拉曼光谱原理和图解.
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最终版表面增强拉曼光谱分析原理及应用.ppt
演示课件
3、拉曼光谱仪器
激光Raman光谱仪 激光光源： A、He-Ne激光器， 波长632.8nm B、Ar激光器 波长514.5nm
488.0nm
演示课件
傅里叶变换-Raman光谱仪 光源：Nd-YAG钇铝石 榴石激光器 （λ=1064nm）
演示课件
3.1 仪器结构
1、激光光源
根据所用的材料不同大致可把激光器分为气 体激光器、固体激光器、半导体激光器和燃料激 光器等四大类。气体激光器的类型最多，在拉曼 光谱仪中的应用也最广泛。它包括原子气体激光 器、离子气体激光器、分子气体激光器以及准分 子激光器。固体激光器主要有红宝石激光器、掺 钕的钇铝石榴石（YAG）激光器、掺钕的玻璃激 光器等。这类激光器的特点是输出功率高，并且 体积小又很坚固。其YAG激光器是一种比较有用 的固体激光器，其激光波长为1064nm。半导体激 光器在所有的激光器中是效率最高、体积最小的 一种激光器。
1930年42岁的Raman为此获得了诺贝尔物理 学奖,这是亚洲人获得的第一个诺贝尔科学 奖。
演示课件
2.2拉曼光谱基本原理
拉曼光谱是单色光束入射光的光子与 分子发生非弹性散射的结果。在非弹 性碰撞过程中，光子与分子之间发生 能量交换，光子不仅改变运动方向， 同时光子的一部分能量传递给分子， 或分子的振动和转动能量传递给光子 ，从而改变了光子的频率，这种散射 过程称为拉曼散射。
演示课件
4.2 SERS基本原理
SERS效应可以使拉曼信号得到高达几 个数量级的增强,通常是增强来自分子的信 号。SERS中信号的增强主要来自于光与金 属之间的电磁作用。这种作用会通过等离 子体共振激发使得激光场得到极大的增强 。要产生这一现象,分子必须吸附在或者非 常接近金属表面(通常最大约为10nm)。 SERS的命名,能很好的总结这一效应的要点:
3、拉曼光谱仪器
激光Raman光谱仪 激光光源： A、He-Ne激光器， 波长632.8nm B、Ar激光器 波长514.5nm
488.0nm
演示课件
傅里叶变换-Raman光谱仪 光源：Nd-YAG钇铝石 榴石激光器 （λ=1064nm）
演示课件
3.1 仪器结构
1、激光光源
根据所用的材料不同大致可把激光器分为气 体激光器、固体激光器、半导体激光器和燃料激 光器等四大类。气体激光器的类型最多，在拉曼 光谱仪中的应用也最广泛。它包括原子气体激光 器、离子气体激光器、分子气体激光器以及准分 子激光器。固体激光器主要有红宝石激光器、掺 钕的钇铝石榴石（YAG）激光器、掺钕的玻璃激 光器等。这类激光器的特点是输出功率高，并且 体积小又很坚固。其YAG激光器是一种比较有用 的固体激光器，其激光波长为1064nm。半导体激 光器在所有的激光器中是效率最高、体积最小的 一种激光器。
1930年42岁的Raman为此获得了诺贝尔物理 学奖,这是亚洲人获得的第一个诺贝尔科学 奖。
演示课件
2.2拉曼光谱基本原理
拉曼光谱是单色光束入射光的光子与 分子发生非弹性散射的结果。在非弹 性碰撞过程中，光子与分子之间发生 能量交换，光子不仅改变运动方向， 同时光子的一部分能量传递给分子， 或分子的振动和转动能量传递给光子 ，从而改变了光子的频率，这种散射 过程称为拉曼散射。
演示课件
4.2 SERS基本原理
SERS效应可以使拉曼信号得到高达几 个数量级的增强,通常是增强来自分子的信 号。SERS中信号的增强主要来自于光与金 属之间的电磁作用。这种作用会通过等离 子体共振激发使得激光场得到极大的增强 。要产生这一现象,分子必须吸附在或者非 常接近金属表面(通常最大约为10nm)。 SERS的命名,能很好的总结这一效应的要点:
拉曼光谱课件
总结词
利用拉曼光谱分析大气中的有害物质，如二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等，有助于监测和治理空气 污染。
详细描述
拉曼光谱能够检测大气中不同污染物的分子振动模式，从而确定污染物的种类和浓度。这种方法具有 非接触、无损、快速和高灵敏度的特点，对于大气污染的预防和治理具有重要意义。
水体污染物的拉曼光谱分析
总结词
拉曼光谱技术可用于检测水体中的有害物质，如重金属离子、有机污染物等，为水环境 的监测和治理提供有力支持。
详细描述
通过对水体样本进行拉曼光谱扫描，可以获取水中污染物的分子振动信息，从而判断污 染物的种类和浓度。这种方法在水质监测、饮用水安全等领域具有广泛的应用前景。
土壤污染物的拉曼光谱分析
总结词
用于分离拉曼散射信号中的不 同波长成分。
光电倍增管
用于检测拉曼散射信号，转换 为电信号。
实验操作流程
显微镜观察
使用显微镜观察样品，选择测 量区域和焦点。
数据采集
采集拉曼散射信号，记录光谱 数据。
样品准备
选择适当的样品，进行表面清 洁和干燥。
光路调整
调整拉曼光谱仪、单色仪和显 微镜的光路，确保测量区域的 聚焦。
与生物学和医学交叉
拓展拉曼光谱在生物分子结构和细胞代谢过程 中的应用。
与计算科学交叉
利用计算模拟方法预测分子拉曼光谱，指导实验设计和优化。
THANK YOU
总结词
高分子化合物的拉曼光谱分析主要依赖于链振动和侧基的振动，可以提供高分子化合物的结构和序列信息。
详细描述
拉曼光谱能够检测高分子化合物中主链和侧基的振动模式，从而推断出高分子的结构和序列。通过分析拉曼光谱 ，可以确定高分子化合物的聚合度、序列长度和支链结构等信息。
利用拉曼光谱分析大气中的有害物质，如二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等，有助于监测和治理空气 污染。
详细描述
拉曼光谱能够检测大气中不同污染物的分子振动模式，从而确定污染物的种类和浓度。这种方法具有 非接触、无损、快速和高灵敏度的特点，对于大气污染的预防和治理具有重要意义。
水体污染物的拉曼光谱分析
总结词
拉曼光谱技术可用于检测水体中的有害物质，如重金属离子、有机污染物等，为水环境 的监测和治理提供有力支持。
详细描述
通过对水体样本进行拉曼光谱扫描，可以获取水中污染物的分子振动信息，从而判断污 染物的种类和浓度。这种方法在水质监测、饮用水安全等领域具有广泛的应用前景。
土壤污染物的拉曼光谱分析
总结词
用于分离拉曼散射信号中的不 同波长成分。
光电倍增管
用于检测拉曼散射信号，转换 为电信号。
实验操作流程
显微镜观察
使用显微镜观察样品，选择测 量区域和焦点。
数据采集
采集拉曼散射信号，记录光谱 数据。
样品准备
选择适当的样品，进行表面清 洁和干燥。
光路调整
调整拉曼光谱仪、单色仪和显 微镜的光路，确保测量区域的 聚焦。
与生物学和医学交叉
拓展拉曼光谱在生物分子结构和细胞代谢过程 中的应用。
与计算科学交叉
利用计算模拟方法预测分子拉曼光谱，指导实验设计和优化。
THANK YOU
总结词
高分子化合物的拉曼光谱分析主要依赖于链振动和侧基的振动，可以提供高分子化合物的结构和序列信息。
详细描述
拉曼光谱能够检测高分子化合物中主链和侧基的振动模式，从而推断出高分子的结构和序列。通过分析拉曼光谱 ，可以确定高分子化合物的聚合度、序列长度和支链结构等信息。
Raman(拉曼)光谱原理和图解
emission
excitation excit.-vib.
拉曼光谱的优点和特点 Ÿ对样品无接触，无损伤； Ÿ样品无需制备； Ÿ快速分析，鉴别各种材料的特性与结构； Ÿ能适合黑色和含水样品； Ÿ高、低温及高压条件下测量； Ÿ光谱成像快速、简便，分辨率高； Ÿ仪器稳固，体积适中， Ÿ维护成本低，使用简单。
激光功率16级衰减激光扩束扩束器控制键自动化程度高优势自动化程度高?激光光路计算机控制调节存储激光光路的位置激光光路可自动准直激光波长可自动切换等等部件瑞利滤光片自动切换光栅可自动切换狭缝大小可自动调节等等功能共焦与非共焦可自动切换取谱模式与观察样品模式可自动切换自动切换激光的16级衰减模式等等??ccd芯片尺寸的选择最新的显微共焦系统专利技术优势选择了最佳成像质量的ccd芯片尺寸为什么renishaw可以选择小尺寸芯片
高灵敏度
优势 1. 高灵敏度：
Ÿ 灵敏度远高于其它同类拉曼谱仪 检验标准：硅三阶峰（约在1440 cm-1）的信噪比≧10:1，检测 条件为：激光输出功率20mW，波长514.5nm，狭缝宽度50微米 ，曝光时间60秒，累加次数5次，binning为1或2，光栅为1800刻 线。显微镜头为 X50常规镜头。
200
0 15000 14800 14600 14400 14200 14000
Wavenum ber (cm -1)
光栅转动重复性实验
高重复性、高稳定性
.05 0 -.05 0 50 100 150 200 250 Minutes 300 350 400 450
光栅转动重复性实验
Arbitrary Y
拉曼测量的是什么？
Mid IR 红外
Real States 真实能级 Virtual State 虚能级
excitation excit.-vib.
拉曼光谱的优点和特点 Ÿ对样品无接触，无损伤； Ÿ样品无需制备； Ÿ快速分析，鉴别各种材料的特性与结构； Ÿ能适合黑色和含水样品； Ÿ高、低温及高压条件下测量； Ÿ光谱成像快速、简便，分辨率高； Ÿ仪器稳固，体积适中， Ÿ维护成本低，使用简单。
激光功率16级衰减激光扩束扩束器控制键自动化程度高优势自动化程度高?激光光路计算机控制调节存储激光光路的位置激光光路可自动准直激光波长可自动切换等等部件瑞利滤光片自动切换光栅可自动切换狭缝大小可自动调节等等功能共焦与非共焦可自动切换取谱模式与观察样品模式可自动切换自动切换激光的16级衰减模式等等??ccd芯片尺寸的选择最新的显微共焦系统专利技术优势选择了最佳成像质量的ccd芯片尺寸为什么renishaw可以选择小尺寸芯片
高灵敏度
优势 1. 高灵敏度：
Ÿ 灵敏度远高于其它同类拉曼谱仪 检验标准：硅三阶峰（约在1440 cm-1）的信噪比≧10:1，检测 条件为：激光输出功率20mW，波长514.5nm，狭缝宽度50微米 ，曝光时间60秒，累加次数5次，binning为1或2，光栅为1800刻 线。显微镜头为 X50常规镜头。
200
0 15000 14800 14600 14400 14200 14000
Wavenum ber (cm -1)
光栅转动重复性实验
高重复性、高稳定性
.05 0 -.05 0 50 100 150 200 250 Minutes 300 350 400 450
光栅转动重复性实验
Arbitrary Y
拉曼测量的是什么？
Mid IR 红外
Real States 真实能级 Virtual State 虚能级
红外光谱第六讲拉曼光谱
E1 + h0
E0 + h0 h0
h0 h0
h0 +
E1
V=1
E0
V=0
h
Rayleigh散射
Rayleigh散射：
Raman散射
弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；
Raman散射：
非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；
E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态.
2024/1/30
20
拉曼光谱与红外光谱的关系
同
同属分子振(转)动光谱
异 红：外红：外适用于分研子究对不同红原外子光的极的性吸键收振动 －O强H,度－由C分＝子O，偶－极C距－决X定
异 拉：曼拉：曼适用于分研子究对同原激子光的的非极散性射键振动
－N－强N度－由, 分－子C－极C化－率决定
互补
2024/1/30
2024/1/30
10
CCl4的拉曼光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
Δν/cm-1
2024/1/30
11
CCl4的拉曼光谱
10000
便携式仪器实测图
456
8000
仅测出Stocks线
311
6000
4000
217
相对强度
2000
拉曼光谱
一、概 述 二、原 理 三、仪 器 四、发 展 五、应 用
2024/1/30
1
一、概述
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。
拉曼光谱
适合黑色和含水样品 高、低温测量
局限：不适于有荧光产生的样品 解决方案：改变激光的激发波长，尝试 FT-Raman光谱仪
Raman光谱可获得的信息
Raman 特征频率
材料的组成
MoS2, MoO3
Raman 谱峰的改变
Raman 偏振峰
加压/拉伸状态
晶体的对称性和 取向
每1%的应变，Si产生1 cm-1 Raman 位移
（3）激光是偏振光，测量偏振度比较容易。
试验设备和实验技术
2. 制样技术及放置方式
激光拉曼散射光谱法
拉曼实验用的样品主要是溶液（以水溶液为主），固体（包括纤维）。
为了有效收集从小体积
发出的拉曼辐射，多采 用一个90度（较通常） 或180度的试样光学系 统。
多重反射槽
各种形态样品在拉曼光谱仪中放置方法
激光拉曼光谱
当波数为νo的单色光入射到介质上时，除了被介质吸 收、反射和透射外，总会有一部分光被散射。按散射光 相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为三类： 第一类，波数基本不变或变化小于10-5cm-1，称为瑞利 散射 第二类，波数变化大约为0.1cm-1，称为布里渊散射 第三类，波数变化大于lcm-1的散射，称为拉曼散射 从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射光最弱 拉曼散射现象是印度物理学家拉曼(C.V.Raman)1928年 发现
• 由Stokes、反Stokes线的强度比可以测定样品体系的温 度。 显微拉曼的空间分辨率很高，为1mm。 时间 分辨测定可以跟踪10-12s量级的动态反应过程。
• 利用共振拉曼、表面增强拉曼可以提高测定灵敏度。 不足之处：激光光源可能破坏样品；荧光性样品测定一 般不适用，需改用近红外激光激发等等。
局限：不适于有荧光产生的样品 解决方案：改变激光的激发波长，尝试 FT-Raman光谱仪
Raman光谱可获得的信息
Raman 特征频率
材料的组成
MoS2, MoO3
Raman 谱峰的改变
Raman 偏振峰
加压/拉伸状态
晶体的对称性和 取向
每1%的应变，Si产生1 cm-1 Raman 位移
（3）激光是偏振光，测量偏振度比较容易。
试验设备和实验技术
2. 制样技术及放置方式
激光拉曼散射光谱法
拉曼实验用的样品主要是溶液（以水溶液为主），固体（包括纤维）。
为了有效收集从小体积
发出的拉曼辐射，多采 用一个90度（较通常） 或180度的试样光学系 统。
多重反射槽
各种形态样品在拉曼光谱仪中放置方法
激光拉曼光谱
当波数为νo的单色光入射到介质上时，除了被介质吸 收、反射和透射外，总会有一部分光被散射。按散射光 相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为三类： 第一类，波数基本不变或变化小于10-5cm-1，称为瑞利 散射 第二类，波数变化大约为0.1cm-1，称为布里渊散射 第三类，波数变化大于lcm-1的散射，称为拉曼散射 从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射光最弱 拉曼散射现象是印度物理学家拉曼(C.V.Raman)1928年 发现
• 由Stokes、反Stokes线的强度比可以测定样品体系的温 度。 显微拉曼的空间分辨率很高，为1mm。 时间 分辨测定可以跟踪10-12s量级的动态反应过程。
• 利用共振拉曼、表面增强拉曼可以提高测定灵敏度。 不足之处：激光光源可能破坏样品；荧光性样品测定一 般不适用，需改用近红外激光激发等等。
拉曼光谱原理及应用_图文
二. 拉曼(Raman)光谱基本原理
拉曼光谱是研究分 子和光相互作用的 散射光的频率
散射光
入射光
透射光
散射是光子与分子发生碰撞的结果
Rayleigh散射： 弹性碰撞；无
能量交换，仅改 变方向； Raman散射：
非弹性碰撞； 方向改变且有能 量交换；
激发虚态
h(0 - )
E1 + h0
E0 + h0 h0
波数表示
。其中 和 分别为
Stokes位移和入射光波数。纵坐标为拉曼光强。
由于拉曼位移与激发光无关，一般仅用Stokes位
移部分。对发荧光的分子，有时用反Stokes位移
。
Intensity (A.U.)
20000 15000 10000
5000
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
甲醇vs. 乙醇
CH3OH vs. CH3CH2OH
高分子材料鉴定
Nylon6 尼龙 Kevlar 合成纤维 Pstyrene 聚苯乙烯
PET Paper 纸纤维 Ppropylene丙烯
PE/EVA 聚乙烯
生物分子鉴定
拉曼光谱法对于蛋白质中 的酪胺酸可以测出它是埋 藏在內或暴露于外。如果 酪胺酸是被埋藏在內部， 則它可做为强的氢键供给 者（即提供氢原子給临近 的氢鍵接受者）。此时拉 曼光谱上850cm-1/830cm-1 的比值为0.5，即830cm-1的 光谱峰较高。 反之，若酪胺酸暴露在蛋 白质外部，則比值将升高 ，亦即850cm-1的光谱峰较 高。
从图中可以看出，不同的碳材料其拉曼光谱不同 ，因此可以彼此区分。
海洛因
罂粟碱
如果毒品种混有其他白色粉末，怎么办？
五. 拉曼光谱与红外光谱分析方法比较
干货全方位看懂拉曼光谱
⼲货全⽅位看懂拉曼光谱拉曼光谱（Raman spectra）以印度科学家C.V.拉曼（Raman）命名，是⼀种分⼦结构检测⼿段。
拉曼光谱是散射光谱，通过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。
以横坐标表⽰拉曼频移，纵坐标表⽰拉曼光强，与红外光谱互补，可⽤来分析分⼦间键能的相关信息。
图1：印度科学家拉曼⼀、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。
拉曼效应是光⼦与光学⽀声⼦相互作⽤的结果。
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。
图2：拉曼散射⽰意图物质与光的相对作⽤分为三种：反射，散射和透射。
根据这三种情况，衍⽣出相对应的光谱检测⽅法：发射光谱（原⼦发射光谱（AES）、原⼦荧光光谱（AFS）、X射线荧光光谱法（XFS）、分⼦荧光光谱法（MFS）等），吸收光谱（紫外－可见光法（UV-Vis）、原⼦吸收光谱（AAS）、红外观光谱（IR）、核磁共振（NMR）等），联合散射光谱（拉曼散射光谱（Raman））。
拉曼光谱应运⽽⽣。
相对作⽤光谱类型实际应⽤反射发射光谱原⼦发射光谱（AES）、原⼦荧光光谱（AFS）、X射线荧光光谱法（XFS）、分⼦荧光光谱法（MFS）散射吸收光谱紫外－可见光法（UV-Vis）、原⼦吸收光谱（AAS）、红外观光谱（IR）、核磁共振（NMR）透射联合散射光谱拉曼散射光谱（Raman）表1：光谱种类区分表拉曼频移（Raman shift）：拉曼光谱的横坐标称作拉曼频移。
拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，通常的拉曼实验检测到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的频率之差值称拉曼频移（Raman shift）：Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光频率与激发光频之差。
【2024版】拉曼光谱分析法--ppt课件
优 滤光片组
检测系统
Nd-YAG激光光源
点 ➢ 荧光背景出现机会小
➢ 分辨率高 ➢ 波数精度和重现性好 ➢扫描快，操作方便 ➢近红外光的特性（光纤维中传递性能好、可穿透生物组织）
PPT课件
29
✓近红 外激光 光源
Nd-YAG激光器代替可见光激光器； 产生1.064μm近红外激发光，比可见光 长约1倍，影响信噪比，FT技术克服； 激发光能量低于荧光所需阈值。
e
e
e
e
温度升高 概率大！
3振 电
2动 子
1 0
能 级
基 态
e e
Rayleigh 散射 PPT课件
Raman 散射 8
2、 拉曼光谱图
CCl4的散射光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
PPT课Δ件ν/cm-1
9
CCl4的拉曼光谱
适用于分子结构分析
PPT课件
11
3、拉曼光谱与分子极化率的关系 拉曼活性取决于振动中极化率是否变化。
若分子在电场E（光波的电磁场）中，产生诱导偶极距μ
μ ＝ αE α为极化率
反映了分子中电子云 变形的难易程度
分子极化率是诱导偶极矩与外电场的强度之比
分子中两原子距离最大时，α也最大
拉曼散射强度与极化率成正比例关系
➢干涉滤光片组，由折射率高低不同 的多层材料交替组合而成。
✓检测器
➢室温下的铟鎵砷检测器 ➢液氮冷却的锗检测器
PPT课件
31
三、激光显微拉曼光谱仪
使入射激光通过显微镜聚焦到试样的微小部位 （直径小至5 μm ），可精确获取所照射部位的拉 曼光谱图。 ➢ 共焦显微激光拉曼光谱仪（使用CCD检测器）： 显微镜的物镜和目镜的焦点重合于一点，排除了非 焦点处组分对成像的影响，可显示微区的不同深度 和三维结构信息。 ➢ 激光拉曼光纤探针：光导纤维传感技术与显微镜 耦合而成，可对远距离、特殊环境中试样的拉曼散 射进行原位遥感探测。