Raman 拉曼光谱原理及应用
激光共聚焦拉曼光谱仪(raman)的工作原理及应用优势
激光共聚焦拉曼光谱仪(raman)的工作原理及应用优势
激光共聚焦拉曼光谱仪（Raman spectroscopy）利用拉曼散射现象来获得样品的信息。
其工作原理如下：
激光激发：激光光源照射在样品上，激发样品中的分子振动和转动。
拉曼散射：样品中的分子在受到激光激发后，会发生拉曼散射。
在这个过程中，一部分光子的能量被转移给样品分子，使得散射光子的能量发生改变，这种能量变化对应于样品分子的振动和转动能级差。
光谱测量：拉曼散射光子的能量变化被测量，生成拉曼光谱。
这个光谱提供了关于样品分子的结构、化学成分、晶体结构等信息。
激光共聚焦拉曼光谱仪的应用优势包括：
非破坏性分析：拉曼光谱是一种非破坏性的分析技术，可以直接对样品进行测试而无需破坏样品。
高灵敏度：拉曼光谱可以检测到样品中的微量成分，具有很高的灵敏度。
高空间分辨率：激光共聚焦技术结合在一起，可以提供高空间分辨率的拉曼光谱图像，对微区域样品的分析提供了可能。
无需或简化样品准备：拉曼光谱不需要复杂的样品准备过程，对样品的要求相对较低，可以节省时间和成本。
多领域应用：拉曼光谱在材料科学、药物研发、生命科学、环境监测等领域都有广泛应用，可以用于分析固体、液体、气体等不同类型的样品。
总的来说，激光共聚焦拉曼光谱仪因其非破坏性、高灵敏度、高空间分辨率等优势，在科学研究和工业领域具有重要的应用价值。
第八讲分子振动光谱之拉曼Raman.PPT
（五）拉曼光谱图常规分析方法
➢ 凡不引起分子偶极矩改变的振动是非红外活
性的振动，不能形成振动吸收，使红外光谱 的应用受到一定程度的限制。
➢ 但是这些红外非活性的振动信息可以通过拉
曼光谱来获得。故拉曼光谱常作为红外光谱 分析的补充技术，俗称“姐妹光谱”。
拉曼散射是与入射光电场E所引起的分子极化的
诱导偶极矩有关。
拉曼散射的发生必须在有相应极化率α的变化
时才能实现，这是和红外光谱所不同的。 在红外光谱中检测不出的谱线，可以在拉曼光
谱中得到，使得两种光谱成相互补充的谱线。
在激光拉曼光谱中有一个重要参数即退偏振
比ρ（也可称为去偏振度）。 退偏振比ρ对确定分子的对称性很有用。 退偏振比ρ定义为：
的跃迁能级有关的频率是ν1，那么分子从低能级 跃到高能级从入射光中得到的能量为hν1，而散 射光子的能量要降低到hν0-hν1，频率降低为ν0ν1。
（2）分子处于振动的激发态上，并且在与光
子相碰时可以把hν1的能量传给光子，形成一条能 量为hν0+hν1和频率为ν0+ν1的谱线。
➢通常把低于入射光频的散射线ν0-ν1称为斯托克斯
此外，络合物中金属-配位体键的振动频率一 般都在100~700 cm-1以范围内，用红外光谱研究比 较困难。然而这些键的振动常具有拉曼活性，且在 上述范围内的拉曼谱带易于观测，因此适合于对络 合物的组成、结构和稳定性等方面进行研究。
图 各种碳材料的拉曼光谱
傅里叶变换拉曼光谱是陶瓷工业中快速而有效的 测量技术。陶瓷工业中常用原料如高岭土、多水高岭 土、地开石和珍珠陶土，它们都有各自的特征谱带， 而且拉曼光谱比红外光谱更具特征性。
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。
拉曼光谱原理及应用
拉曼光谱原理及应用一、拉曼光谱原理拉曼光谱其实是一种很神奇的东西呢。
简单来说呀，当光照射到分子上的时候，会发生散射现象。
大多数的散射光和入射光的频率是一样的，这叫瑞利散射。
但是有一小部分的散射光，它的频率会发生变化，这个就是拉曼散射啦。
这是因为分子在光的作用下发生了振动，导致能量有了变化，从而让散射光的频率变了呢。
分子的不同振动模式就对应着不同的拉曼频率位移，就像每个分子都有自己独特的“指纹”一样。
二、拉曼光谱的应用1. 在化学领域的应用在有机化学里呀，拉曼光谱可以用来确定分子的结构。
比如说有一个新合成的有机化合物，科学家们就可以用拉曼光谱来看看它的化学键啊，官能团之类的。
因为不同的官能团会有不同的拉曼峰位，就像不同的人有不同的身份证号一样准确。
在无机化学中，它能帮助研究无机化合物的晶体结构。
像研究一些金属氧化物，拉曼光谱就能告诉我们这些氧化物里原子的排列方式，是不是很厉害呢？2. 在材料科学中的应用对于新材料的研发，拉曼光谱可是个得力助手。
比如说研究石墨烯这种超级厉害的材料，拉曼光谱可以检测它的层数。
层数不同，拉曼光谱的特征峰就会不一样哦。
在检测材料的应力和应变方面也很有用。
当材料受到外力作用的时候，它的分子结构会发生变化，这种变化就可以通过拉曼光谱反映出来。
就好像材料在向我们诉说它的“委屈”一样。
3. 在生物医学领域的应用在疾病诊断方面有很大的潜力。
比如说检测癌细胞，癌细胞和正常细胞的分子结构是不一样的，拉曼光谱就能捕捉到这种差异，从而帮助医生更早地发现癌症。
在药物研发中也能发挥作用。
可以用来研究药物和生物分子之间的相互作用，就像是在给药物和生物分子之间的“约会”当侦探一样。
4. 在环境科学中的应用检测环境中的污染物。
比如水中的有机污染物，拉曼光谱可以快速地识别出污染物的种类，就像一个超级灵敏的环境卫士。
研究大气中的气溶胶成分。
拉曼光谱能够分析气溶胶里都有哪些物质，这对我们了解大气污染的来源和形成机制是很有帮助的。
《研究生Raman光谱》课件
Raman光谱技术的优势和限制
1 非破坏性分析
Raman光谱不需要处理或破坏样品。
3 样品限制
某些样品可能不适合Raman光谱分析。
2 高灵敏度
能够检测低浓度的化学成分。
总结和展望
Raman光谱是一项有广泛应用前景的分析技术，它在物质结构和化学成分的研究中发挥着重要的作用。未来， 我们可以期待更多的创新和应用。
《研究生Raman光谱》 PPT课件
Raman光谱是一种用于分析物质结构和化学成分的技术。本课件将介绍Raman 光谱的历史、原理、仪器构成与应用领域，并总结其优势和限制。
什么是Raman光谱
Raman光谱是一种通过观察光通过物质后散射方向的改变来分析物质结构和化学成分的技术。它能够提供非破 坏性分析，对样品形态没有要求。
Raman光谱的历史发展
Raman光谱是由印度物理学家拉曼于1928年发现的，他观察到光在透过物质 后经历频率改变的现象。这项发现为分析物质提供了新的方法。
Raman散射原理
Raman散射是一种光的相互作用过程，当光通过物质时，与分子相互作用， 导致光子的频率和能量发生改变，这种改变被称为拉曼效应。
Raman光谱仪器的构成与原理
1
激光源
产生高能光，激发样品。
光学系统
2
将光聚焦到样品上，并收集散射光。
3
光谱仪Leabharlann 通过光的波长变化来分析样品中的化学 成分。
Raman光谱的应用领域
材料科学
研究材料结构和性质，如纳米材料和功能材料。
药物研究
分析药物的组成和鉴定不纯物质。
环境监测
检测水、空气和土壤中的污染物。
拉曼光谱原理和应用
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精选可编辑ppt
拉曼光谱仪介绍 专家级
JY-T64000：模块式三级拉曼光谱仪系统 生长厂家：法国Horiba Jobin Yvon公司
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精选可编辑ppt
研究级
LabRAM HR (高分辨单级拉曼光谱仪)
统称分子内部运动能。分子光谱产生于分子内部运动状态的改变。
分子有不同的电子能级（ S 0 ，S 1 …），每个电子能级又有不同的振动能级（ V 0 V 1 …）
Slide 2
精选可编辑ppt
拉曼光谱和拉曼效应
而每个振动能级又有不同的转动能级( J 0 , J 1 …). • 一定波长的电磁波作用于被研究物质的分子，引起分子相应能级的跃迁，产生分
如果光子与振动激发态的分子相互作用，被激发到更高的不稳定的能态，当分子 离开不稳定的能态回到振动基态时，散射光的能量等于激发光的能量加上两振动能 级的能量差。即：
E h散 ＝ h激 （ V0 V 1)
此时，
散
，这是拉曼散射的反斯托克斯线。
激
Slide 5精选Biblioteka 编辑ppt拉曼测量的是什么？
Real States 真实能级
光散射 - 瑞利散射
• 设散射物分子原来处于基电子态，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。
拉曼光谱的基本原理和应用
拉曼光谱的基本原理和应用拉曼光谱是物理学中的一种光谱分析技术，由印度物理学家拉曼于1928年首次发明并应用于物质分析领域，被誉为光谱分析技术中的“黄金标准”。
它是一种非破坏性的、非接触的分析方法，通过记录分子或晶格振动产生的光散射谱，来确定样品的化学成分和分子结构等信息。
本文将对拉曼光谱的基本原理和应用进行介绍。
1. 基本原理拉曼散射现象，是指当激发光通过物质后，和物质分子（原子）作用，从而使部分光子散射并改变波长和能量的现象。
其中有经典理论和量子理论两种解释方式。
经典理论认为，当入射光作用于分子时，分子会处于一种较稳定的振动状态（低频振动状态），此时来自光的能量被吸收到分子内部，并在其振动中被存储。
当入射光继续辐照分子时，它将对分子中的电荷作用，使分子从初始振动状态转移到不同的振动状态，从而引起辐射吸收和耗散。
这个过程中，散射出来的光子波长与入射光子波长略有不同，这种现象被称为拉曼散射。
量子理论则通过分子内部电子能级的变化来解释拉曼散射。
当光子入射到分子中时，分子内部的电子受到激发，从一个能量级跃迁到另一个高能级状态。
接着，这些高能态电子再从高能级态回到低能级态时，向周围外沿部分辐射自身的能量，并使辐射光的波长发生变化，形成了拉曼散射光谱。
无论是通过经典理论还是通过量子理论来解释拉曼散射，其实质都是把激发光子的能量转换成分子振动的能量，从而实现对分子结构和物质成分的分析。
2. 应用（1）化学分析拉曼光谱在化学分析领域中得到了广泛应用。
它可以快速、准确地确定化合物的成分和结构，对于分析固态、液态、气态样品均可适用。
例如，在制药领域中，分析拉曼光谱可以帮助研究人员了解样品的物质成分和结构，从而更好地控制生产过程和最终成品的质量。
（2）生化学分析拉曼光谱技术在生命科学、医学、环境保护、食品安全等领域也有广泛应用。
通过对生物分子的拉曼光谱进行分析，可以帮助我们研究生物分子的组成、形态、稳定性、相互作用等信息。
Raman光谱学的原理及应用
Raman光谱学的原理及应用Raman光谱学是一种分析物质结构、成分和状态的重要手段，广泛应用于化学、物理、材料科学、生物医学等领域。
本文将从Raman光谱学的原理、Raman散射过程、仪器及其应用方面进行介绍。
1. Raman光谱学的原理Raman光谱学是基于原子或分子之间的振动引起的散射光的特性来研究物质结构的一种谱学技术。
Raman效应的发现于1928年由印度物理学家拉曼发现，随后被发现的是第二种非弹性散射，称为Raman散射。
Raman光谱学的原理可以简述为：当物质被入射光（通常是激光）照射后，一部分光会散射，并与原有光线的波长有所不同。
若入射的激光波长为λ0，散射的波长为λ，则能够观测到的散射频率为ν=1/λ0 - 1/λ，这种弱的频率变化即为Raman效应。
Raman散射效应的主要来源是分子的振动，其散射光谱与化学键的种类、长度、角度等有关，是一种非常灵敏的分析手段。
由于散射光谱中只包含两个频率（入射光的频率和散射光的频率），非常容易在光谱中找到散射峰，从而可以快速地对样品进行表征和定量分析。
2. Raman散射过程Raman散射是由物质中分子的振动引起的，而分子的振动则是由分子的化学键振动产生的。
当分子被激光照射时，它会吸收激光能量并以分子振动的方式进行能量转换，从而产生一定频率的散射光。
通常情况下，散射光中的波长比激光的波长长或短的数百倍，散射的光也是非常弱的。
Raman散射可以分成两种基本类型：瑞利散射和非弹性散射。
瑞利散射是一种非常常见的散射现象，指的是激光所产生的散射光与入射光的方向和激光波长相同的现象。
而非弹性散射则指散射光与入射光角度或波长不同的现象，其最显著的代表就是Raman散射。
3. Raman仪器及其应用Raman仪器是一种非常高精度的光谱仪，能够测定物质中分子的振动频率和振动模式，从而进行非常精确的定量分析和表征。
它是由一个激光源、一个样品台、一个光谱仪和一个探测器组成的。
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瑞利散射
λscatter= λlaser
λlaser
拉曼散射
λscatter> λlaser
什么是拉曼效应?
拉曼光谱给出的信息？
Intensity (cnt)
520
1332 1580
不同材料的拉曼光
10 000
谱有各自的不同于其
8 000
6 000
它材料的特征的光 4 000
谱-特征谱 2 000
Provided by Prof. D. Mukherjee, Director of Indian Association for the Cultivation of Science
什么是拉曼效应?
光散射的过程：激光入射到样品，产生散射光。
散射光
弹性散射（频率不发生改变-瑞利散射）
非弹性散射（频率发生改变-拉曼散射）
2000
高分子聚合物
Confocal Raman mapped image generated from two different spectral bands observed in the polymer matrix. The software is used to overlay the two component maps, green and blue.
拉曼光谱学 ——原理及应用
HORIBA Jobin Yvon 北京办事处
报告内容
¾1-什么是拉曼光谱 ? – 简单介绍 ¾2-拉曼光谱仪工作原理介绍 ¾3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍 ¾4-HORIBA Jobin Yvon拉曼光谱仪简介
什么是拉曼效应?
时间 和发现人?
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。
Bg
Bg
羰基伸缩 线宽=>结晶度
乙二醇模式: 结构的指示剂
碳环伸缩模式
拉曼光谱给出的信息？
Intensity (A.U.)
2000200000 甲醇vs. 乙醇
1500150000
CH3OH vs. CH3CH2OH
OH Bending
1000100000 50050000
CCO modes
Skeletal Bending
拉曼光谱应用领域：
1：半导体材料; 2：聚合体；3：碳材料； 4：地质学/矿物学/宝石鉴定； 5：生命科学; 6：医药；7：化学； 8：环境；9：物理 10：考古；11：薄膜; 12: 法庭科学:违禁药品检查；区分各种颜料，色素，油漆，纤维 等；爆炸物的研究；墨迹研究；子弹残留物和地质碎片研究
1-聚合物,高分子
•不同 λexcitation可以分析样品不同层的信息
Intensity (a.u.)
Intensity (a.u.)
35000 30000 25000 20000 15000 10000
5000 500
25000 20000 15000 10000
5000 0 500
532 nm
1000
1500
2000 Wavenumber (cm-1)
z 为表征和鉴别材料提
供了指纹谱
20000
z 深入开展光谱学和材 15000 料物性研究打下基础
10000
400
600
Raman Shift (cm-1)
5000
0 1000
1200
1400
1600
Wavenumber (cm-1)
•组分信息 •结构信息
1800
2000
拉曼光谱给出的信息？
PET的拉曼光谱－－官能团
Intensity (cnt) In ten sity (cn t)
12 000 11 000 10 000 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000
0
SiC的拉曼光谱图
分辨率为 2 cm-s1i普c1通1-5分32辨18率00
4 000
拉曼光谱的特征
拉曼频移
峰位与激发波长没有关系
多激发波长：选择适合的激发波长
70000
60000
Intensity (a.u.)
50000
• 一般情况，拉曼光谱是不随激发波长的变化而变化的 40000
30000
然而…
20000
10000 500
• IRaman α 1/λ4 • UV or NIR激发可以避开荧光的干扰
1 000
0 200
190
200
210
220
230
240
Raman Shift (cm-1)
400
600
800
1 000
1 200
1 400
1 600
1 800
Raman Shift (cm -1)
怎样找到一台高分辨的拉曼谱仪？
光谱仪的焦长：250mm、300mm、460mm、800mm……2m
密决？
高分子聚合物
2000
1500
Single spectrum 1000 Component 1
500
500
1000
1500
Wavenumber (cm-1)
8000
Single spectrum 6000 Component 2
4000
2000
500
1000
1500
Wavenumber (cm-1)
空间分辨率(共焦技术)
——寻找好的共焦技术？
900
x103
高分子多层膜
Intensity (cnt)
Intensity (cnt)
800 700
1000 x10-3
1200
1400
1600
Raman Shi-f1)t (cm
15
1800
10
5
Intensity (cnt)
35
0
1000
1200
1400
分ssiicc11辨11--553322 率1680000 为0.65 csmic-11高1-5分32辨60率0
3 500
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
555
560
565
570
575
580
585
Raman Shift (cm-1)
200
250
300
350
400
450
500
¾ 化学组成，污染物探测...
¾ 振动频率可以给出结构的细微变化， 对于分子所处的局域环境，比如晶相， 局域应力和结晶度等 都很敏感
¾ 结构信息（晶体、无定形、同分异构 体…)
Intensity
Band postion band Position shift
Band Width
Raman shift
20
White light Image
30
40
50
60
40
50
60
70
80
Length X (祄)
Length Y (祄)
2-纳米材料
碳纳米管研究
3.0 2.5
Tube Diameter
2.0
oTangential Modes (G-Modes)
Electronic properties
n Radial Breathing Mode
1.5
Intensity (cnt/sec)
1.0
0.5
0.0
500
1 000
1 500
2 000
Raman Shift (cm-1)
p D-band Info on defects
不同管径的碳纳米管与不同激发波长共振,因此可以 通过不同激发波长研究不同手性和管径的碳纳米管
Conduction Valence
•瑞 利 滤 光 片 （ 去 除 瑞 利 散 射 光 －颜色不发生改变的光）
•光谱仪和探测器 一般为单光栅光谱仪和CCD探测器
几个拉曼实验中的重要因素
不
——任何一次拉曼光谱实验中都会遇到的问题
得
不
说
的
• 1-灵敏度
话
• 2-光谱分辨率
• 3-空间分辨率
影响：准确性、取谱速度、空间分辨效果
光谱分辨率
550
Raman Shift (cm-1)
光谱分辨率
吉林大学样品
7 000
红色：分辨率(2cm-C1a)模CO式3-1800 兰色：高分辨率(0.6C5aCcmO-31-)6模00式
6 000
5 000
CaCO3-1800 CaCO3-600
Intensity (cnt)
4 000
3 000
2 000
拉曼光谱应用-鉴定不同材料
在纤维材料中通常使用的材料的拉曼光谱
10000
8000
Nylon6 尼龙
6000
Kevlar 合成纤维
Pstyrene 聚苯乙烯
4000
PET
2000
Paper 纸纤维
Ppropylene丙烯
PE/EVA
0
聚乙烯
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Imaging Accessories