第十一章激光拉曼光谱分析

激光拉曼光谱实验拉曼散射是印度科学家Raman 在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。

光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射叫做瑞利散射，由英国科学家瑞利于1899年进行了研究。

但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。

拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。

因这一重大发现，拉曼于1930年获诺贝尔奖。

激光拉曼光谱是激光光谱学中的一个重要分支，应用十分广泛。

如在化学方面应用于有机和无机分析化学、生物化学、石油化工、高分子化学、催化和环境科学、分子鉴定、分子结构等研究；在物理学方面应用于发展新型激光器、产生超短脉冲、分子瞬态寿命研究等，此外在相干时间、固体能谱方面也有广泛的应用。

实验目的：1、掌握拉曼光谱仪的原理和使用方法；2、测四氯化碳的拉曼光谱，计算拉曼频移。

实验重点：拉曼现象的产生原理及拉曼频移的计算实验难点：光路的调节实验原理：[仪器结构及原理]1、仪器的结构LRS-II 激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图12-4-1所示。

2、单色仪单色仪的光学结构如图12-4-2所示。

S 1为入射狭缝，M 1为准直镜，G 为平面衍射光栅，衍射光束经成像物镜M 2汇聚，经平面镜M 3反射直接照射到出射狭缝S 2上，在S 2外侧有一光电倍增管PMT ，当光谱仪的光栅转动时，光谱信号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、计数，进入计算机处理，在显示器的荧光屏上得到光谱的分布曲线。

3、激光器本实验采用50mW 半导体激光器，该激光器输出的激光为偏振光。

其操作步骤参照半导体激光器说明书。

4、外光路系统外光路系统主要由激发光源（半导体激光器）、五维可调样品支架S 、偏振组件P 1和P 2以及聚光透镜C 1和C 2等组成（见图12-4-3）。

拉曼光谱分析简介拉曼光谱分析是一种非常重要的光谱分析技术，它通过测量物质产生的拉曼散射光谱，来获取样品的结构和化学特性信息。

拉曼光谱分析是一种非毁灭性的分析技术，具有快速、灵敏、无需样品处理等优点。

本文将介绍拉曼光谱分析的原理、仪器设备以及应用领域。

原理拉曼光谱是一种由分子振动引起的散射光谱，它是分子能级间跃迁导致的，这种能级间跃迁通常称为拉曼散射。

拉曼散射有两种类型：弹性散射和非弹性散射。

弹性散射不改变光子的能量，而非弹性散射改变光子的能量。

拉曼光谱分析主要关注非弹性散射。

拉曼光谱分析的原理可以用以下简单的公式表示：其中，ω0是激发激光的频率，ωR是散射光的频率。

Δω = ωR - ω0称为拉曼位移，它表示了散射光与激发激光的频率差异。

仪器设备进行拉曼光谱分析需要使用拉曼光谱仪。

典型的拉曼光谱仪由以下几个主要部分组成：1.激光源：用于提供激发激光。

激光源通常使用激光二极管或气体激光器。

2.光学系统：包括收集和聚焦激光光束的透镜、散射样品的光学系统和收集散射光的光学系统。

3.光谱仪：用于分析收集到的散射光谱。

光谱仪通常包括光栅或狭缝，用于分离不同频率的散射光。

4.光敏探测器：用于测量分离后的散射光强度。

光敏探测器常用的包括光电二极管和光电倍增管。

5.数据处理系统：用于控制仪器设备，获取和分析光谱数据。

应用拉曼光谱分析在很多领域都有广泛的应用，以下列举了一些常见的应用领域：化学分析拉曼光谱可以用于分析和鉴定化学物质。

由于每种化学物质具有独特的拉曼光谱特征，因此可以通过比对样品的拉曼光谱与标准库中的光谱，来确定样品的成分和浓度。

生物医学研究拉曼光谱分析在生物医学研究中有很多应用。

例如，可以使用拉曼光谱分析来研究细胞的组成和结构，从而了解生物体内部的变化和疾病发展。

材料科学拉曼光谱分析在材料科学中也有广泛应用。

它可以用于表征和鉴定材料的结构、纯度和晶格缺陷等特性。

同时，拉曼光谱还可以研究材料的相变和相互作用等过程。

激光拉曼光谱激光拉曼光谱(Laser-RamanSpectroscopy，简称LRS)是一种利用激光来分析物质结构的一种光谱技术，它利用一个发射激光光束，并用它强烈聚焦在分析物的表面上，使之发射出一个与激光光束频率不同的被称为拉曼散射的光束，从而得到拉曼光谱，从而分析和判断物质的分子结构、晶体结构等。

激光拉曼光谱技术由Laser Raman Spectroscopy隐含在其中，是一种把激光光束投影到物体表面，并对物体表面反射出的光线进行分析、测定其频率特征来达到分析物体结构的一种技术。

激光拉曼光谱有着广泛的研究应用，它既可以用于分析固体，也可以用于分析液体，还可以用于分析气体，用于研究物体的结构，用于研究物体的性能以及用于研究物体的分子组成或结构的研究。

激光拉曼光谱的基本原理是利用激光对物体表面发射的光线进行发射分析，因此拉曼光谱仪是一种采用双光路，一个使用激光发射光束，另一个使用拉曼散射分析激光发射光束反射回来的信号，从而分析该物体的光谱特性的仪器。

通过概率分析拉曼散射信号，可以推断出分子或晶体结构特性，从而获得其结构信息，进而研究物体的性能。

例如，在材料科学领域，可以通过激光拉曼光谱技术分析出晶体的结构信息，从而了解晶体的性质和物理特性，并获得晶体的分子结构参数，进而研究其特性。

激光拉曼光谱技术具有品质检测简便、快速、稳定、可靠、耗能低等优点，已经广泛应用在航天、航空、军事、制造业、生物、化学、电子等诸多领域。

此外，激光拉曼光谱技术的应用涉及的领域还不断扩大，例如，在汽车制造业和医疗领域，激光拉曼光谱技术应用也越来越广泛。

激光拉曼光谱技术具有很高的研究和应用价值，它是一种测定物体结构的有效方法。

但是，激光拉曼光谱技术仍然有一定的局限性，因为其分析效率低，容易受到环境噪声的干扰，还可能因为激光发射时的频率不够均匀而影响分析结果。

激光拉曼光谱技术是一种重要的光谱技术，正得到越来越多的研究与应用，也应得到相应的重视。

拉曼光谱分析拉曼光谱分析是20世纪80年代发展起来的一种无损检测技术，由于它能够直接检测出样品中微量元素的特征波长，因此这种方法可用于任何类型材料的定性、定量检测。

拉曼光谱通常是使用电子轰击被检物品，从而引起其内部结构的变化，形成以拉曼位移为特征的吸收光谱。

由于人体组织会发生多种物理和化学反应，因此拉曼光谱也可以对其进行定性、定量分析。

拉曼光谱既适用于各种样品的定性、定量检测，也适用于原材料的鉴别。

拉曼光谱是利用多层次样品对光的选择吸收，如同黑暗中的电灯泡，辐射光源照射在物质上，物质对不同频率的电磁波产生的选择吸收不同。

样品在拉曼光谱仪器里所受到的辐射强度正比于样品浓度的平方，光的强度越大，吸收就越强，被吸收的辐射功率就越弱，这个信号就是拉曼位移信号，它有一个峰值。

把光谱分成若干个区间，每一个区间代表一个样品，这样就得到了被分析样品的拉曼光谱图。

对于拉曼光谱法，由于需要专业的设备，操作也较为复杂，还有一些缺点，因此它只适合于某些特殊的场合，例如：科研机构研究单一样品；某些工艺流程中的产品或某一特殊阶段产品等。

例如，金属铜中含有Cu，分析其含量，可以采用其他方法，但是由于该铜样品本身具有磁性，用传统的方法测试比较困难，此时可以采用拉曼光谱法，只要检测出Cu的拉曼光谱，即可以测定铜中的含量，又如钢铁中碳的含量测定，在工业生产过程中会加入微量元素，当碳含量达到0。

1%时就不能排除其他杂质，此时就可以采用拉曼光谱分析法，找到碳含量小于0。

1%的碳，那么此批钢铁的合格率就能达到100%。

再如食品和药品等也可以通过拉曼光谱法进行检测。

目前我国的日用化学品已经全部列入强制性检验范围，凡是进口的产品都必须进行拉曼光谱分析。

以下介绍拉曼光谱的工作原理：被检测样品与入射电子之间存在着相互作用，引起样品中特征拉曼位移的强度称为拉曼增强。

拉曼位移的强度与样品浓度呈线性关系，可用拉曼增强的拉曼位移来确定样品的浓度。

拉曼增强的位移与样品的种类和浓度有关，并且随样品浓度增加而增大。

激光拉曼光谱分析法首先，让我们来了解激光拉曼光谱分析的原理。

拉曼光谱是指物质分子与光子相互作用后发生的能量改变所产生的光的散射现象。

当激光照射到样品表面时，部分被散射，其中一部分发生拉曼散射，即光子在与物质分子相互作用后发生频率改变的过程。

拉曼散射光中含有与样品中分子振动、转动和其他模式有关的信息，通过分析拉曼散射光的频率和强度，可以确定样品的化学成分、结构和状态。

为了实现激光拉曼光谱的测量，需要一套专门的仪器设备。

最基本的设备包括激光器、样品架、光谱仪等。

激光器用于产生高能量、单色的激光束，通常使用激光二极管或激光器作为光源。

样品架用于将待测样品放置在激光束中，确保样品与激光充分接触。

光谱仪用于收集并分析拉曼散射光的频率和强度，通常使用光栅或干涉仪作为光谱分析装置。

激光拉曼光谱的测量过程主要包括样品的准备、实验参数的设置、光谱测量和数据分析等步骤。

首先，需要将待测样品制备成适当的形式，如固体样品可以通过压片或微晶片技术制备，液体样品可以直接放置在样品架上。

然后，根据样品的性质和分析要求，设置合适的激光器功率、波长和探测器增益等参数。

接下来，将样品架放置在激光束中，通过调整样品位置和激光聚焦来最大化拉曼散射光的强度。

然后，使用光谱仪收集拉曼散射光的光谱数据，并通过傅里叶变换等数学方法将时间域数据转换为频域数据。

最后，根据光谱图像和峰位、峰形等特征，可以确定样品的化学成分、结构和状态。

激光拉曼光谱分析法在不同领域具有广泛的应用。

在材料科学领域，可以利用激光拉曼光谱分析法研究材料的结构和相变过程，例如确定纳米材料的尺寸和形态、表征薄膜的物理性质等。

在生物医学领域，可以使用激光拉曼光谱分析法研究生物分子的结构和功能，如检测肿瘤标记物、鉴定细菌和病毒等。

在环境监测领域，可以利用激光拉曼光谱分析法迅速检测土壤、水体、空气中的污染物，例如检测水中重金属离子、鉴别有机污染物等。

综上所述，激光拉曼光谱分析法是一种高分辨率、非破坏性的分析技术，广泛应用于材料科学、生物医学、环境监测等领域。

第十一章 激光拉曼光谱分析（Laser Raman Spectroscopy ，LRS ）§11-1 拉曼光谱原理一、拉曼光谱当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。

在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。

由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。

因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。

目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。

拉曼光谱和红外光谱一样同属于分子振动光谱,可以反映分子的特征结构。

但是拉曼散射效应是个非常弱的过程,一般其光强仅约为入射光强的10-10 。

1、瑞利散射当光子与物质的分子发生弹性碰撞时，没有能量交换，光子仅改变运动方向，这种散射称瑞利散射。

入射光与散射光的频率相同，如图中2、3两种情况。

2、斯托克斯(Stokes)散射当光子与物质的分子发生非弹性碰撞时，可以得到或失去能量，当受激分子从基态跃迁到某一虚拟态，返回到某一激发态，入射光频率大于散射光频率，如υ=0图11-1 瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯散射示意图υ=1图中第1种情况，最后这种散射称斯托克斯(Stokes)线。

3、反斯托克斯(Anti-Stokes)散射当原处于激发态的分子跃迁到某一虚拟态，返回到基态，入射光频率小于散射光频率，如图中第4种情况。

这种散射称反斯托克斯(Stokes)线。

由于常温下处于基态的分子占绝大多数，斯托克斯线比反斯托克斯线强得多。

4、拉曼位移入射光频率与拉曼散射光频率之差称拉曼位移。

它与物质的振动和转动能级有关，不同的物质有不同的拉曼位移。

对于同一种物质，若用不同频率的入射光照射，所产生的拉曼散射光的频率也不相同，但拉曼位移却是一个确定值。