拉曼光谱原理和应用

applyinnovation拉曼光谱原理和应用拉曼光谱和拉曼效应•拉曼光谱（Ramanspectra），是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。•最常用的红外及拉曼光谱区域波长是2.5~25μm。（中红外区）•分子能级与分子光谱分子运动包括整体的平动、转动、振动及电子的运动。分子总能量可近似看成是这些运动的能量之和，即式中分别代表分子的平动能、电子运动能、振动能和转动能。除外，其余三项都是量子化的，统称分子内部运动能。分子光谱产生于分子内部运动状态的改变。分子有不同的电子能级（，…），每个电子能级又有不同的振动能级（…）EEEEErve＋＝ｔ总EtEeEvErEtS0S1V0V1拉曼光谱和拉曼效应而每个振动能级又有不同的转动能级(,…).•一定波长的电磁波作用于被研究物质的分子，引起分子相应能级的跃迁，产生分子吸收光谱。引起分子电子能级跃迁的光谱称电子吸收光谱，其波长位于紫外～可见光区，故称紫外－可见光谱。电子能级跃迁的同时伴有振动能级和转动能级的跃迁。•引起分子振动能级跃迁的光谱称振动光谱，振动能级跃迁的同时伴有转动能级的跃迁。红外吸收和拉曼散射光谱是分子的振动－转动光谱。•用远红外光波照射分子时，只会引起分子中转动能级的跃迁，得到纯转动光谱。J0J1拉曼光谱和拉曼效应•拉曼散射拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射效应。当用一定频率（）的激发光照射分子时，一部分散射光的频率（）和入射光的频率相等。这种散射是分子对光子的一种弹性散射。只有分子和光子间的碰撞为弹性碰撞，没有能量交换时，才会出现这种散射。该散射称为瑞利散射。还有一部分散射光的频率和激发光的频率不等，这种散射成为拉曼散射。Raman散射的几率极小，最强的Raman散射也仅占整个散射光的千分之几，而最弱的甚至小于万分之一。处于振动基态的分子在光子的作用下，激发到较高的、不稳定的能态（称为虚态），当分子离开不稳定的能态，回到较低能量的振动激发态时，散射光的能量等于激发光的能量减去两振动能级的能量差。即激散EVVhh)10（激散－＝拉曼光谱和拉曼效应此时。这是拉曼散射的斯托克斯线。如果光子与振动激发态的分子相互作用，被激发到更高的不稳定的能态，当分子离开不稳定的能态回到振动基态时，散射光的能量等于激发光的能量加上两振动能级的能量差。即：此时，，这是拉曼散射的反斯托克斯线。激散EVVhh)10（激散＝激散VibrationalStates振动能级iGroundState基级VirtualState虚能级RealStates真实能级MidIRStokesRamanRayleighAnti-StokesRamanFluorescence红外斯托克斯拉曼瑞利散射反斯托克斯拉曼荧光拉曼测量的是什么？光散射-瑞利散射•设散射物分子原来处于基电子态，当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtualstate），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。•散射光中，弹性(瑞利)散射占主导•前…后…•散射光与入射光有相同的频率入射光分子分子散射光excitationemission光散射-拉曼•散射光中的1010光子之一是非弹性散射（拉曼）•前…后…•光损失能量，使分子振动入射光分子excitation分子振动散射光excit.-vib.emission1：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: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拉曼光谱的应用领域拉曼光谱仪器•拉曼光谱仪器的构成：1、激发光源2、光学系统3、分光仪4、探测器5、计算机处理系统拉曼光谱仪结构方框图激发器样前准直光学装置样后集光装置单色器光电倍增管控制及数据处理记录系统样品样品装置直流放大器记录系统光子计数器拉曼光谱给出的信息•定性的信息:拉曼光谱是物质结构的指纹光谱，拉曼光谱常包含有许多确定的能分辨的拉曼峰，应用拉曼管光谱分析可以区分各种各样的试样。定性分析的一个必须做的工作是根据测得的拉曼谱判定出可能的材料和混合物，限定这些可能物的数量。•定量的信息:测得的分析物拉曼峰强度与分析物浓度间有线性比例关系。分析物拉曼峰面积与分析物浓度间的关系曲线是直线。拉曼光谱的信息拉曼频率的确认物质的组成parallelperpendicular拉曼偏振拉曼峰宽拉曼峰强度晶体对称性和取向晶体质量好坏物质总量拉曼光谱的优点和特点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。•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1010－1014，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。拉曼光谱的主要困难拉曼光谱仪的分类按照仪器将来自试样的拉曼散射光随频移分散开的方式不同，可将拉曼光谱仪分为三种类型：1、滤光器型拉曼光谱仪。来自绝大部分拉曼散射而只有很狭窄的光谱段进入检测器，这意味着绝大部分拉曼散射光波被浪费掉。2、分光仪型拉曼光谱仪。将来自入射狭缝的光照射于衍射光栅，然后将衍射光聚焦在光谱仪输出平面上。3、迈克尔逊干涉仪刑。来自试样的拉曼散射光通过干涉仪进入探测器，获得一干涉图，随后进行傅里叶变换得到拉曼光谱。拉曼光谱仪介绍JY-T64000：模块式三级拉曼光谱仪系统生长厂家：法国HoribaJobinYvon公司专家级研究级LabRAMHR(高分辨单级拉曼光谱仪)LabRamHR系统具有超高光谱分辨率和独特的宽波段测量能力。研究级•LabRAMARAMIS(全自动)仪器的智能全自动性能为质量控制、分析和研究等应用提供轻松的电脑控制操作。LabRAMXploRA(智能型)系统结构紧凑、稳固，所有部件都刚性地固定于机箱内，最大限度地保证了仪器的稳定性，可方便实现实验室间搬运，亦可用于移动实验室。分析级MiniatureRamanSpectrometersThanksForYourAttention