拉曼光谱技术
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。
拉曼光谱的原理及应用
拉曼光谱的原理及应用拉曼光谱是将激发的样品通过分析散射光的频率而得到的一种光谱技术。
它是基于拉曼散射效应，即光与物质相互作用后，光的频率发生变化而产生散射光谱。
拉曼光谱的原理及应用如下。
原理：拉曼散射是指当物质被激发后，光通过与物质分子或晶体相互作用而发生频率改变的现象。
当光与物质相互作用后，其中一部分光的频率会发生变化，其频率的差值与物质分子或晶体的振动和转动能级有关。
这种频率发生变化的光被称为拉曼光，而拉曼光谱则是分析和记录这种光的技术和结果。
应用：1.化学分析：拉曼光谱可以用于分析化学物质的成分、结构和浓度。
不同化学物质的分子结构和振动能级不同，因此它们与光相互作用后会产生不同的拉曼光谱。
通过对比样品的拉曼光谱与数据库中已知物质的拉曼光谱，可以确定样品的成分和结构。
2.材料科学：拉曼光谱在材料科学中有广泛的应用。
例如，可以通过拉曼光谱来分析材料中的应变、晶格缺陷、晶体结构及化学组成等。
由于拉曼光谱对物质的表面敏感性较强，因此它在研究纳米材料和杂质掺杂材料的结构和性质方面特别有用。
3.生物医学：拉曼光谱在生物医学领域有多种应用。
例如，可以使用拉曼光谱来识别肿瘤组织与正常组织的差异，从而在肿瘤诊断和治疗中发挥重要作用。
此外，拉曼光谱还可以用于分析生物分子的结构变化和相互作用，以及研究细胞功能和代谢过程。
4.环境分析：拉曼光谱可以用于环境样品的分析和监测，例如水质、大气污染物、土壤和废物中的化学物质。
通过拉曼光谱技术，可以对这些环境样品中的有机和无机成分进行定性和定量分析，从而提供可靠的环境数据。
5.药品质量检测：拉曼光谱可用于对药物的质量进行快速和准确的检测。
通过对药物样品的拉曼光谱进行分析，可以确定药物的成分、结构和纯度，以保证药物的质量和疗效。
总结：拉曼光谱技术以其非破坏性、快速、准确的特点在各个领域得到广泛应用。
基于拉曼散射现象，拉曼光谱能够提供关于样品成分、结构和相互作用的信息。
它已成为化学、材料科学、生物医学、环境分析和药品质量检测等领域中不可或缺的分析工具，为科研和工业应用提供了重要支持。
光谱学中的荧光和拉曼光谱技术
光谱学中的荧光和拉曼光谱技术光谱学是研究物质与光的相互作用和光的分析的学科，是现代化学、物理和生物学的一个分支。
光谱学分为分光学、光学光谱学和物理学光谱学三个方面。
其中，荧光和拉曼光谱技术是光谱学的两项最为重要的技术之一。
一、荧光技术荧光是指物质在受到光激发后，释放出一定波长的光的现象。
荧光现象是物质带有激发态能量而处于高能态的表现。
原子、分子和晶体物质都能产生荧光，荧光可以应用于攻克化学、生物学和地球物理学等方面的问题。
荧光发射光谱是荧光现象的基本测量手段。
荧光光谱通常用于测定物质的化学和物理性质。
荧光发射光谱测定基本原理是利用化学品激发发出所谓的荧光。
荧光通常集中在可见光域（350-700 nanometer，nm），但是部分盐类和金属离子也能在紫外光（半波长≤350 nm）下发生荧光发射。
荧光发射光谱因激发光非常突出和灵敏，故被广泛应用于一些生命化学、药物化学和环境化学领域中的多样性分析。
荧光技术由于其使用简便且较为灵敏而被广泛应用。
荧光技术广泛应用于环境和医学研究，其中的一个典型例子是DNA测序。
在DNA测序中，荧光技术被用于分析不同的DNA分子。
二、拉曼技术拉曼技术是一种利用激光散射来测定物质分子结构和分子振动状态的光谱技术。
拉曼光谱是一种经典的分子光谱学技术，是研究材料的物理结构与性质之间关系的重要手段。
当一束光（称为“激发光”）通过一个物质样品时，部分光被散射。
通常情况下，物质散射出的光的强度低于激发光的强度，但其中的一小部分由于分子的旋转与振动可以激发和吸收光子。
这部分摩尔散射（称为拉曼散射）由物质的化学及物理信息组成，故能用于研究物质的性质。
拉曼技术还可以与化学计量学结合，成为近年来迫切需要解决的问题之一。
拉曼散射谱在化学计量学的一个应用例子是在固体或液体样品表面测成分。
颗粒、多边形、砖块或其他形状的真实实体可能存在于表面上的任何一些影响其谱图特征的细微变化中。
拉曼光谱分析对于合成新材料中缺陷、晶格结构、纯度和超微物质中的化学结构等问题的解决有非常重要的科学实际意义。
拉曼光谱分析技术
拉曼光谱分析技术一、原理拉曼光谱是一种光散射过程，它与样品分子的振动、转动、晶格等能级转变有关。
当激光通过样品时，部分激光光子会与样品中的分子相互作用，光子能量的改变即为拉曼散射光，其频率差等于与样品分子能级差的振动频率。
通过收集和分析拉曼散射光的强度和频率，就可以得到样品的拉曼光谱，从而得到样品的分子结构信息。
二、仪器拉曼光谱仪主要由三部分组成：光源、光学系统和光谱仪系统。
1.光源：常用的光源有连续性或脉冲激光器，如气体激光器、液体激光器、固体激光器等。
激光器发出的单色、高亮度光源是拉曼光谱分析的关键。
2.光学系统：光学系统主要由透镜、滤光片、光纤耦合器等组成，主要用于对激光进行准直、聚焦和收集样品的反散射光。
3.光谱仪系统：光谱仪系统由光栅、光电倍增管（PMT）、光谱仪等组成。
它用于分离和检测样品散射光的强度和频率。
三、应用1.材料科学领域：拉曼光谱分析技术可以用来研究材料的结构、组成、相变、晶格缺陷等。
例如，可以通过拉曼光谱分析研究材料中不同相的相对含量、晶格缺陷的种类和分布情况，从而为材料的合成和改性提供参考。
2.生命科学领域：拉曼光谱分析技术也可以用来研究生物分子的结构和功能。
例如，可以通过拉曼光谱分析研究蛋白质、核酸、多肽等生物分子的二级结构、药物与生物分子的相互作用等。
3.环境监测领域：拉曼光谱分析技术可以用于环境样品的分析和监测。
例如，可以通过拉曼光谱分析来快速检测土壤、水体、空气中的有机物、无机物等，同时还可以用于检测环境中的微量毒害物质。
4.法医学应用：拉曼光谱分析技术在法医学中也有广泛的应用。
例如，可以通过对酒精、毒品、爆炸物等样品的拉曼光谱分析来鉴定和识别这些毒性物质。
5.药物分析领域：拉曼光谱分析技术可用于药物的结构鉴定、质量控制等。
例如，可以通过拉曼光谱分析来鉴定药物中存在的杂质和假药，也可用于药物的溶解度研究和纯度检测。
综上所述，拉曼光谱分析技术具有无损、快速、无需或少需样品处理等优点，广泛应用于科学研究、材料分析、工业生产和环境监测等领域。
拉曼光谱法
0421拉曼光谱法1拉曼光谱法是研究化合物分子受光照射后所产生的散射， 散射光与入射光能级差及化合 物振动频率、转动频率间关系的分析方法。
与红外光谱类似，拉曼光谱是一种振动光谱技术。
所不同的是，前者与分子振动时偶极 矩变化相关，而拉曼效应则是分子极化率改变的结果，被测量的是非弹性的散射辐射。
拉曼光谱采用激光作为单色光源， 将样品分子激发到某一虚态， 随后受激分子弛豫跃迁 到一个与基态不同的振动能级，此时，散射辐射的频率将与入射频率不同。
这种“非弹性散 射”光被称之为拉曼散射，频率之差即为拉曼位移（以 cm-1 为单位），实际上等于激发光的 波数减去散射辐射的波数， 与基态和终态的振动能级差相当。
频率不变的散射称为弹性散射， 即所谓瑞利散射。
如果产生的拉曼散射频率低于入射频率，则称之为斯托克散射。
反之，则 称之为反斯托克散射。
实际上，几乎所有的拉曼分析都是测量斯托克散射。
用散射强度对拉曼位移作图得到拉曼光谱图。
由于功能团或化学键的拉曼位移与它们在 红外光谱中的吸收波数相一致，所以谱图的解析也与红外吸收光谱相同。
然而，通常在拉曼 光谱中出现的强谱带在红外光谱中却成为弱谱带甚至不出现，反之亦然。
所以，这两种光谱 技术常互为补充。
拉曼光谱的优点在于它的快速，准确，测量时通常不破坏样品（固体，半固体，液体或 气体），样品制备简单甚至不需样品制备。
谱带信号通常处在可见或近红外光范围，可以有 效地和光纤联用；这也意味着谱带信号可以从包封在任何对激光透明的介质（如玻璃，塑料 内）或将样品溶于水中获得。
现代拉曼光谱仪使用简单，分析速度快（几秒到几分钟），性 能可靠。
因此， 拉曼光谱与其他分析技术联用比其他光谱联用技术从某种意义上说更加简便 （可以使用单变量和多变量方法以及校准）。
除常规的拉曼光谱外，还有一些较为特殊的拉曼技术。
它们是共振拉曼光谱，表面增强 拉曼光谱，拉曼旋光，相关-反斯托克拉曼光谱，拉曼增益或减失光谱以及超拉曼光谱等。
化学中的拉曼光谱技术研究
化学中的拉曼光谱技术研究拉曼光谱技术是一种通过分子振动产生的非破坏性光学散射来获取物质结构和成分信息的分析技术。
该技术广泛应用于化学、生物、物理、材料学等各个领域，在过去几十年中取得了很大的发展和应用。
一、拉曼光谱技术的原理拉曼光谱技术主要是基于光与物质之间作用的拉曼散射现象。
当光与物质相互作用时，一部分光被吸收或散射，另一部分光则无变化地穿过物质。
而拉曼散射是指入射光与物质发生相互作用，部分光子的能量被转移给分子，从而产生一些散射光，其频率不同于入射光的频率，这种现象就是拉曼散射。
根据散射光的频率差别，可以了解到分子的振动模式、成分、结构等信息。
二、化学中拉曼光谱技术的应用1. 分子结构与成分鉴定拉曼光谱技术可以用于鉴定化学物质的分子结构和化学成分。
化学物质每个分子都有特定的振动模式，并且每个模式都对应一个特定的振动频率。
通过测定物质样品的拉曼谱图，可以确定其分子振动模式和频率，进而推导出其分子组成和结构特征。
2. 反应动力学研究拉曼光谱技术也可以用于化学反应的研究。
在反应过程中，化学物质的分子发生结构和振动的改变，因此拉曼光谱可以测量反应过程中物质分子的振动能级和转变，进而揭示反应机理和反应动力学。
3. 无损检测该技术也可以用于材料的无损检测。
如对于金属材料来说，其内部缺陷会影响分子的振动模式和振动频率，从而影响拉曼光谱信号的强度和形状。
因此，通过测量材料的拉曼谱图，可以检测到材料内部的缺陷、变形、应力等问题，为制造工艺控制和质量检测提供支持。
4. 生物医学领域拉曼光谱技术也用于生物医学领域中的诊断和治疗。
如用于细胞形态的探测、组织诊断、体液分析等。
此外，也可以用于药物分子的研究和配体蛋白结合特性的研究。
三、拉曼光谱技术的发展和趋势拉曼光谱技术经过几十年的发展和应用，已经成为化学分析领域中非常重要的技术手段之一，被广泛应用在学术研究和产业开发领域。
随着技术的不断进步，拉曼光谱技术在空间分辨率、灵敏度、便携性、自动化程度等方面得到了极大优化。
第八章拉曼光谱技术
二、 选择定则
在经典理论中，散射光与入射光之间的关系可用张量表示，设入射光为 E0＝(E0x, E0y, E0z), 散射光Es=(Esx, Esy,Esz)，则
Esx xx xy xz Eox
Esy yx yy yz Eoy
当分子吸附在某种金属表面时，共散射截面比不吸附时增大好几个数量级， 例如当吡啶分子吸附于银电极表面时，其散射截面比常态吡啶分子增大了 5—6个数量级。
主要特点表现：
1)表面增强拉曼散射与吸附金属种类有关，目前发现有表面增强效应的 金属有：金、钢、银、锂、钠、钾等，其中以银的增强效应最显著。
2)与吸附金属表面的粗糙度有关，当金属表面具有微观(原子尺度)或亚 微观(纳米尺度)结构时，才有表面增强效应，实验发现，当银的表面粗 糙度为100 nm、铜的表面粗糙度为50nm时，增强效应较大；
拉曼散射是分子振动的声子对入射光散射的结果。 自发拉曼散射：声子是由热振动激发的，入射光与无规相位分布的声子相 互作用，散射光是非相干光； 受激拉曼散射：相干入射光被受激的相干声子所散射，散射光是相干光。
一级斯托克斯的受激散射情形
入射光子与介质中声子相碰撞，产生一个斯托克斯散射光子，并增添一个受激 声子。产生的斯托克斯散射光子又于介质中的声子碰撞，又增加一个受激声子 和斯托克斯散射光子，如此等等，重复进行，受激声子数就迅速地增长起来。 由于受激声子是在相干光激发下形成的，所以受激产生的散射光也是相干的。
激光拉曼光谱技术与红外光谱技术相结合，成为物质结构研究的强大工具。
Raman散射可分为：自发Raman 散射和相干Raman 散射
自发拉曼散射效应：一阶线性极化效应，产生的散射光强度较弱
相干拉曼散射效应： 由强激光电场诱导的二次以上的高阶极化现象，散射光具有良好的方向性 与相干性，故称为相干拉曼散射．信号强度大，可比自发拉曼散射光的强 度提高109量级。用相干拉曼散射进行光谱测量，可发现一些用自发拉曼散 射无法发现的光谱信息
拉曼光谱技术的使用方法
拉曼光谱技术的使用方法引言：拉曼光谱技术是一种基于光的非破坏性分析方法，能够通过光与物质交互作用的方式，获取物质的结构和成分信息。
近年来，随着拉曼光谱技术的快速发展和成熟，它在各个领域都得到了广泛应用。
本文将探讨拉曼光谱技术的使用方法，以及在生物医学、环境科学和材料科学等领域的应用。
一、拉曼光谱技术的基本原理：拉曼光谱技术是一种基于拉曼效应的分析方法。
当激光光源照射到样品上时，一部分光通过样品，另一部分光与样品中的分子相互作用。
与样品中的分子相互作用过程中，光的一部分散射，即拉曼散射。
拉曼散射光谱中的频率差值与样品中的化学键振动有关，通过分析拉曼光谱，可以获得样品的结构和成分信息。
二、拉曼光谱仪的使用方法：1. 样品准备：将待测样品制备成适当形式，如液体样品需将其放在透明容器中，固体样品可直接进行测量。
确保样品表面干净、光滑，避免杂质和粉尘的干扰。
2. 选择适当的激光光源：根据待测样品的性质和所需分析的信息，选择合适的激光光源。
常用的激光光源有He-Ne激光、Nd:YAG激光等。
不同波长的激光光源对不同样品有着不同的适应性。
3. 路径选择和调整：拉曼光谱仪通常具备单色器、样品室和探测器等部件。
根据需要选择合适的单色器，在样品室中放置样品，并将光源与样品之间的路径调整到最佳位置，以保证得到清晰的拉曼光谱图。
4. 采集拉曼光谱：调节仪器参数，如波长、功率和积分时间等，开始采集拉曼光谱。
根据需求，可以选择不同的采集模式，如常规扫描、映射扫描等。
保持稳定的仪器状态，同时避免环境光的干扰。
三、拉曼光谱技术在生物医学领域的应用：1. 体内病灶检测：拉曼光谱技术可以通过非侵入性的方式检测人体内部的病灶，如癌症和糖尿病早期病灶。
通过分析拉曼光谱中的特征峰，可以实现对病变组织的准确识别和诊断。
2. 药物分析与研究：拉曼光谱技术可以用作药物的质量控制和成分分析。
通过比较药物的拉曼光谱图谱，可以检测药品中可能存在的假药、掺杂物等问题。
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Spectroscopy of the Solid State
Spectroscopy - Interaction between radiation and matter. NIR – offers possibility of study of interaction of solids with radiation since sample preparation is not required.
Ultraviolet
v i s i b l e
NIR
MIR
FIR
ESR
NMR
Region
Infrared
Microwave
Radio, TV Waves
Interaction
Nuclear Transitions
Inner Shell Electronic Transitions
Valance Electron Transitions
Molecular Vibrations
Molecular Rotations
Spin Orientation in Magnetic Field
Wavelength (m) 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 101
Courtesy Bruker Optics
2
Infrared Spectroscopy Regions of Infrared Spectrum: • A vibration occurs when the dipole moment of the molecule changes, and the Far Infrared: 650 – 25 cm-1 molecule interacts with Mid Infrared: 4000 – 650 radiation equal to the cm-1 frequency of vibration. Near Infrared: 12800 – 4000 cm-1(0.8 - 2.5 m, or 8002500 nm)
NIR Fundamentals: Electromagnetic Spectrum
12,500 cm-1 (800 nm)
4,000 cm -1 (2500 nm)
108 Frequency (cm-1)
107
106
105
104
103
102
101
1
10-1y
X – Ray
STRUCTURED ORGANIC PARTICULATE SYSTEMS
RUTGERS UNIVERSITY PURDUE UNIVERSITY NEW JERSEY INSTITUTE OF TECHNOLOGY UNIVERSITY OF PUERTO RICO AT MAYAGÜ EZ
10/11/2005 1
6
Disadvantages of NIRS
• • • • • Calibration requires careful experimental design. Depends on accuracy of reference methods. Overlapping bands, not easy to interpret. Differences in spectra are often very subtle. Usually not for trace level analysis.
4
Advantages of NIR
Process Applications: Excellent analytical method for the study of solids. Spectra may be obtained in non-invasive manner. Remote sampling is possible (good for hazardous materials). Possibility of using it in a wide range of applications (physical and chemical), and viewing relationships difficult to observe by other means. Laboratory Applications: Sample preparation is not required leading to significant reductions in analysis time. Waste and reagents are minimized.
Vibrational Spectroscopy for Pharmaceutical Analysis
Part IX. Introduction and Origin of NIR Bands Rodolfo J. Romañ ach, Ph.D.
ENGINEERING RESEARCH CENTER FOR
3
Infrared Spectroscopy (mid-IR) and Near Infrared Spectroscopy
Infrared Spectroscopy (mid-IR), studied in organic chemistry courses; principal identification method in pharmaceutical industry. Mid-IR sharp bands that provide structural information on compounds; better than fingerprint. (region of 4000 cm-1 to 400 cm-1, wavelengths from 2.5 m to 25 m). Near IR weak overlapping bands; difficult to interpret (region of 12500 to 4000 cm-1, wavelengths from 0.8 to 2.5 m.)