拉曼光谱
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。
拉曼光谱
• 拉曼光谱在化学研究中的应用
拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定和分 子相互作用的手段，它与红外光谱互为补充，可以鉴别特 殊的结构特征或特征基团。拉曼位移的大小、强度及拉曼 峰形状是鉴定化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性， 拉曼光谱还可以作为分子异构体判断的依据。在无机化合 物中金属离子和配位体间的共价键常具有拉曼活性，由此 拉曼光谱可提供有关配位化合物的组成、结构和稳定性等 信息。另外，许多无机化合物具有多种晶型结构，它们具 有不同的拉曼活性，因此用拉曼光谱能测定和鉴别红外光 谱无法完成的无机化合物的晶型结构。
发展前景
• 激光技术 现在国际上推出的从事非线性光谱研究的超快(飞秒或皮 秒)激光器，技术上已经达到比较成熟地步，可以成套购 买，也较稳定。非线性拉曼光谱技术已经在生命科学领域 研究中发挥它的独特和重要作用。例如，美国哈佛大学的 谢晓亮教授在开拓并运用相干反斯托克斯拉曼光谱显微学 （CARS Microscopy）研究活细胞内部三维结构方面取得 一系列重要成果。高质量的超快激光器还推动了另一个极 具前途的表面光谱技术，就是合频（SFG）技术的发展， 它作为具有独特的界面选择性的非线性光谱方法，已经在 界面和表面科学、材料乃至生命领域研究中发挥着越来越 重要的作用。
拉曼光谱
• 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）
拉曼光谱的应用 • 拉曼光谱技术以其信息丰富，制样简单，水的干 扰小等独特的优点，在化学、材料、物理、高分 子、生物、医药、地质等领域有广泛的应用。 • 通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动 能级情况,从而可以鉴别物质,分析物质的性质. 例如：天然鸡血石和仿造鸡血石的拉曼光谱有本 质的区别,前者主要是地开石和辰砂的拉曼光谱,后 者主要是有机物的拉曼光谱,利用拉曼光谱可以区 别二者；鉴别毒品；利用拉曼光谱可以监测物质 的制备；监测水果表面残留的农药。 • 激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学 上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面上的 应用，在表面和薄膜方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。
拉曼光谱
拉曼光谱（Raman spectra），是一种散射光谱。光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射.弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分,非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分,统称为拉曼效应。拉曼效应是光子与光学支声子相互作用的结果。
拉曼光谱－原理 拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了拉曼效应:
c.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。
.24H-SiC
图4为橙色区域（纵切片上边缘的三角形区域）SiC晶体的显微拉曼光谱图。分析得到各拉曼峰对应的声子模及其简约波矢、对称性分别为：205.8cm-1（FTA，x=0.5，E2），267.1cm-1（FTA，x=1，E1）；612.0cm-1（FLA，x=1，A1）；778.8cm-1（FTO，x=0.5，E2），796.3cm-1（FTO，x=0，E1）；970.0cm-1（LOPC模）。4H-SiC的六方百分比为0.5。简约波矢x=0.5的FTA模（205.8cm-1）和FTO模（778.8cm-1）的强度分别大于其它简约波矢的FTA和FTO模的强度，且其它拉曼峰也与4H-SiC的文献报道值[5]相符，可以判断橙色区域为4H-SiC。值得注意的是，拉曼光谱中出现了187.5cm-1的拉曼峰，这是由于4H-SiC简约波矢x=0.5的FTA模峰形展宽造成的，说明4H-SiC的结晶质量一般[5]。实验测得橙色区域4H-SiC的导电类型也为n-型，说明载流子主要为自由电子。970.0cm-1的拉曼峰为4H-SiC的LOPC模，与本征4H-SiC的FLO模（964.0cm-1，x=0，A1）[Байду номын сангаас]相比较，其拉曼位移值仅仅增大了6.0cm-1；且LOPC模的强度仍可与778.8cm-1（FTO，x=0.5）的强度相比拟，这说明橙色区域4H-SiC晶体中的载流子（主要为自由电子）浓度不高[8]。这说明在掺氮6H-SiC单晶的生长条件下，4H-SiC与6H-SiC的掺氮效应存在明显差异。
拉曼光谱
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拉曼光谱的应用
同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，C≡C产生强 拉曼谱带，随单键→双键→三键谱带强度增加。 红外光谱中，由C≡N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱 带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱 带。
环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。
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拉曼光谱的应用
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拉曼光谱仪使用注意事项
测量前要按照先开硬件再开软件的原则开机，以免 造成开机后的软件报错； 开机完成后，测量前需先进行单晶硅的测量，从而 对仪器进行矫正； 测量聚焦过程中要防止样品碰到物镜，以免造成物 镜损坏或污染； 测量完成后关机，关机顺序与开机相反，为先软件 后硬件的原则。同时务必保证激光器的关闭，以免 影响激光器寿命或发生火灾。
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拉曼光谱在高分子中的应用
Liem等利用共焦显微拉曼光谱和极化拉曼光谱研究 了聚苯乙烯（PS）薄膜（50~180nm）的玻璃化转 变温度，研究表明当PS薄膜越薄，其玻璃化转变温 度越低，当厚度超过90nm时，其玻璃化转变温度与 本体聚合物相一致，这一测量结果与布里渊散射法 和椭圆偏光仪法一致.
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拉曼光谱在高分子中的应用
研究聚合物链的构象结构； 研究聚合物的玻璃化转变和结晶； 研究聚合物的扩散界面； 研究聚合物共混体系的相态结构及其高分子多相体 系的相容性。 研究聚合物溶液的相转变。
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拉曼光谱在高分子中的应用
高分子聚合物可以分为两大类———非晶聚合物和 结晶聚合物。对于非晶聚合物，玻璃化转变是一种 普遍现象，在高聚物发生玻璃化转变时，许多物理 性能发生急剧变化。如作为塑料使用的高聚物，当 温度升高至发生玻璃化转变温度以上时，便丧失了 塑料原有的坚固性，变成了橡胶；而作为橡胶使用 的材料，当温度降低至玻璃化转变温度以下时，便 失去橡胶的高弹性，变成硬而脆的塑料。
拉曼光谱
拉曼光谱(RAMAN SPECTRA)的原理（续）
Mid IR Stokes Raman Rayleigh Anti-Stokes Raman Fluorescence
红外 斯托克斯拉曼
瑞利散射 反斯托克斯拉曼
荧光
Real States 真实能级
Virtual State 虚能级
Vibrational States 振动能级 i
的研究员充满吸引力。
拉曼光谱仪的主要厂商及相关仪器
美国PerkinElmer公司的RamanStation 400系列拉曼光 谱仪
全球唯一的运用中阶梯光栅及二维面阵CCD 检测器组合成的二维色散型拉曼光谱仪，集 中了宽波段，高分辨率及检测速度快等特点， 摒弃了传统的获取高分辨率图谱所惯用的多 次测量不同谱带再进行拼接的方法，可在一 秒钟内获取覆盖整个波段的高分辨率拉曼图 谱。 分光系统采用中阶梯光栅技术，不含任何可 移动元件，保证系统的高度稳定性 高灵敏度二维CCD检测器，使得整个波段的 数据同时获取，避免了光谱失真 采用超稳定785nm的激光光源，减弱了荧光 背景的产生。
拉曼光谱(RAMAN SPECTRA)的原理（续）
设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。 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 (Virtual state)，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。
--拉曼光谱简介
反斯托克斯线 h(v0+v1)
(v0+v1)
v=1 hv1
v=0
3
拉曼光谱的基本原理
Raman spectrum of CCl4
处于基态的分子总是占绝大多数，所以斯托克斯线强度远远高于反斯托克斯线 强度。斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比可用这样一个式子表示：
I反斯托克斯
/ I斯托克斯
(0 (0
Raman Intensity
Over-The-Counter Tablet, 785 laser
0
3000
2500
2000
1500
1000
500
Raman shift (cm-1)
31
Highly fluorescent sample:Poly(9-vinylcarbazole)
32
镜头的选择
FT-IR Transmission Spectrum
80 60 40 20
4 Raman Spectrum
3 2 1
4000
3000
2000
1000
9
项目
红外光谱
拉曼光谱
分子结构与光 谱活性
分子结构测定 范围
测试对象与品 种
极性分子及基团通常是红 非极性分子及基团通常是
外活性的
拉曼活性的
适于分子端基的测定
50 0 -0
Hale Waihona Puke 1 4001 200
1 000 cm-1
8 00
6 00
30 25 20 15 10 5 0
24
10 micron depth
Raman Intensity
17 micron depth
拉曼光谱的原理
拉曼光谱的原理
拉曼光谱是一种分析技术，基于拉曼散射现象来研究物质的结构和成分。
拉曼散射是当光线通过物质时，部分光子与物质中分子的振动能级相互作用后发生频率变化而散射的现象。
在拉曼光谱实验中，使用一束单色光照射样品，样品会散射出经过物质的频率改变而产生的拉曼散射光。
拉曼散射光中既包含与入射光具有相同频率的斯托克斯线，也包含频率降低的反斯托克斯线。
这些拉曼光经过光谱仪分离成光谱，然后通过光电倍增管转化成电信号，最后通过信号采集与处理得到拉曼光谱。
拉曼光谱中的拉曼峰对应着样品中不同的化学成分或者结构，可以通过测量峰的位置、强度和宽度等参数来对样品进行分析和确定物质的结构。
拉曼光谱具有非常高的灵敏度和选择性，能够分析无机物、有机物，甚至水、气体等不同形态的物质。
拉曼光谱的应用非常广泛，例如在化学、生物、材料、环境等领域都有重要的应用。
它可以用于材料表征、药物分析、生物分子结构研究、环境污染监测等方面。
同时，由于拉曼光谱无需特殊处理样品，且可实现无损分析，因此在实际应用中具有很大的优势。
综上所述，拉曼光谱是一种基于拉曼散射现象的分析技术，通过测量样品中散射光的频率变化来研究物质的结构和成分。
其原理简单而灵敏，广泛应用于各个领域。
拉 曼 光 谱
拉曼光谱1.1 引言拉曼光谱和红外光谱都反映了分子振动的信息，但其原理却有很大差别：红外光谱是吸收光谱，而拉曼光谱是散射光谱。
红外光谱的信息是从分子对入射电磁波的吸收得到的，而拉曼光谱的信息是从入射光与散射光频率的差别得到的。
拉曼光谱的突出优点是可以很容易地测量含水的样品，而且拉曼散射光可以在紫外和可见光波段量测。
由于紫外光和可见光能量很强，因此其量测比红外波段要容易和优越得多。
拉曼光谱得名于印度物理学家拉曼(Raman)。
1928年，拉曼首先从实验观察到单色的入射光投射到物质中后产生的散射，通过对散射光进行谱分析，首先发现散射光除了含有与入射光相同频率的光外，还包含有与入射光频率不同的光。
以后人们将这种散射光与入射光频率不同的现象称为拉曼散射。
拉曼因此获得诺贝尔奖。
当一束入射光通过样品时，在各个方向上都发生散射。
拉曼光谱仪收集和检测与入射光成直角的散射光。
由于收集和检测的散射光强度非常低，因此拉曼光谱的应用和发展受到很大限制。
六十年代激光开始广泛应用，拉曼光谱仪以激光作光源，光的单色性和强度都大大提高，拉曼散射仪的信号强度因而大大提高，拉曼光谱技术得以迅速发展，应用领域遍及物理，材料，化学，生物等学科，并已成为光谱学的一个分支−拉曼光谱学。
2.1拉曼光谱原理2.1.1光的散射入射光通过样品后，除了被吸收的光之外，大部分沿入射方向穿过样品，一小部分光则改变方向，发生散射。
一部分散射光的波长与入射光波长相同，这种散射称为瑞利散射(Rayleigh scattering)。
1899年，瑞利从实验中得出结论：晴天时天空呈兰色的原因是大气分子对阳光的散射。
瑞利还证实：散射光的强度与波长的四次方成反比。
这就是瑞利散射定律。
由于组成白光的各种颜色的光中，兰光的波长最短，因而散射光强度最大。
天空因而呈现兰色。
瑞利当时并没有考虑到散射光的频率变化。
他认为散射光与入射光的频率是相同的。
所以后来把与入射光波长相同的散射称为瑞利散射，而把波长与入射光不同的散射称为拉曼散射。
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激光拉曼光谱
[实验目的]
1、学习使用光谱测量中常用的仪器设备；
2、测量4CCl （液体）的拉曼光谱；
3、学习简单而常用的光谱处理方法，并对4CCl 的拉曼光谱进行处理，求出4CCl 的主要拉曼线的拉曼位移。
[拉曼光谱基本原理]
1、 现象
频率0v 的单色辐射入射到透明气体、液体或光学上完整透明的固体上时，大部分辐射无改变地透过，还有一部分受到散射。
其中将出现频率为0m v v ±的辐射对。
这种辐射频率发生改变的散射成为拉曼（Raman ）散射；还有辐射频率不发生改变的散射称为瑞利散射。
一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱，即0v 和0m v v ±合起来构成拉曼光谱。
0v 称为瑞利线，0m v v ±称为拉曼线，m v 称为拉曼位移。
且频率为0m v v -的拉曼线称为斯托克斯线，频率为0m v v +的拉曼线称为反斯托克斯线。
瑞利散射的强度通常约为入射辐射强度的310-，强的拉曼散射的强度一般约为瑞利散射强度的310-，
2、 解释
对拉曼散射的完整理论解释是非常复杂的，限于篇幅这里不作介绍，请大家参看附后的有关参考书。
下面用一个简单模型——散射系统与入射辐射之间的能量交换模型对其加以解释。
设散射系统有两个能级1E 、2E ，且有21E E >，210E E hv ->。
由于入射辐射的相互作用，系统可以从低能级1E 跃迁到高能级2E ，这是必须要从入射辐射中获得所需能量21E E E ∆=-。
这个过程可以认为是系统吸收一个能量为0hv 的入射光子，从1E 能级跃迁到某一更高能级（通常散射系统并没有这样一个能级，所
以称其为虚能级），然后，放出一个能量为0hv E -∆的散射光子而跃迁到2E 能级。
此时，散射光子的频率可表述为：
000m hv E E v v v v h h -∆∆=
=-=- 另一方面，如果散射系统处于激发能级2E ，由于相互作用的存在，它可以从高能级2E 跃迁到低能级1E 。
此时系统必须把能量21E E E ∆=-交给入射辐射。
同样这一过程可认为是系统吸收一个能量为0hv 的入射光子。
从2E 能级跃迁到某一高的虚能级，然后以放出一个能量为0hv E +∆的散射光子而跃迁到1E 能级。
此时，散射光子的频率可表述为：
000m hv E E v v v v h h
+∆∆==+=+ 以上的描述可用图1来直观表示。
拉曼散射所涉及到得能级1E 、2E ，一般为散射系统的振动、转动能级（对于分子系统而言），或为晶格振动能级（对于晶体而言）。
即拉曼位移m v 通常对应系统的振动、转动频率或晶体振动频率。
[实验装置]
拉曼光谱实验系统一般由单色激发光源、样品室、色散系统和探测记录装置等组成。
本实验采用苏州大学生产的SD-RI 型小型拉曼光谱仪。
整个实验装置如图2所示。
下面分别加以介绍。
1、 激发光源
激发拉曼光谱的光源，最主要的是要具有高单色性，并能在样品上给出高辐照度。
本实验采用He Ne 激光器作为单色光源。
其输出激光的波长为6328A 。
它的使用比较简单，打开电源，调节电流至所需值（一般约为12mA ）即可。
2、 样品室
前面已介绍过，拉曼散射的强度比较弱。
为了有效的进行测量，样品室必须仔细设计。
样品时要考虑使激发光以最有效的方式照射样品，并要尽可能地收集散射光。
本实验所用的样品室（见图2），由两个凹面反射镜1M 、2M 和两个凸透镜1L 、2L 组成。
这里1L 的作用是对入射激发光进行聚焦以提高激发强度，1M 的作用在于把透过样品的激发光反射回样品再次利用以进一步提高激发强度；2L 、2M 用于收集散射光。
其中2L 把向着色散系统——单色仪方向散射的光聚集
起来送入单色仪，2M 把背着单色仪方向散射的光反射回来，通过2L 的聚焦送入单色仪。
具体实验中，对样品装置的调整以使得各光学元件达到最佳位置是一件非常困难的事，这也是本实验最关键的一步，样品装置是否能调整好直接关系着实验的成败！
3、色散系统
对色散系统的选择，主要决定于所用激发光源的波长和所研究样品的拉曼位移的大小。
目前一般采用以光栅作为色散元件的单色仪。
又是为了提高光谱信号的信噪比，将两台单色仪串接起来使用，这称为双联单色仪或双光栅单色仪。
本实验所选选用的是一台小型光栅单色仪，如图3所示。
它所用的色散元件是一个凹面光栅。
当光栅G 绕其轴转动时，由于光栅的衍射效应，出射狭缝2S 处所对应饿波长也随之变化，从而使探测系统测得入射辐射中不同步长成分的强度——即得到入射辐射的光谱。
光栅G 由一个步进电机及相应的机械系统驱动。
步进电机由一个控制器——凹面光栅单色仪控制器控制。
使用时通过控制器面板上的指轮开关设置好波长范围后，把选择开关拨向“工作”档即可。
4、探测记录装置 光谱测量中一般选择光电倍增管作探测器。
本装置采用华东电子管场生产的GDB-510型光电倍增管。
从光电倍增管出来的信号一般是比较弱的，需要经过放大才能送给记录装置，本实验采用光子计数器作为放大器。
光子计数器是通过对光电倍增管来的电脉冲进行累积计数而达到放大作用的。
经过放大的信号送到记
录装置——X-T 记录仪，从而记下所测光谱。
[实验内容]
1、 用瑞利线校正单色仪读数（注意避免瑞利线直接进入系统）。
2、 画出4CCl （液体）在600660nm -范围内的拉曼光谱，并精确标定谱峰位置。
3、 求出上述范围内的拉曼位移（用1cm -表示）。
4、 拉曼谱线的偏振特性（选做）。
[实验步骤及注意事项]
全部实验步骤自己拟定，必要时可与教员讨论。
总的要求：
1、 结合实物进一步熟悉各仪器设备的具体操作；
2、 结合实验要求及各仪器的具体条件，考虑实验中各仪器应设置的工作状态；
3、 结合上述两部分的考虑，拟定具体的实验操作步骤，经教员认可后方可进行正式实验。
本实验中有几件事项要特别注意：
1、 实验中眼睛不能正对着任何激光束！
2、 光电倍增管接上高电压后，绝对不能曝光，以免烧毁光电倍增管。
[思考题]
1、 要使光线改变90度，除了本实验中的平面反射镜外，还可用什么光学元件？并作一比较。
2、 光栅光谱和棱镜光谱各有什么特点？光栅和棱镜哪个分辨率高？它们的分辨本领与波长的关系怎样？
[参考书]
1、G.Turrell.Infrared and Raman Spectra of Crystals. Academic Press. New York.1972.
2、P .A.Long.Raman spectroscopy (中译本)
3、ser Handbook(中译本)。