拉曼光谱原理及硬件
拉曼光谱分析
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。
拉曼光谱仪器的构成及各部分的作用
拉曼光谱仪器的构成及各部分的作用
拉曼光谱仪是一种用于研究物质的分子结构和化学成分的仪器。
它主要由以下几个部分组成：
1. 激光源：激光源产生单色、单频、高亮度的激光光束，通常使用氩离子激光器、二极管激光器等。
2. 光学系统：光学系统包括透镜、反射镜和光栅等元件，用于对激光光束进行聚焦、衍射和分光，以及将样品上的散射光收集并传送到探测器上。
3. 样品室：样品室是放置待测样品的区域，通常有一个可调节的样品台，用于固定和定位样品。
4. 探测器：探测器用于接收样品产生的散射光，并转换为电信号。
常用的探测器包括光电二极管 (PD)、多道光电二极管阵列 (PDA) 和电荷耦合器件 (CCD) 等。
5. 分光光学系统：分光光学系统通过光栅或其他衍射元件将散射光按波长进行分离和选择，以便进行光谱分析。
6. 数据处理系统：数据处理系统包括计算机和相关的软件，用于控制光谱仪的操作、采集和处理光谱数据，并提供可视化的结果和分析报告。
拉曼光谱仪的工作原理是基于拉曼散射现象，当激光光束通过样品时，部分光子与样品中的分子相互作用，发生能量转移，产生了拉曼散射光。
通过测量和分析这些散射光的强度和频率变化，可以得到样品的拉曼光谱，从而了解样品的分子结构和化学成分。
总之，拉曼光谱仪器的各部分在整个测量过程中起着不同的作用，从激光源的产生到探测器的信号接收，再到数据处理与分析，每个部分都是不可或缺的，共同完成对样品的拉曼光谱分析。
激光拉曼光谱仪原理
激光拉曼光谱仪原理
激光拉曼光谱仪是一种基于拉曼散射原理的仪器，用于研究和分析样品的分子结构。
它利用激光光源照射样品，将激光光子与样品分子相互作用的结果，通过光学系统收集、分析和解读后，得到样品的拉曼散射光谱。
激光拉曼光谱仪的工作原理如下：
1. 激光源：使用可调谐激光源，通常是单色激光器，产生具有特定波长的单色激光光源。
常用的激光波长包括532 nm和
785 nm。
2. 光学系统：激光光源经过准直、聚焦等光学元件，使光线在样品上聚焦成一个细小的光斑点。
同时，收集样品上产生的拉曼散射光。
3. 样品与激光相互作用：激光光斑照射在样品上，激发样品分子的振动、转动等运动。
一部分激光能量被样品吸收，剩余的能量以散射光的形式发出。
激光散射光中，有一部分与样品分子的振动、转动等运动信息相关，称为拉曼散射光。
4. 光谱分析：拉曼散射光由光学系统收集后，经过分光装置进行波长分离，最后通过光电探测器转化为电信号。
通过记录和分析这些电信号，可以得到样品的拉曼光谱。
激光拉曼光谱仪的优点是非常灵敏、无需样品处理，能够在非破坏性条件下对样品进行分析。
它广泛应用于化学、材料科学、生物分析等领域，可以用于表征样品的组分、结构、反应动力学等信息。
拉曼光谱仪工作原理
拉曼光谱仪工作原理
拉曼光谱仪是一种用来测量拉曼散射光谱的仪器。
其工作原理如下：
1. 激光源：拉曼光谱仪使用一束高强度、单色的激光作为光源。
常见的激光源有氦氖激光器、二极管激光器等。
激光的功率和波长选择与待测样品的特性有关。
2. 散射装置：激光束通过一个透镜聚焦成一束平行光，并由散射物体(通常是待测样品)散射。
散射光中的一部分与激光光子
产生频率差(拉曼散射)。
3. 光谱仪：拉曼光谱仪使用一台分光仪来分离频率差的散射光，并测量其强度。
它通常由一个凹面光栅或散射体光栅组成，可以将不同频率的光条带分离为不同的光谱线。
4. 探测器：分离的光谱线经过光谱仪后会落在一个探测器上，例如光电二极管、硅光电二极管或光电倍增管。
这些探测器能够测量散射光的强度。
5. 数据分析：拉曼光谱仪通过计算和分析测得的光谱数据，可以确定样品的分子结构、化学成分和其他物理特性。
常见的数据分析方法有基准校准、强度校正、峰拟合等。
总结起来，拉曼光谱仪通过测量样品散射的拉曼光谱，从而得知样品的分子结构和特性。
它具有非侵入性、无需样品处理和
高灵敏度等优点，因此在化学、生物、材料科学等领域得到广泛应用。
拉曼光谱仪器测试原理与仪器使用指南
拉曼光谱仪器测试原理与仪器使用指南基于印度科学家 C.V.拉曼（Raman）发现拉曼散射效应：不同的入射光频率的散射光谱进行分析所得到的分子振动、转动的信息，并应用于分子结构分析研究的一种分析方法，称为拉曼光谱（Raman spectra）。
其中，拉曼光谱是一种散射光谱。
1激光拉曼光谱基本原理激光入射到样品，产生散射光：散射光为弹性散射，频率不发生改变为瑞丽(Rayleigh)散射；散射光为非弹性散射，频率发生改变为拉曼(Raman)散射。
如图：Rayleigh散射(左)：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射（右）：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换。
其中，E0基态，E1振动激发态；E0+ hν0 ，E1+ hν0 激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态。
(图片来自百度)Raman散射：两种跃迁能量差：△E=h(V0 -△V)，产生stokes线；强；基态分子多；△E=h(V0 +△V)，产生反stokes线；弱。
Raman位移：Raman散射光与入射光频率差△n。
(图片来自百度)斯托克斯线(Stokes)：基态分子跃迁到虚能级后不会到原处基态，而落到另一较高能级发射光子，发射的新光子能量hv'显然小于入射光子能量hv，△V 就是拉曼散射光谱的频率位移。
反斯托克斯线(anti-Stokes)：发射光子频率高于原入射光子频率。
拉曼位移(Raman shift)：△V 即散射光频率与激发光频之差。
拉曼位移△V 只取决于散射分子的结构，而与V0无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。
与入射光波长无光，适用于分子结构分析。
2 拉曼光谱仪散射光相对于入射光频率位移与散射光强度形成的光谱称为拉曼光谱。
拉曼光谱仪一般由光源、外光路、色散系统、及信息处理与显示系统五部分组成。
拉曼光谱仪分为激光Raman光谱仪(laser Raman spectroscopy)和傅立叶变换-拉曼光谱仪(FT-Ramanspectroscopy)。
拉曼光谱分析仪的原理和应用
拉曼光谱分析仪的原理和应用什么是拉曼光谱分析仪?拉曼光谱分析仪（Raman spectroscopy）是一种非侵入性的光谱分析技术，通过激光照射样品，观察样品中光子的散射现象获取样品的光谱信息。
拉曼光谱分析仪可以提供样品的分子结构、组成、物理状态以及分子之间的相互作用等详细信息，广泛应用于医药、生物、化学、材料和环境等领域。
拉曼光谱分析的原理拉曼光谱分析基于拉曼散射效应，该效应是过程中原子或分子的振动产生光子的能量变化，从而使得入射光子发生能量的转移。
拉曼光谱是通过测定样品中光子能量的变化来分析样品的。
具体而言，拉曼光谱分析仪使用一束单色激光照射样品，并收集样品散射出的光谱信息。
收集到的光谱信息被传输到光谱仪中进行处理和分析。
拉曼光谱分析的应用拉曼光谱分析仪在各种领域有广泛的应用，以下是一些常见的应用领域和案例：1. 化学领域•化学物质的鉴定和定量分析•反应过程的监测和动力学研究2. 材料科学和工程•材料的结构分析和成分鉴定•制备过程的监控和优化3. 药学和生物医学•药物分子的结构表征和成分分析•癌症早期诊断和体内药物输送研究4. 环境科学•污染物的检测和监测•大气中气体成分的分析拉曼光谱分析仪的优势拉曼光谱分析仪相比传统的光谱分析技术具有以下优势：•非破坏性分析：不需要对样品进行任何处理，避免了样品的破坏。
•快速分析：可以在短时间内获取样品的光谱信息，快速分析样品的组成和结构。
•无需特殊准备：样品不需要进行特殊处理或制备，直接进行分析。
•高灵敏度：能够检测到样品中只有少量的化学成分或污染物。
•高分辨率：可以分析样品中的微观结构和细微变化。
使用拉曼光谱分析仪的步骤使用拉曼光谱分析仪进行实验和分析时，通常依次执行以下步骤：1.准备样品：根据需要准备待分析的样品，不同的样品可能需要不同的处理方法，比如溶解、制片等。
2.设置拉曼光谱分析仪：根据样品和分析要求，设置合适的激光波长、功率和采样参数。
3.放置样品：将样品放置在拉曼光谱分析仪的样品台上，保持样品与激光的光线对准。
拉曼光谱及其应用
拉曼光谱及其应用拉曼光谱是一种分析物质结构和化学组成的非侵入性技术，并广泛应用于许多领域，包括材料科学、生命科学和环境科学。
本文将介绍拉曼光谱的原理、仪器和一些常见的应用。
一、拉曼光谱的原理拉曼光谱是一种基于拉曼散射现象的光谱技术。
当激光等能量较高的光与物质相互作用时，光子会与物质中的分子相互作用，产生散射现象。
拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射两种类型，它们分别与物质的低频和高频振动模式相对应。
根据拉曼散射现象，我们可以获得物质的拉曼光谱。
拉曼光谱是由于分子振动引起的光散射频移所产生的谱线，可以提供关于物质结构、键合性质和化学组成的信息。
每个物质都有独特的拉曼光谱，因此拉曼光谱可以用于研究和识别不同的物质。
二、拉曼光谱的仪器为了获取物质的拉曼光谱，我们需要使用拉曼光谱仪。
一般的拉曼光谱仪包括激光光源、样品台、光学系统和光谱仪。
首先，激光光源是产生高能量光束的关键组件。
常见的激光光源包括氩离子激光器、二极管激光器和红外激光器。
不同的激光光源可以提供不同的波长范围和功率输出，以适应不同样品的测量需求。
其次，样品台是用于支撑和定位样品的平台。
样品台需要具备良好的稳定性和精确度，以确保样品在测量期间的位置和姿态不变。
然后，光学系统包括镜头、滤光片和光纤等组件，用于操控和导引激光光束。
光学系统的设计和优化可以提高信号强度和降低背景噪音，从而提高拉曼信号的检测灵敏度。
最后，光谱仪用于测量和分析样品散射的光谱。
它通常包括光栅、光电二极管和数据采集系统等部分。
光谱仪的性能决定了拉曼光谱的分辨率和信噪比，因此选择合适的光谱仪非常重要。
三、拉曼光谱的应用1. 材料科学领域拉曼光谱在材料科学中具有广泛的应用。
通过测量材料的拉曼光谱，我们可以了解材料的晶格结构、键合状态和纳米尺度的相变等信息。
拉曼光谱还可以用于研究材料缺陷、应力分布和化学反应等过程。
因此，在材料设计、合成和评估中，拉曼光谱起到了重要的作用。
2. 生命科学领域在生命科学中，拉曼光谱被广泛应用于细胞学、生物医药等领域。
拉曼光谱原理与应用
拉曼光谱原理与应用光谱分析是一种通过测量物质与光的相互作用来研究物质性质的方法。
在光谱分析中，拉曼光谱因其独特的原理和广泛的应用而备受关注。
本文将全面介绍拉曼光谱的原理、仪器设备以及在不同领域中的应用。
一、拉曼光谱的原理拉曼光谱是指当光线与物质作用时，光的频率发生改变并散射的现象。
这种频率改变称为拉曼散射，其产生的原因是分子或晶体结构的振动或旋转。
具体来说，光与物质发生相互作用时，部分光子与物质的分子或晶格发生能量交换，使得被散射的光子频率发生改变。
而这种频率变化所携带的信息，可以用来研究物质的组成、结构以及状态。
二、拉曼光谱的仪器设备为了获得高质量的拉曼光谱数据，需要使用一些专门的仪器设备。
典型的拉曼光谱仪通常包括以下几个部分：1. 激光器：激光器是产生高强度和单色性光线的关键组成部分。
常用的激光器有氩离子激光器、固体激光器和半导体激光器等。
激光的选择应根据样品的特性和研究的目的来确定。
2. 光学系统：光学系统通常由透镜、准直器、滤光片等组成。
其主要功能是对光进行聚焦、准直和滤波，以保证光在样品表面的合适条件下进行相互作用。
3. 光谱仪：光谱仪是将散射光分离成不同频率的设备。
常用的光谱仪包括单色仪、衍射光栅、光电倍增管等。
光谱仪的性能决定了拉曼光谱信号的质量和分辨率。
三、拉曼光谱的应用拉曼光谱广泛应用于各个领域，如物理化学、材料科学、生物医学等，具有非常重要的意义。
1. 物理化学应用：拉曼光谱可以用于分析物质的结构和组成。
通过测量样品的拉曼光谱，可以获得有关物质分子振动状态的信息，帮助研究人员了解分子之间的相互作用和化学键的性质。
此外，拉曼光谱还可以用于表面增强拉曼光谱（SERS）的分析，提高灵敏度和检测限。
2. 材料科学应用：拉曼光谱在材料科学领域中具有广泛应用。
通过对材料的拉曼光谱分析，可以获得有关材料晶格振动和晶格结构的信息，揭示材料的物理特性和相变行为。
同时，拉曼光谱还可以用于研究材料的缺陷和应力状态，为材料设计和改进提供重要参考。
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1 000
500
1 000
1 500 Raman Shift (cm-1 )
2 000
2 500
3 000
用不同的激发波长测试CaF2样品
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2 确定信号来源-拉曼或荧光
5 000
CaF-488 CaF-514 CaF-532
果糖（左旋糖）vs. 无水葡萄糖 （右旋糖） vs. 含水葡萄糖
40000
30000
20000
Hydrated dextrose Anhydrous dextrose
10000
Fructose
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
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Raman Shift (cm -1 )
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专利调角度技术
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拉曼光谱仪原理图（滤光片型）——显微镜
激 光 器 共聚焦针孔 干涉滤光片 光栅
功率衰减片 瑞利滤光片
3 分析样品不同深度的信息
利用不同波长穿透深度不同，可以分析样品不同层的信息
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拉曼光谱仪原理图（滤光片型）— 滤光片
激 光 器 共聚焦针孔 光栅
干涉滤光片 狭缝 功率衰减片 瑞利滤光片
显微镜
探测器
样品
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4 000
Intensity (cnt)
3 000
2 000
1 000
0 500 510 520 530 540 Wavelength (nm) 550 560 570
用不同的激发波长测试CaF2样品
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将cm-1转换为nm
θ
光斑尺寸
N.A.大，光斑尺寸小 N.A.小，光斑尺寸大
spot
size
=
1 . 22 λ NA
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Working distance
Working distance
不透明样品
数值孔径 (N.A.) = n·sinθ, n为介质的折射率
激 光 器 共聚焦针孔 干涉滤光片 光栅
功率衰减片 瑞利滤光片
狭缝
显微镜
探测器
样品
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甲烷气体包裹体
40 000
-30 -20
Hole: Hole:
400um 200um
35 000
Y (um)
-10
0
30 000 Intensity (cnt) 25 000 20 000 15 000 10 000
激发波长与拉曼位移
Bi2O3 633 nm
Intensity (a.u.)
100
200
300
Raman Shift (cm
-1
400
500
)
能量差 值恒定
Bi2O3 514 nm
拉曼位移是一个相对值，对于 同一振动模式，发射光子与入 射光子的能量差恒定。不同的 激发波长下拉曼位移相同。
Intensity (a.u.)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
拉曼光谱中的信息
定性的信息: 拉曼光谱是物质结构的指纹光谱 定量的信息: 可以通过光谱校正,得到准确的应力大小和浓度分布
峰位
谱带位置：化学组成，结构，构象， 形态
强度
谱峰偏移
频率位移：应力，分子环境 半高宽：结晶度 强度：浓度或物质的量
半高宽 FWHM Raman shift
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什么是拉曼效应?
1928 年，印度科学家C.V Raman in首先在CCL4光谱 中发现了当光与分子相互作用后，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。
Provided by Prof. D. Mukherjee, Director of Indian Association for the Cultivation of Science
Intensity (a.u.) 150
100
Notch
Edge
50
0 -300 -200 -100 0 100 200 300 Wavenumber (cm-1)
30 000
25 000
20 000
Intensity (cnt)
Laser
15 000 10 000
5 000
0 0 200 400 600 800 1 000
瑞利滤光装置 光源 干涉滤光片 样品
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拉曼光谱仪原理图（滤光片型）
激 光 器 共聚焦针孔 干涉滤光片 光栅
功率衰减片 瑞利滤光片
狭缝
显微镜
探测器
蓝：偏振片 粉: DuoScan
样品
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拉曼光谱的优势
方法 样品 信息
• 无损，非破坏性 •各种性状 •无需特殊处理 • 分子层面 • 对结构与环境敏感 •含水样品 •玻璃样品池 • 特异性 • 微量和宏观 • 实时检测 • 活体检测
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拉曼光谱测量
探测器
光栅
Low N.A. lens
High N.A. lens
θ
θ
对于不透明样品，高N.A.物镜有以下特点： 1. 取样体积小 → 2. 信号收集角大，收集更多信号 → 3. 激光功率密度高 (mW/μm3) → 4. 工作距离短
高空间分辨率 增强信号强度 增强信号强度
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能级示意图
电子激发态
虚态
hv1
hv2
发射光 子能量
hv0 hv0
能量差
h(v0-v) hv0 h(v0＋v)
hv0
瑞 利 散 射 斯 托 克 斯 散 射
反 斯 托 克 斯 散 射
荧 光
电子基态
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拉曼光谱原理及硬件
刘仕锋 理科学，材料分析部 2011.03.17
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内容概要
拉曼光谱原理 拉曼光谱仪各部件功能 激光器 滤光片 物镜及共焦针孔 光栅和焦长 探测器
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拉曼位移
同素异形体 — 石墨 & 金刚石
1332 20000 1580 5000 0000 5000 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Wavenumber (cm-1)
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拉曼位移
同分异构体
狭缝
显微镜
CCD
样品
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显微镜
• 显微镜收集信号的方式。 • 物镜的三个参数：放大倍数，数值孔径,工作距离 可见波段： 10× 50× 100× LWD 50× 。。。。。。 N.A. = 0.25 N.A. = 0.75 N.A. = 0.9 N.A. = 0.5 WD = 10.6 mm WD = 0.37 mm WD = 0.21 mm WD = 10.6mm
透明样品
数值孔径 (N.A.) = n·sinθ, n为介质的折射率
Low N.A. lens
High N.A. lens
对于不透明样品，低N.A.值透镜更具优势： 取样体积大 → 提高灵敏度
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拉曼光谱仪原理图（滤光片型）——共焦针孔
激发波长的选择
244nm 325nm 473nm 488nm 514nm 532nm 633nm 785nm 。。。。。。
1 避开荧光干扰 2 确定信息来源-拉曼或荧光 3 不同深度信息研究
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1 避开荧光干扰
• • • 532 nm laser 633 nm laser 785 nm laser
物镜
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空间分辨率
光谱仪
聚焦区域 外的拉曼 信号
共聚焦针孔
共焦拉曼的特点: • 极大的提高了纵向分辨率 ( < 2 µm)
多层样品
• 得到更好的横向分辨率 ( <1 µm) • 有效地减少荧光干扰