第四章拉曼光谱.pdf
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拉曼光谱拉曼谱是以印度物理学家拉曼(C.V.Raman)命名的一种散射光谱.1928年拉曼和克利希南(K.S.Krishnan)在研究单色光在液体中散射时,不仅观察到与入射光频率相同的瑞利散射,而且还发现有强度很弱,与入射光频率不同的散射光谱.同年,前苏联的曼迭利斯塔姆和兰兹贝尔格在石英的散射中也观察到了这一现象.这种新谱线对应于散射分子中能级的跃迁,为研究分子结构提供了一种重要手段,引起学术界极大兴趣,拉曼也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖.但由于拉曼光谱很弱,受当时光源和检测手段的限制,它的发展曾停滞了一段时期.19世纪60年代激光技术的出现使拉曼光谱得以迅速发展,再加上近年来发展的高分辨率的单色仪和高灵敏度的光电检测系统,使拉曼光谱学进入崭新的阶段,应用领域遍及物理、化学、生物、医学等.利用各种类型的材料作为散射物质,几乎都可能得到相应的拉曼谱.这种新型的实验技术正日益显示其重要意义。
通过实验了解激光拉曼光谱仪的基本结构与工作原理;了解拉曼散射的原理及其在现代科学研究中的作用;测量典型的CCl4拉曼散射谱。
一、实验原理当一束单色光入射在固、液或气态介质上时,从介质中有散射光向四面八方射出.散射光中较强的是瑞利散射,其频率与入射光频率ν0相同,其强度和数量级约为入射光强的10-4~10-3.除瑞利散射外还有拉曼散射,拉曼散射的散射光频率ν与入射光频率相比有明显的变化,即ν=ν0±|Δν|,其强度数量级约为瑞利散射的10-8-10-6,最强的也只是瑞利散射的10-3.瑞利线ν0长波一侧出现的散射线ν=ν0-|Δν|称为斯托克斯(Stokes)线,又称为红伴线;把短波一侧出现的ν=ν0+|Δν|称为反斯托克斯(anti-Stokes)线,又称紫伴线.斯托克斯线比反斯托克斯线通常要强一些.散射光频率ν相对于入射光频率ν0的偏移,即拉曼光谱的频移Δν,是拉曼谱的一个重要特征量.散射线的±|Δν|相对于瑞利线是对称的,而且这些谱线的频移Δν不随入射光频率而变化,只决定于散射物质的性质.换句话说,在不同频率单色光的入射下都能得到类似的拉曼谱.拉曼散射是由分子振动,固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射。
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。
在很长的一段时间,由于拉曼与生俱来的缺点(信号弱)而限制了它的应用,但是随着仪器技术的发展,仪器的灵敏度和分辨率不断提高,体积减小了,操作也简单了,同时仪器的价格也降低了,很多单位已经可以买的起了,用户也越来越多。
总体来说现在拉曼光谱仪已经向分析型仪器方向发展了,应用领域也由原来的材料领域,拓展到了化学、催化、刑侦、地质领域、艺术、生命科学等各个领域,甚至有一些QC领域也已经开始使用拉曼光谱仪了。
不过,我们同时也发现,由于当前拉曼光谱仪的用户还不是很多,很多用户拉曼光谱相关基础较弱,在使用过程中总会遇到一些问题,如Ramanshift和wavenumber是一回事吗?拉曼谱里面得到的荧光背景和荧光光谱仪里面的荧光图区别在哪里?激光拉曼光谱和红外光谱有什么区别?为此,小编今天给大家分享一下拉曼光谱仪使用过程中的一些常见问题和解决方案,其中也包括了一些基础的概念性问题帮助您更好的理解其中的原理,即使您是“门外汉”,看完这些对拉曼光谱也会有一个比较清楚的了解。
详细内容如下:一、测试了一些样品,得到的是Ramanshift,但是文献是wavenumber,不知道它们之间的转换公式是怎么样的?激光波长632.8nm。
1. 两者是一回事。
ramanshift即为拉曼位移或拉曼频移,频率的增加或减小常用波数差表示,拉曼光谱仪得到的谱图横坐标就是波数wavenumber,单位cm-1。
2.两者一回事。
拉曼频移ramanshift指频率差,但通常用波数wavenumber表示,单位cm-1,可以说某个谱峰拉曼位移是??波数,或??cm-1。
3.在Raman谱中,wavenumber有两种理解,一种是相对波数,这时就等于Ramanshift;另一种是绝对波数(这在荧光光谱中用的比较多),这个绝对波数是与激发波长有关,不同的激发波长得到的绝对波数是不一样的,这时Ramanshift等于(10000000/激发波长减去Raman峰的绝对波数)。
拉曼光谱检测浅谈拉曼光谱检测浅谈拉曼光谱检测⼀、拉曼光谱简介拉曼技术在⼀个世纪⾥发展成为⼀门较成熟的科学,取决于它产⽣的机制和光谱表征的特性。
拉曼光谱(Raman spectra),是⼀种散射光谱。
拉曼光谱分析法是基于印度光谱中发现了当光与分⼦相互作科学家C.V.拉曼(Raman)于1928年⾸先在CCL4⽤后,⼀部分光的波长会发⽣改变(颜⾊发⽣变化),通过对于这些颜⾊发⽣变化的散射光的研究,可以得到分⼦结构的信息,因此这种效应命名为Raman效应。
拉曼光谱是由物质分⼦对光源的散射产⽣的,与分⼦的振动与转动能级的变化有关,来源于分⼦极化度的变化,是由有对称电荷分布的键的对称振动引起的。
如-C=C-、-N=N-及-S-S-等,这些键振动时偶极矩不发⽣变化。
因此,拉曼光谱常⽤于研究⾮极性基团与⾻架的对称振动。
拉曼光谱是由物质分⼦对光源的散射产⽣的,与分⼦的振动与转动能级的变化有关,来源于分⼦极化度的变化,是由有对称电荷分布的键的对称振动引起的。
如-C=C-、-N=N-及-S-S-等,这些键振动时偶极矩不发⽣变化。
因此,拉曼光谱常⽤于研究⾮极性基团与⾻架的对称振动。
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,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。
⼆、拉曼光谱的原理及其特点(1)拉曼光谱的原理拉曼效应的振动能级图拉曼散射是光照射到物质上发⽣的⾮弹性散射所产⽣的。
当⼀束光照射到物质上时,光⼦和物质发⽣弹性散射和⾮弹性散射,弹性散射的散射光波长与激光波长相同。
四、低维纳米体系的理论基础和光谱特征在边界处,晶体材料的平移对称性被打破了,导致了表面和界面振动模式的出现。
此外,加工处理和生长过程中,晶粒的外层原子常常与相邻原子再作用(点阵重构、钝化/腐蚀层、污染物等)而经受陡峭的热化学梯度,产生了新相,这些新相产生了新谱。
这些因素在体材料Raman谱中常常被忽略了,但可以预言在纳米晶体中它们将变得非常有意义,因为对纳米结构这些贡献是非常大的。
12纳米粒子的特征:1 维度、尺寸与特征长度1)几何维度和几何大小2)特征长度指物力长度:退相长度(dephasing length )L φ、扩散长度(diffused length )L d 以及电子(激子)的波尔半径r e 、粒子的德布罗意波长λd 和电磁波长λ等。
不同外界条件下的同一特征长度的几何尺寸可能会不同,如:氢原子中电子的波尔半径只有0.05nm ,而在GaAs 中传导电子的波尔半径可达10nm 。
4.1低维纳米体系的晶格动力学和光散射理论研究1949年Frohlich第一个提出并研究了有限,尺寸晶体声子谱,理论。
Frohlich研究一个双原子球形样品,球半径大于晶格常数但小于红外波长,他证明:1)球内的计划是均匀的;2)在体材料的纵、横光学声子频率ωL和ωT之间出。
现一个新的光学模——称为Frohlich模ωF随后,小尺寸晶体的晶格动力学和拉曼散射的工作不断进展,形成新的学科分支。
564.1.1 超晶格半导体超晶格结构如图所示,此结构将导致与体材料不同的新的色散和光谱特征。
1)沿生长方向,构成了光学声子势阱,阱中声子的能量特征与势阱中的电子相类似;2)新的晶格周期L = (n 1a 1+n 2a 2), (其中,n 1和n 2是单层数,a 1和a 2分别是单层厚度,一般,L >> a;体材料-π/a —π/a 的大布里渊区变为-1/L —1/L 的小布里渊区。
对1和2体材料色散曲线差别不大(声学声子通常如此),则体色散曲线“折叠”入小布里渊区,超晶格中材料1和2的声子的能量分别“分裂”成n 1+n 2个能级。