用下被極化而產(chǎn)生極化率，交變的極化率在再發(fā)射的過程中，受到分子中原子間振動的調(diào)制，從而產(chǎn)生拉曼散射光。散射光的增強可能是由于作用在分子上的局域電場的增加和分子極化率的改變。P=α·E已提出的理論模型可分為兩大類：電磁增強和化學(xué)增強。SERS機理的分類表面等離子體共振模型在所有的物理類模型中，表面等離子體共振模型在理論和實驗上都是研究的比較多的。該模型認為，當(dāng)粗糙化的金屬基體表面受到光照射時，金屬表面的等離子體能被激發(fā)到高的能級，而與光波的電場耦合，并發(fā)生共振，使金屬表面的電場增強，產(chǎn)生增強的拉曼散射。這個模型能較好地解釋為什么只有在紅光下才能觀察到金和銅表面的SERS、表面粗糙化的作用等。但在假設(shè)粗糙化金屬基體表面粒子是半球形或橢圓形時，理論計算表明其SERS增強因子一般不超過104。表面等離子體共振模型在所有的物理類模型中，表面等離子活位模型：

此模型認為，不是所有吸附在基體表面的分子都能產(chǎn)生SERS信號，只有吸附在基體表面某些被稱為活位上的分子才有強的SERS效應(yīng)。用電化學(xué)方法粗糙化的銀電極表面，用欠電位法沉積上覆蓋度為3％的Tl后，吸附分子的SERS信號消失。該結(jié)果證明了能產(chǎn)生SERS的活位只占基體表面很小的一部分面積。電荷轉(zhuǎn)移模型眾所周知，當(dāng)一過渡金屬離子與配位體形成絡(luò)合物時，會產(chǎn)生新的吸收峰。與此相似，當(dāng)一分子吸附到金屬基體表面時，也能產(chǎn)生新的激發(fā)態(tài)，形成新的吸收峰。當(dāng)波長合適的激發(fā)光照射到金屬表面時，電子可從金屬的費米能級附近共振躍遷到吸附分子上或從吸附分子共振躍遷到金屬上，從而改變了分子的有效極化率，產(chǎn)生了SERS效應(yīng)。這一模型被稱為電荷轉(zhuǎn)移模型。化學(xué)增強機理的模型活位模型：

此模型認為，不是所有吸附在基體表面的分子都能產(chǎn)生SERS技術(shù)所存在的缺點僅有金、銀、銅三種金屬和少數(shù)極不常用的堿金屬(如鋰、鈉等)具有強的SERS效應(yīng),將SERS研究拓寬到金、銀、銅以外的金屬體系的研究長期沒有取得具有實際意義的進展。金、銀、銅金屬尚需表面粗糙化處理之后才具有高SERS活性,故表面科學(xué)界所常用的平滑單晶表面皆無法用SERS研究。實驗上所觀察到的很多復(fù)雜現(xiàn)象尚無法用現(xiàn)有的SERS理論進行解釋。SERS技術(shù)所存在的缺點僅有金、銀、銅三種金屬和少數(shù)極不常SERS研究新進展SERS和其它技術(shù)一樣,既有它的優(yōu)勢也存在缺點和不足，科學(xué)工作者們主要從以下幾個方面彌補其缺點與不足，拓寬SERS的應(yīng)用范圍。多種技術(shù)聯(lián)用：可以檢測和鑒別分離產(chǎn)物的SERS和色譜聯(lián)用技術(shù)，利用光纖技術(shù),將SERS材料組裝到光纖上,作為高靈敏的檢測傳感器。單晶電極表面的拉曼光譜研究：表面結(jié)構(gòu)完全確定的單晶SERS效應(yīng)為解釋粗糙表面的SERS效應(yīng)提供極為重要的信息,特別是表面分子取向和吸附位。新型SERS活性基底：SERS基底的制備一直是SERS技術(shù)最重要的研究領(lǐng)域,而且對于擴大SERS的研究范圍和應(yīng)用領(lǐng)域起著重要的作用。利用日益成熟的納米材料的制備技術(shù),已經(jīng)可以獲得顆粒形狀和大小可以很好控制的納米顆粒,并將其作為模型材料來研究SERS的增強機理SERS研究新進展SERS和其它技術(shù)一樣,既有基于SERS的一種新技術(shù)—SHINERS田中群小組利用多孔氧化鋁模板獲得了一系列直徑和長度可控的金屬納米陣列,并用作SERS基底

，通過合成SiO2或Al2O3包裹的單層Au納米顆粒（Au/SiO2orAu/Al2O3納米顆粒）來增強拉曼散射譜，這一新的方法稱為，shell-isolatednanoparticle-enhancedRamanspectroscopy(SHINERS)。由于每個納米顆粒相當(dāng)于TERS系統(tǒng)中的一個，因此能夠同時獲得相當(dāng)于成千上萬個TERS探針信號。相比較ＴＥＲＳ信號，其增強拉曼信號能提高１０２－１０３，并且，由于被SiO2或Al2O3覆蓋，能有效的保護SERS活性結(jié)構(gòu)Au探針避免其與被測樣品直接接觸。引自Shell-isolatednanoparticle-enhancedRamanspectroscopy[J].nature.Vol464,18,March,2010基于SERS的一種新技術(shù)—SHINERS田中群小組利用多孔氧基于SERS的一種新技術(shù)—SHINERS75TheworkingprinciplesofSHINERScomparedtoothermodes.

Schematicofthecontactmode．a(chǎn),BareAunanoparticles:contactmode.b,Aucore–transitionmetalshellnanoparticlesadsorbedbyprobed

molecules:contactmode.c,Tip-enhancedRamanspectroscopy:noncontactmode.d,SHINERS:shell-isolatedmode.基于SERS的一種新技術(shù)—SHINERS75Thework柑橘果皮中農(nóng)藥殘余量的測定利用SHINERS方法可用于食品藥物安全檢查、環(huán)境保護等，并能快速有效的測量出所測含量。以下是普通拉曼光譜和SHINERS比較圖。I：

NormalRamanspectraoncleanpericarpsII：NormalRamanspectraoncontaminatedpericarps

byparathionⅢ：SHINERSspectrumofcontaminatedpericarpsⅣ：Ramanspectrumofsolidmethylparathion.柑橘果皮中農(nóng)藥殘余量的測定利用SHINERS方法可用于食品藥3、超拉曼散射

當(dāng)激發(fā)光很強時，原子可以同時吸收兩個光子乃至多個光子而從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。在拉曼光譜中是也會出現(xiàn)相類似的情況，當(dāng)入射激光ω0的功率增強時，在散射光中會出現(xiàn)頻率為2甚至為3ω0±ωR的分量，稱為超拉曼散射。超拉曼散射譜線很弱，一般僅為入射光強度的10－13。頻率降低的2ω0－ωR分量稱為超拉曼斯托克斯線，頻率升高的分量2ω0+ωR分量稱為超拉曼反斯托克斯線。3、超拉曼散射當(dāng)激發(fā)光很強時，原子可以同時吸相干拉曼散射效應(yīng)：由強激光電場誘導(dǎo)的二次以上的高階極化現(xiàn)象，散射光具有良好的方向性與相干性，故稱為相干拉曼散射．信號強度大，可比自發(fā)拉曼散射光的強度提高109量級。用相干拉曼散射進行光譜測量，發(fā)現(xiàn)了一些用自發(fā)拉受散射無法發(fā)現(xiàn)的光譜信息。Raman散射可分為：

自發(fā)Raman散射和相干Raman散射自發(fā)拉曼散射效應(yīng)：一階線性極化效應(yīng)，產(chǎn)生的散射光強度較弱第二節(jié)相干拉曼散射光譜相干拉曼散射效應(yīng)：Raman散射可分為：自發(fā)拉曼散射效應(yīng)：第受激拉曼散射(SRS)

受激拉曼增益散射(SRGS)與逆拉曼散射(IRS)

相干斯托克斯拉曼散射(CSRS)與反斯托克斯拉曼散射(CARS)

拉曼誘導(dǎo)克爾效應(yīng)(RIKES)相干拉曼散射現(xiàn)象有：受激拉曼散射(SRS)相干拉曼散射現(xiàn)象有：自發(fā)拉曼散射光的強度很弱，給測量帶來了許多困難。

實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的提高，由強激光電場誘導(dǎo)的二次以上的高階極化現(xiàn)象越來越顯著。

產(chǎn)生了一些新的拉曼散射現(xiàn)象：受激拉曼散射、受激拉曼增益散射與逆拉曼散射、相干斯托克斯拉曼散射與反斯托克斯拉曼散射、拉曼誘導(dǎo)克爾效應(yīng)等。

這些新的拉曼散射現(xiàn)象的共同特點是信號強度大，比自發(fā)拉曼散射光的強度提高109量級。

用相干拉曼散射進行光譜測量，發(fā)現(xiàn)了一些用自發(fā)拉曼散射無法發(fā)現(xiàn)的光譜信息。自發(fā)拉曼散射光的強度很弱，給測量帶來了許多困難。Maker和Terhune首先在1965年發(fā)現(xiàn)相干反斯托克斯效應(yīng)（CARS)，使CARS技術(shù)應(yīng)用于高分辨分子振動光譜和溫度、濃度測試的研究。氣相CARS研究的一個應(yīng)用是對于燃燒體系中溫度和濃度的測量。二、相干反斯托克斯拉曼散射光譜Maker和Terhune首先在1965年發(fā)現(xiàn)相干反斯托克1、三階非線性極化系數(shù)樣品在強激光電場作用下，將產(chǎn)生高階非線性現(xiàn)象，這時的電極化強度可寫為：1、三階非線性極化系數(shù)樣品在強激光電場作用下，將產(chǎn)生由三階極化強度P(3)(r,t)可以推導(dǎo)出許多三階非線性現(xiàn)象。這些非線性現(xiàn)象有如下特點：1)三階非線性現(xiàn)象在介質(zhì)具有反演對稱性時表現(xiàn)明顯；2)參與三階非線性光學(xué)過程是四光子過程。在參與作用的四光子中，三個光子來自入射波，另一個光子為新產(chǎn)生的，因此χ3是四個光子頻率的函數(shù)；3)三個入射光子的頻率可以是相等的，也可以不等，混頻過程便產(chǎn)生出眾多的頻率分量，它們分別對應(yīng)不同的非線性光學(xué)現(xiàn)象。與χ3相關(guān)的非線性光學(xué)現(xiàn)象有：三次諧波：產(chǎn)生頻率為人射波頻率三倍的諧波；四波混頻：產(chǎn)生頻率為兩束光的頻率之和并與第三束光混頻的諧波；拉曼散射；光克爾效應(yīng)：在拉曼介質(zhì)內(nèi)內(nèi)激光誘導(dǎo)產(chǎn)生雙折射效應(yīng)；布里淵散射：這是入射光對介質(zhì)聲振動的散射；雙光子吸收。由三階極化強度P(3)(r,t)可以推導(dǎo)出許多三階2、相干反斯托克斯與斯托克斯拉曼散射CARS和CSRS過程是一種三階非線性光學(xué)效應(yīng)，基本原理是：頻率為ωl的泵浦光束和頻率為ωs的斯托克斯光束在介質(zhì)中重疊后，當(dāng)滿足ωr=ωl-ωs（ωr是拉曼活性震動或轉(zhuǎn)動躍遷頻率）時，會相干激發(fā)介質(zhì)中的分子振動或轉(zhuǎn)動,而這種振動或轉(zhuǎn)動的相干激發(fā)又與入射光場El(ωl)和Es(ωs)再混合。如果入射激光束之間夾角滿足相位匹配關(guān)系，則相干疊加的過程使產(chǎn)生的ωa(ωa=2ωl-ωs=ωl+ωr)信號得到增強并具有相干性，即得到相干的反斯托克斯拉曼散射信號；當(dāng)相干激發(fā)與斯托克斯光場混合也可以產(chǎn)生頻率更低的相干光束ω2s(ω2s=2ωs-ωl=ωs-ωr)，即相干斯托克斯拉曼散射。2、相干反斯托克斯與斯托克斯拉曼散射CARS和CSRS過程是CSRS散射光測量中容易受到熒光干擾，散射方法有缺陷；而CARS散射避開了熒光干擾，應(yīng)用更廣泛，具有如下特點：好的方向性：相位匹配關(guān)系決定；

共振效應(yīng)：利用了介質(zhì)中的拉曼共振，提高信號強度；

具有強的抗熒光干擾性；

偏振特性：與入射激光偏振特性以及介質(zhì)的對稱性有關(guān)。產(chǎn)生CARS散射的三階非線性極化系數(shù)χ3（-ωa,ωl,-ωs,ωl），含有ωl、ωs、ωa等的頻率分量。設(shè)兩個激光場為沿z方向傳播的平面波CSRS散射光測量中容易受到熒光干擾，散射方法有缺陷；而CA將上式帶入三階極化強度表達式P（3）中出現(xiàn)很多頻率分量，CARS極化強度PCARS(3)是產(chǎn)生頻率為ωa的電磁波的激發(fā)源，CARS場在非線性介質(zhì)中的傳播方程在介質(zhì)中CARS場從z=0傳播到z=l后將上式帶入三階極化強度表達式P（3）中出現(xiàn)很多頻率分量，CA式中Δk=2kl-ks-ka為CARS場與頻率為2ωl-ωs的驅(qū)動場之間的相位失配。CARS場的強度式中Δk=2kl-ks-ka為CARS場與頻率為2ωl-ωs第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件第三節(jié)、受激拉曼散射自激光出現(xiàn)以后，由于激光光強大，因而用激光作喇曼光譜的激發(fā)光源十分有利，當(dāng)激光強度繼續(xù)增大，達一定的閥值以后，拉曼散射線變成為受激，這時斯托克斯線

和反斯托克斯線

的強度突然增加，拉曼散射的方向性變好。集中于一個方向輸出。這就是受激拉曼散射現(xiàn)象。閾值性相干性第三節(jié)、受激拉曼散射自激光出現(xiàn)以后，由于激光光強大，因而用激受激拉曼散射現(xiàn)象是1962年伍德伯里（Woodburry）和恩戈（Ng）偶然發(fā)現(xiàn)的。他們在研究以硝基苯作Q開關(guān)紅寶石激光器的克爾盒時，探測到從克爾盒發(fā)射出的強紅外輻射信號，波長是767.0nm。按照紅寶石的能級及其與諧振腔的耦合來看，該裝置輸出的激光光譜只存在694.3nm譜線。然而，用分光儀測量波長時，發(fā)現(xiàn)若無克爾盒時，確實只存在694.3nm譜線，—旦在腔中加上硝基苯克爾盒，則除了694.3nm外，還有767.0nm譜線。經(jīng)反復(fù)研究，紅寶石材料的確不存在767.0nm譜線。后來證實它是硝基苯所特有的，是由強紅寶石激光引起的一條拉曼散射斯托克斯譜線。當(dāng)激光功率密度增加到超過1MW/cm^2時，767.0nm譜線的強度顯著增加，其輸出發(fā)散角很小，具有和激光同樣好的方向性，而且，譜線寬度變窄，說明此時的767.0nm輻射已經(jīng)是受激輻射。受激拉曼散射現(xiàn)象是1962年伍德伯里（Woodburry）和受激拉曼散射機制在受激拉曼散射中，相干入射光子主要不是被熱振動聲子所散射，而是被受激聲子所散射。受激聲子產(chǎn)生的過程可以這樣來理解，最初一個入射光子與一個熱振動聲子碰撞，產(chǎn)生一個斯托克斯光子，并增添一個聲子，這增添的聲子，便是受激聲子。這增添的聲子再與入射光子相碰，又增添一個受激聲子，并產(chǎn)生一個斯托克斯光子。如此繼續(xù)下去，形成一個產(chǎn)生受激聲子的雪崩過程，如圖所示。產(chǎn)生受激聲子的過程，關(guān)鍵在于有足夠多的入射光子，由于受激聲子所形成的聲波是相干的，而且入射波也是相干的，所以由于拉曼散射給出的斯托克斯光子也是相干的。受激拉曼散射機制在受激拉曼散射中，相干入射光子主要不是被熱振苯溶液受激拉曼散射實驗前向受激拉曼散射同心圓苯溶液受激拉曼散射實驗前向受激拉曼散射同心圓受激拉曼散射中斯托克斯能級躍遷受激拉曼散射中斯托克斯能級躍遷二、受激拉曼增益(SRGS)在受激拉曼散射中，入射的強激光可以在介質(zhì)中激發(fā)出多級受激拉曼譜線。如果在輸入泵浦光的同時，再輸入一斯托克斯散射頻率的光，該頻率的光將被放大。三階非線性極化產(chǎn)生的受激拉曼增益強度為與CARS信號相比，SRGS信號不要求相位匹配，因此探測光束與泵浦光可以共線，也可以有任意夾角。二、受激拉曼增益(SRGS)在受激拉曼散射中，入射的第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件/pages/AboutProfXie.html/news/news/show.php?id=88721/pi.html/blog-299-604747.html2011年6月，BIOPIC召開首屆國際學(xué)術(shù)評審會，BIOPIC的各位研究員與評審委員會合影留念。

前排左起：饒毅、StephenQuake、DavidBensimon、TomManiatis、莊小威、施一公；后排左起：孫育杰、趙新生、蘇曉東、謝曉亮、黃巖誼、湯富酬/p一、拉曼光譜簡介

二、拉曼光譜產(chǎn)生原理

三、拉曼光譜的實驗研究及應(yīng)用

四、常見的自發(fā)拉曼光譜技術(shù)

五、相干拉曼散射技術(shù)

第七章激光拉曼光譜技術(shù)一、拉曼光譜簡介

二、拉曼光譜產(chǎn)生原理

三、拉曼

1928年印度科學(xué)家拉曼(C.V.Raman)與克里希南(K.S.Krishnan)在液體與蒸汽中發(fā)現(xiàn)了拉曼散射現(xiàn)象。當(dāng)一束光入射到分子上時，除了產(chǎn)生與入射光頻率ω0相同的散射光以外，還有頻率分量為ω0±ωM的散射光，ωM是與分子振動或轉(zhuǎn)動相關(guān)的頻率，拉曼散射非常弱。拉曼獲得了1930年度的諾貝爾獎金由分子振動、固體中的光學(xué)聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射稱為拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起來所形成的光譜稱為拉曼光譜。一、拉曼散射簡介1928年印度科學(xué)家拉曼(C.V.Raman)與克拉曼1888年11月7日出生于印度南部的特里奇諾波利。父親是一位大學(xué)數(shù)學(xué)、物理教授。16歲大學(xué)畢業(yè)，以第一名獲物理學(xué)金獎。19歲又以優(yōu)異成績獲碩士學(xué)位。1906年，他僅18歲，就在英國著名科學(xué)雜志《自然》發(fā)表了論文，是關(guān)于光的衍射效應(yīng)的。拉曼就投考財政部以謀求職業(yè)，結(jié)果獲得第一名，被授予總會計助理的職務(wù)。把業(yè)余時間全部用于繼續(xù)研究聲學(xué)和樂器理論。加爾各答有一所學(xué)術(shù)機構(gòu)，叫印度科學(xué)教育協(xié)會，里面有實驗室，拉曼就在這里開展他的聲學(xué)和光學(xué)研究。經(jīng)過十年的努力，拉曼在沒有高級科研人員指導(dǎo)的條件下，靠自己的努力作出了一系列成果，也發(fā)表了許多論文。1917年加爾各答大學(xué)破例邀請他擔(dān)任物理學(xué)教授，使他從此能專心致力于科學(xué)研究。拉曼1888年11月7日出生于印度南部的特里奇諾波利。父親是1921年拉曼代表了印度的最高學(xué)府——加爾各答大學(xué)，到牛津參加英聯(lián)邦的大學(xué)會議，還準備去英國皇家學(xué)會發(fā)表演講。在輪船上他又用光柵分析海水的顏色，發(fā)現(xiàn)海水光譜的最大值比天空光譜的最大值更偏藍?？梢?，海水的顏色并非由天空顏色引起的，而是海水本身的一種性質(zhì)。拉曼認為這一定是起因于水分子對光的散射。他在回程的輪船上寫了兩篇論文，討論這一現(xiàn)象，論文在中途停靠時先后寄往英國，發(fā)表在倫敦的兩家雜志上?；赜《群笃吣觊g他和和同事共發(fā)表了大約五六十篇論文。他們先是考察各種媒質(zhì)分子散射時所遵循的規(guī)律，選取不同的分子結(jié)構(gòu)、不同的物態(tài)、不同的壓強和溫度，甚至在臨界點發(fā)生相變時進行散射實驗。1922年，拉曼寫了一本小冊子總結(jié)了這項研究，題名《光的分子衍射》。1923年4月，他的學(xué)生之一拉瑪納桑（K.R.Ramanathan）第一次觀察到了光散射中顏色改變的現(xiàn)象。實驗是以太陽作光源，經(jīng)紫色濾光片后照射盛有純水或純酒精的燒瓶，然后從側(cè)面觀察，卻出乎意料地觀察到了很弱的綠色成份1921年拉曼代表了印度的最高學(xué)府——加爾各答大學(xué)，到牛津參拉曼的另一名學(xué)生克利希南（K.S.Krishnan）觀測了經(jīng)過提純的65種液體的散射光，證明都有類似的“弱熒光”。1928年2月28日下午，拉曼決定采用單色光作光源，做了一個非常漂亮的有判決意義的實驗。他從目測分光鏡看散射光，看到在藍光和綠光的區(qū)域里，有兩根以上的尖銳亮線。每一條入射譜線都有相應(yīng)的變散射線。一般情況，變散射線的頻率比入射線低，偶爾也觀察到比入射線頻率高的散射線，但強度更弱些。1934年，拉曼和其他學(xué)者一起創(chuàng)建了印度科學(xué)院，并親任院長。1947年，又創(chuàng)建拉曼研究所。他在發(fā)展印度的科學(xué)事業(yè)上立下了豐功偉績拉曼愛好音樂，也很愛鮮花異石。他研究金剛石的結(jié)構(gòu)，耗去了他所得獎金的大部分。晚年致力于對花卉進行光譜分析。在他80壽辰時，出版了他的專集：《視覺生理學(xué)》。拉曼喜愛玫瑰勝于一切，他擁有一座玫瑰花園。拉曼的另一名學(xué)生克利希南（K.S.Krishnan）觀測了經(jīng)104AbsorbedTransmittedReflectedScatteredIncidentlightl0l0l0l0ll0ll0ElasticInelastic有0.1％的入射光子與樣品分子發(fā)生彈性碰撞，這種散射光頻率與入射光頻率相同，而方向發(fā)生改變的散射，稱為Rayleigh（瑞利）散射。入射光與樣品分子之間還存在著概率更小的非彈性碰撞（僅為總碰撞數(shù)的十萬分之一），光子與分子間發(fā)生能量交換，使光子的方向和頻率均發(fā)生變化。這種散射光頻率與入射光頻率不同，且方向改變的散射為Raman散射，對應(yīng)的譜線稱為Raman散射線（Raman線）。6AbsorbedTransmittedReflectedS

拉曼頻率及強度、偏振等標志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從這些資料可以導(dǎo)出物質(zhì)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成成分的知識。這就是拉曼光譜具有廣泛應(yīng)用的原因。

拉曼效應(yīng)起源于分子振動((和點陣振動))與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)的知識。

拉曼散射強度是十分微弱的，大約為瑞利散射的千分之一。在激光器出現(xiàn)之前，為了得到一幅完善的光譜，往往很費時間。激光器的出現(xiàn)使拉曼光譜學(xué)技術(shù)發(fā)生了很大的變革。拉曼頻率及強度、偏振等標志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0ANTI-STOKES0-RayleighSTOK拉曼頻移（Ramanshift）

即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。

取決于分子振動能級的改變，所以他是特征的。適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射光波長無關(guān)拉曼頻移（Ramanshift）適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射拉曼峰的頻移與激發(fā)波長無關(guān)（改變激發(fā)波長）拉曼峰的頻移與激發(fā)波長無關(guān)，即拉曼峰相對頻移量不變。拉曼峰的頻移與激發(fā)波長無關(guān)（改變激發(fā)波長）拉曼峰的頻移與激發(fā)二、拉曼散射理論1、經(jīng)典處理二、拉曼散射理論1、經(jīng)典處理Dipolere-radiatesatsamefrequencywpr0Inducedpolarizationu=E(:polarizability)-+-+rE=E0sin(wpt)Dipolere-radiatesatsamefreq感應(yīng)的極化強度P＝Nμ在頻率為ωp、ωp－ωm、ωp＋ωm處產(chǎn)生輻射；（1）散射光頻率為ωp時，散射光頻率與入射光相同，是一種彈性散射，稱瑞利散射；（2）散射光頻率為ωp－ωm時，為斯托克斯拉曼散射，非彈性散射；（3）散射光頻率為ωp＋ωm時，為反斯托克斯拉曼散射，非彈性散射。感應(yīng)的極化強度P＝Nμ在頻率為ωp、ωp－ω上式偶極矩表達式中的第二項可看做入射光在介質(zhì)中的誘導(dǎo)偶極矩，并受到了分子振動的調(diào)制，誘導(dǎo)偶極矩與分子的極化率成正比?？梢姡@項既與入射光有關(guān)，又比例于極化率的振蕩部分，是入射光與振動模的乘積，相應(yīng)的振動模被稱為“拉曼活性?！?。通常將頻率降低的差頻光散射稱為斯托克斯散射，而頻率升高的和頻光散射稱為反斯托克斯散射。這種散射又稱為正常拉曼散射，又由于散射光無相干性，具有自發(fā)發(fā)射性質(zhì)，所以也稱為自發(fā)拉曼散射。OCO例如：CO2symmetricmode由于分子周圍的電子云交替的伸長與收縮，使極化性有相應(yīng)的變化，產(chǎn)生了1338cm-1的拉曼位移。上式偶極矩表達式中的第二項可看做入射光在介質(zhì)中的誘導(dǎo)2、量子觀點經(jīng)典表達式能正確地描述拉曼散射會在哪些頻率上出現(xiàn)，但無法解釋斯托克斯散射線與反斯托克斯散射線的強度差異，即斯托克斯散射線的強度大于反斯托克斯散射線的強度。量子理論很好解釋：分子的振動是量子化的，拉曼散射過程可以看成入射光子在介質(zhì)中產(chǎn)生或涅滅聲子(分子的振動量子)斯托克斯散射是將入射光子損失的能量交給了分子，即光子在系統(tǒng)中產(chǎn)生了振動量子，稱為聲子，產(chǎn)生聲子與原有聲子無關(guān)，所以斯托克斯散射的幾率是與溫度無關(guān)的。

反斯托克斯散射將從分子吸收能量，使振動量子湮滅。但聲子湮滅的幾率與系統(tǒng)所處的激發(fā)振動態(tài)的幾率有關(guān)，故與溫度有關(guān)。斯托克斯帶的強度與反斯托克斯帶的強度之比反映了玻耳茲曼因子exp(-hν/kBT)。式中hν是振動量子的能量，kB為玻耳茲曼常數(shù)。2、量子觀點反斯托克斯散射將從分子吸收能量，第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件CCl4的拉曼光譜

Stockslinesanti-StockeslinesRayleighscatteringΔν/cm-1CCl4的拉曼光譜Stockslinesanti-Sto在示意圖中斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布于瑞利線的兩側(cè)，這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個振動量子的能量。反斯托克斯線的強度遠小于斯托克斯線的強度，這是由于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)。實際上，反斯托克斯線與斯托克斯線的強度比滿足公式：在示意圖中斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布3、選擇定則在經(jīng)典理論中，散射光與入射光之間的關(guān)系可用張量表示，設(shè)入射光為E0＝(E0x,E0y,E0z),散射光Es=(Esx,Esy,Esz)，則如果張量元不為零，則拉曼散射就有可能，即有拉曼活性。

分子在振動過程中，分子的極化率發(fā)生變化才屬于拉曼活性；

對于紅外光譜，分子的偶極矩發(fā)生變化才屬于紅外活性。3、選擇定則在經(jīng)典理論中，散射光與入射光之間拉曼與紅外選擇定則第1行是三種簡單分子類型，即同核雙原子分子、異核雙原子分子與線性三原子分子；第2行為它們的振動模，雙原子分子只有一種振動模，即伸縮振動，而三原子分子則有三種振動模式，它們是：對稱伸縮振動、反對稱伸縮振動和彎曲振動；第3行是極化率對在平衡位置附近對位移的變化率。第4行是相應(yīng)的拉曼活性．對于雙原子分子伸縮振動引起它們的極化率發(fā)生變化，所以具有拉曼活性；對于三原子分子，只有對稱伸縮振動，極化率才是變化的，具有拉曼活性，反對稱伸縮振動和彎曲振動時，極化率都不發(fā)生變化，沒有拉曼活性。第5、6行是偶極矩在平衡位移的變化卒及相應(yīng)的紅外活性，同核雙原子分子的伸縮振動與三原于分子的對稱伸縮振動，不會引起偶極矩變化。沒有紅外活性，而異核雙原于分子的仲縮振動、三原子分子的反對稱伸縮振動及彎曲振動、它們的偶極矩會發(fā)生變化，所以有紅外活性存在。拉曼與紅外選擇定則第1行是三種簡單分子類型，即同核雙原子分子2022/10/31同同屬分子振(轉(zhuǎn))動光譜異：紅外分子對紅外光的吸收強度由分子偶極距決定異：拉曼分子對激光的散射強度由分子極化率決定紅外：適用于研究不同原子的極性鍵振動－OH,－C＝O，－C－X拉曼：適用于研究同原子的非極性鍵振動－N－N－,－C－C－拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系兩者互補2022/10/22同同屬分子振(轉(zhuǎn))動光譜異：紅外分子對紅1201.非極性或極性很小的基團振動有較強的拉曼譜帶，而強極性基團振動有較強的紅外譜帶。但有個別例外，如C≡N基團的光譜有很強的拉曼譜帶，通常在紅外光譜中很弱。2.根據(jù)互不相容原理，具有對稱中心的分子，任何一個振動模的譜帶不可能同時出現(xiàn)在拉曼和紅外光譜中。3.C?H伸縮振動：在脂肪族化合物的拉曼光譜中為強譜帶；在乙烯基或芳香基的光譜中，是中等強度的拉曼譜帶和較弱的紅外譜帶；乙炔的C?H伸縮振動譜帶在拉曼光譜中是弱譜帶，而在紅外光譜中是中等強度的。4.C?H變形振動：脂肪族基團的C?H彎曲振動在紅外光譜中是中等強度的譜帶，而在拉曼光譜中為弱譜帶；不飽和系統(tǒng)(乙烯基，芳香化合物)的C?H面外變形振動只在紅外光譜中是強譜帶。221.非極性或極性很小的基團振動有較強的拉曼譜帶，而強極性1215.C?C，N?N，S?S，和C?S等單鍵在拉曼光譜中產(chǎn)生強譜帶，而在紅外光譜中為弱譜帶。6.C=C，C=N，N=N，C≡C和C≡N等多重鍵的伸縮振動在拉曼光譜中多為很強的譜帶，在紅外光譜中為很弱的譜帶，而C=O伸縮振動在紅外光譜中有很強的譜帶，而在拉曼光譜中僅為中等強度的譜帶。7.環(huán)狀化合物在拉曼光譜中有一個很強的譜帶，是環(huán)的全對稱(呼吸)振動的特征，這個振動頻率由環(huán)的大小所決定。8.芳香族化合物在拉曼和紅外光譜中都有一系列尖銳的強譜帶。9.H?H和C?O?C類型的基團有一個對稱伸縮振動和一個反對稱伸縮振動，前者對應(yīng)很強的拉曼譜帶，而后者為較強的紅外譜帶。10.各種振動的倍頻及和頻譜帶在紅外光譜中比在拉曼光譜中強，有時在拉曼光譜中弱到難以檢測的程度。235.C?C，N?N，S?S，和C?S等單鍵在拉曼光譜中產(chǎn)拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較紅外光譜：基團；拉曼光譜：分子骨架測定；紅外光譜：基團；紅外與拉曼譜圖對比紅外與拉曼譜圖對比第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件4、拉曼信號強度與共振拉曼散射拉曼散射光的強度與散射物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。按照原子的偶極輻射原理，分子的斯托克斯頻率的感應(yīng)偶極矩為μ（ωs）通常用微分散射截面來表征物質(zhì)的拉曼散射能力，微分散射截面的定義為4、拉曼信號強度與共振拉曼散射拉曼散射光的強度與散射物質(zhì)的性幾種分子的拉曼頻移與微分截面幾種分子的拉曼頻移與微分截面第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件第七章激光拉曼光譜技術(shù)課件三、拉曼光譜的實驗研究及應(yīng)用三、拉曼光譜的實驗研究及應(yīng)用顯微鏡樣品雙瑞利濾光片狹縫光柵擴束器激光CCD檢測器雷尼紹拉曼光譜儀光路結(jié)構(gòu)示意圖

儀器結(jié)構(gòu)與原理

1.采用CCD檢測器和陷波濾波(NotchFilter)技術(shù)，中間的光程不到一米信號強度提高，一般只需10mW小功率激光激發(fā)樣品2.采用激光擴束器技術(shù)，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顯微鏡樣品雙瑞利濾光片狹縫光柵擴束器激光CCD檢測器雷尼紹拉2022/10/31激光器作光源，常用如下：儀器

Ar＋

Kr＋

He/Ne二極管激光器488/514531/647633782/830nm拉曼散射光的I僅入射光的10-7/10-8拉曼散射光強I與光源頻率4次方成比例488nmAr＋光源的拉曼線強度比He/Ne大約3倍半導(dǎo)體激光器熒光干擾非常低因發(fā)射光能量太低，不能激發(fā)大多少分子中的電子能級躍遷2022/10/22激光器作光源，常用如下：儀器2022/10/31激光器最常用Ar＋激光器488.0/514.5nm頻率高，拉曼光強大試樣室發(fā)射透鏡使激光聚焦在樣品上收集透鏡

使拉曼光聚焦在雙單色儀的入射狹縫雙單色儀儀器心臟2個光柵，4個狹縫減少雜散收光儀器

2022/10/22激光器最常用Ar＋激光器試樣室發(fā)射透鏡135儀器的收集，傳輸和檢測效率單個分子的微分散射截面cm2molecule-1sr-1激光功率密度photons·s-1·cm-2(或W·s-1·cm-2)分子數(shù)密度molecules·cm-3(molecules·cm-2)檢測試樣體積cm3(cm2)幾何因子,與試樣形貌有關(guān)收集立體角sr光學(xué)元件，色散系統(tǒng)的光傳輸率檢測器的量子效率e-·photon-1檢測時間s信號電子量

影響拉曼光譜的因素散射信號量的總計算公式37儀器的收集，傳輸和檢測效率單個分子的微分散射截面激光功率136波長的選擇Silicon1064nmlaser400Silicon,785nmlaser8000RamanIntensitySilicon,532nmlaser0300050010001500200025003000Raman

shift(cm-1)

拉曼信號的強度正比與散射光頻率的四次方I∝1/4

理想的情況是選擇避免熒光的最短激光波長38波長的選擇Silicon1064nmlaser4137ShorterWavelengthsareNotAlwaysBetter!Over-The-CounterTablet,532laserOver-The-CounterTablet,633nmlaserRamanIntensityOver-The-CounterTablet,785laser050010001500200025003000Ramanshift(cm-1)39ShorterWavelengthsareNot138Highlyfluorescentsample:Poly(9-vinylcarbazole)40Highlyfluorescentsample:Po鏡頭的選擇

如果需要高的空間分辨率則應(yīng)選擇高放大倍數(shù)的鏡頭;如50X,100X的鏡頭對于易揮發(fā),腐蝕性樣品的測試則應(yīng)選擇長工作距離的鏡頭,并且一般還要用PVC或PE薄膜包裹來保護鏡頭,或者可以在樣品上方加窗片來隔離.

如果要高的光收集效率,則選擇數(shù)字孔徑大(通常倍數(shù)是高的放大倍數(shù))的鏡頭鏡頭的選擇140激光功率密度問題在共聚焦顯微拉曼儀器中,激光經(jīng)顯微鏡鏡頭聚焦于采樣點，即使使用的激光功率很低,到達樣品采樣點處的激光功率密度仍然很大.考慮樣品的承受能力，激光功率密度不能太高，否則可能由于光熱或光解作用而使樣品發(fā)生變化。方法有:采用能量低的激發(fā)光降低激光