拉曼光谱学导论
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拉曼光谱原理和图解PPT教案
物质总量
e.g. thickness of transparent coating
拉曼光谱的特点和主要困难
拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2－3数量级）。 激光激发强。 拉曼信号频率离激光频率很近。 激光瑞利散射比拉曼信号强1010－1014，对拉曼信号干扰很大。 拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度（体现在弱信号
NEW OLD
数字化显微共焦系统专利技术
共焦应用:高分子 样品的深度分布
Sample
2 µm thick polyethylene (PE) film
Thick polypropylene(PP) substrate
Laser
633 nm HeNe
数字化显微共焦系统专利技术
Conditions
High spatial resolution:
品等尤其有用)
Non-destructive analysis:
无损分析
几乎不用样品制备
Almost no sample preparation:
所须样品量少
Very small amount of sample:微
指纹性振动谱
Characteristic vibrational spectrum:
数字化显微共焦系统专利技术
优 势 5. 数字化显微共焦系统专利技术
受专利保护的最新的显微共焦系统技术，无需 调节针孔，并可连续调节共焦深度，大大提高 了仪器的光通量和稳定性。
数字化显微共焦系统专利技术
共焦原理 Non-confocal
Confocal
数字化显微共焦系统专利技术
实现共焦的两种方式
高灵敏度
在Renishaw inVia拉曼光 谱仪上测得的硅的三阶 与四阶声子模的拉曼峰。
e.g. thickness of transparent coating
拉曼光谱的特点和主要困难
拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2－3数量级）。 激光激发强。 拉曼信号频率离激光频率很近。 激光瑞利散射比拉曼信号强1010－1014，对拉曼信号干扰很大。 拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度（体现在弱信号
NEW OLD
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共焦应用:高分子 样品的深度分布
Sample
2 µm thick polyethylene (PE) film
Thick polypropylene(PP) substrate
Laser
633 nm HeNe
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Conditions
High spatial resolution:
品等尤其有用)
Non-destructive analysis:
无损分析
几乎不用样品制备
Almost no sample preparation:
所须样品量少
Very small amount of sample:微
指纹性振动谱
Characteristic vibrational spectrum:
数字化显微共焦系统专利技术
优 势 5. 数字化显微共焦系统专利技术
受专利保护的最新的显微共焦系统技术，无需 调节针孔，并可连续调节共焦深度，大大提高 了仪器的光通量和稳定性。
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共焦原理 Non-confocal
Confocal
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实现共焦的两种方式
高灵敏度
在Renishaw inVia拉曼光 谱仪上测得的硅的三阶 与四阶声子模的拉曼峰。
第五章拉曼光谱
1第六章拉曼光谱2第一节：引言第二节：拉曼光谱的基本原理 2.1 光散射2.2 拉曼光谱的经典解释 2.3 拉曼光谱的选择定则3第三节：拉曼光谱仪简介第四节：拉曼光谱的应用4.1 在有机化学中的应用 4.2 在无机与材料化学中的应用 4.3 在分析化学中的应用 4.4 在高分子材料中的应用 4.5 在生物学中的应用 4.6 在物理学中的应用 4.7 在催化研究中的应用4第一节引言什么是拉曼散射？假定有一束频率为ν0的单色入射光照射到样品上，除了吸收和透射外，有一部分光将受到样品的散射。
对散射光的频率进行分析，发现部分散射光的频率仍为ν0，而其余散射光的频率分布在ν0两侧，即ν0 ±∆ν, 这种频率发生改变的散射，叫做拉曼散射(Raman Scattering)。
5CCl4的拉曼谱图6拉曼光谱是以印度科学家V. Raman 的名字命名的，因为他和另一个科学家K. S.Krishnan 于1928年最先发现这一散射现象的。
在拉曼散射中，频率的改变是光子与物质相互作用时发生了能量的转移引起的，频率变化的大小以及观察到的拉曼光谱的形式等与散射样品的结构、能级有关，当然用于测定散射的仪器也有一定的影响。
7拉曼光谱的用途：主要用于分子内部转动和振动跃迁的研究。
拉曼散射频率的变化值±∆ν与分子内部的转动和振动能级密切相关。
分子转动能级和几乎所有振动能级的拉曼波数都在0～3500 cm -1之间，当采用400～600 nm 范围任一波长的光作为辐射源，拉曼光谱都处于可见光区域。
用拉曼光谱研究分子的转动和振动，只需一种色散系统和一种探测器。
8在红外光谱中，有些振动模是红外非活性的，如CO 2的对称振动模，这些振动频率可以用拉曼光谱测得，拉曼光谱和红外光谱具有互补性，它们是研究振动和转动的最有效方法，两者缺一不可。
9拉曼光谱的特点：波长位移在中红外区。
有红外及拉曼活性的分子,其红外光谱和拉曼光谱近似。
第四章 拉曼光谱
(4)在表面和薄膜方面的应用 拉曼光谱在材料的研究方面，在相组成、界面、晶 界等课题中可以做很多工作，最近用拉曼光谱研究金刚 石和类金刚石薄膜的工作，国内外学者的兴趣有增无 减；拉曼光谱已成为CVD（化学气相沉积法）制备薄 膜的监测和鉴定手段。LB膜的拉曼光谱研究、二氧化 硅薄膜氮化的研究都已见报道。 尽管拉曼散射很弱，拉曼光谱通常不够灵敏，但利 用共振或表面增强拉曼就可以大大增强拉曼光谱的灵敏 度，表面增强拉曼光谱学(SERS)已成为拉曼光谱研究中 活跃的一个领域。
4 .拉曼频率的数值可由几个cm -1到约3800cm -1。 5. 一般的拉曼频率是分子内部振动频率，有时与红 外吸收谱所得的频率部分重合，范围也是相同的。 6. 拉曼谱线的强度和偏振性质，对于各条谱线是不 同的。 7. 量子力学说明拉曼效应是光子与分子发生非弹性 碰撞而产生的。 8. 拉曼效应普遍存在于一切分子中，无论是气态， 液态和固态。
30B J 3 20B EJ
12B 2 1 0
14B 10B 6B 6B 10B 14B
6B 2B 0
斯托克斯
瑞利
反斯托克斯
量子理论认为，光散射是在光量子与物质分子的 碰撞过程中形成的。发生弹性碰撞时，光量子与分子 间无能量交换，故散射光频率等于入射光频率，这就 是瑞利散射；发生非弹性碰撞时，光量子与分子间有 能量交换，故散射光频率发生位移，形成拉曼散射。 如入射光的照射使处于振动基态的分子或原子激发到 较高振动能态上而损失能量时，则入射光子能量下 降，使散射光频率减小而形成斯托克斯线；如入射光 的照射使处于较高振动能态的分子或原子失活，返回 振动基态而获得能量时，则入射光子能量上升，使散 射光频率增大而形成反斯托克斯线。由于平时处于振 动基态的分子数远较处于激发态的为多，故斯托克斯 线的强度较反斯托克斯线的强度为大。
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
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10
CCl4的拉曼光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
Δν/cm-1
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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。
拉曼光谱原理和应用
来自试样的拉曼散射光通过干涉仪进入探测器，获得一 干涉图，随后进行傅里叶变换得到拉曼光谱。
Slide 16
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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
Slide 17
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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
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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。
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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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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 …）
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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
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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。
拉曼光谱原理及应用讲义
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
Tangential Modes (G-Modes)
Electronic properties
Radial Breathing Mode
——任何一次拉曼光谱实验中都会遇到的问题
不
得
不
说
• 1-灵敏度
的
• 2-光谱分辨率
话
• 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
Intensity (cnt) Intensity (cnt)
12 000 11 000 10 000
9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000
•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
Bg
Bg
乙二醇模式: 结构的指示剂
羰基伸缩 线宽=>结晶度
拉曼光谱给出的信息？
Intensity (A.U.)
2000200000 甲醇vs. 乙醇
1500150000
CH3OH vs. CH3CH2OH
OH Bending
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
第四章拉曼光谱.pdf
光的散射效应的种类很多，除包括经典的瑞利 散射、晶体的布里渊散射、等离子体对光的散射， 自由电子对光的散射（康普顿-吴有训效应）及化 学大质点的丁铎尔散射外，还有拉曼散射，故拉曼 散射光谱属于散射光谱。
拉曼散射效应是以此现象的发现者——印度物 理学家C.V.Raman（拉曼，1888-1970，1930年获诺 贝尔物理学奖）的名字命名的。拉曼于1928年首先 在液体中观察到这种现象，并记录了散射光谱。
4.1 方法原理
当单色光的光子与作为散射中心的分子相互 作用时，大部分光子只是改变方向发生散射，散 射光的频率仍与入射光的频率相同，这种散射称 为瑞利散射；但约占总散射光强度的10-7左右的散 射，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频 率也改变了，不同于入射光的频率，称为拉曼散 射。产生拉曼散射的原因是光子与分子之间发生 了能量交换。见图所示：
对于斯托克斯拉曼散射来说。分子由处于振动
基 态 E0 被 激 发 至 激 发 态 E1 ， 分 子 得 到 的 能 量 为 ΔE，恰好等于光子失去的能量：
ΔE＝E1－E0＝hΔν 与之相对应的光子频率改变Δν为
Δν＝ΔE/h
式中h为普朗克常数。此时，Stokes散射的频率为
νs： νs＝ν0－ΔE/h，Δν＝ν0－νs 斯 托 克 斯 散 射 光 的 频 率 低 于 入 射 光 频 率 ν0 。
在散射光谱中，瑞利线最易观察，其频率等于
入射光频率ν0，其强度大，表现为十分尖锐的瑞利
峰。另外，在瑞利峰的两侧还能看到强度比瑞利线低
很多的频宽分别为ν0±Δν的散射线，瑞利峰与散 射线（拉曼线）的频率之差Δν叫拉曼位移，是散射
物质的特征量，可用于物质的定性测定。拉曼线在瑞
利线两侧成对出现，在瑞利峰低频侧的拉曼线叫斯托 克斯（Stokes）线；在瑞利峰高频侧的拉曼线叫反斯 托克斯（Anti-Stokes）线。因反斯托克斯线的强度比
拉曼散射效应是以此现象的发现者——印度物 理学家C.V.Raman（拉曼，1888-1970，1930年获诺 贝尔物理学奖）的名字命名的。拉曼于1928年首先 在液体中观察到这种现象，并记录了散射光谱。
4.1 方法原理
当单色光的光子与作为散射中心的分子相互 作用时，大部分光子只是改变方向发生散射，散 射光的频率仍与入射光的频率相同，这种散射称 为瑞利散射；但约占总散射光强度的10-7左右的散 射，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频 率也改变了，不同于入射光的频率，称为拉曼散 射。产生拉曼散射的原因是光子与分子之间发生 了能量交换。见图所示：
对于斯托克斯拉曼散射来说。分子由处于振动
基 态 E0 被 激 发 至 激 发 态 E1 ， 分 子 得 到 的 能 量 为 ΔE，恰好等于光子失去的能量：
ΔE＝E1－E0＝hΔν 与之相对应的光子频率改变Δν为
Δν＝ΔE/h
式中h为普朗克常数。此时，Stokes散射的频率为
νs： νs＝ν0－ΔE/h，Δν＝ν0－νs 斯 托 克 斯 散 射 光 的 频 率 低 于 入 射 光 频 率 ν0 。
在散射光谱中，瑞利线最易观察，其频率等于
入射光频率ν0，其强度大，表现为十分尖锐的瑞利
峰。另外，在瑞利峰的两侧还能看到强度比瑞利线低
很多的频宽分别为ν0±Δν的散射线，瑞利峰与散 射线（拉曼线）的频率之差Δν叫拉曼位移，是散射
物质的特征量，可用于物质的定性测定。拉曼线在瑞
利线两侧成对出现，在瑞利峰低频侧的拉曼线叫斯托 克斯（Stokes）线；在瑞利峰高频侧的拉曼线叫反斯 托克斯（Anti-Stokes）线。因反斯托克斯线的强度比
谱学导论红外和拉曼光谱PPT学习教案
970~960 880 840~800
第8页/共11页
（C-H面外弯曲）
官能团
吸收频率（cm-1）
_____________________________________________
_
R R
R R
R
770~和710~690 770~735 810~和725~680
R
R
860~800
第9页/共11页
官能团区
3600 ~ 1500 cm-1 吸收带不多，化学键和官能团的特征频率区
OH
CO
指纹区
3650~3100 cm-1 1700 cm-1
1500~400 cm-1 吸收带多，整个分子振动转动引起的，反映整个
分子的特征。可用于鉴定两个化合物是否同一化合物第10页/共11页来自谱学导论红外和拉曼光谱
会计学
1
2. 诱导效应
如羰基连有拉电子基团可增强碳氧双键 ，加大常数 k 使吸收向高频方向移动
O
O
RCR
R C Cl
伸 缩 （ cm-1 ） 1815~1785
第1页/共11页
1715
3. 共轭效应
由于羰基与α、β不饱和双键共轭削弱了 碳氧双键，使羰基伸缩振动吸收频率减小
C = O 伸 缩（c m-1） 1 7 1 5 1 6 8 5~1 670
O
O
RCRRC CC
O
+
RCCC
第2页/共11页
4. 成键碳原子的杂化类型
化学键的原子轨道 s 成分越多，化学 键
力常数 kC越大H ，吸收C频率H越大C H
sp3 C-H 伸缩 （cm-1）
2900
sp
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开课院系
物理学院
通选课领域
是否属于艺术与美育
否
平台课性质
平台课类型
授课语言
中文
教材
拉曼光谱学与低维纳米半导体,张树霖,科学出版社,2008,1,9787030206398；
Raman spectroscopy and its Application in Nanostructures,S. L. Zhang,John Wiley Sons Ltd, Chichester, United Kingdom,2012,
With emphasizing the theoretical basis of light scattering and paying attention to the experiments, the principle and experimental technology of Raman spectroscopy will be described. The new development and its application of Raman spectroscopy will be also discussed.
第三章 拉曼光谱学实验基础 3学时
实验的基础知识；拉曼光谱仪简介；拉曼光谱测量技术；光谱实验数据的处理和分析。
第四章 固体拉曼散射的理论基础 3学时
晶格和非晶体动力学基础；固体拉曼散射理论。
第五章 低维纳米体系拉曼散射的理论基础和光谱特征预期 3学时
低维纳米体系；小尺寸效应与拉曼光谱特征；微晶模型和第一性原理计算。
课堂讲授
笔试
教学评估
陈志忠：
拉曼光谱学导论课Biblioteka 详细信息课程号00405605
学分
2
英文名称
Introduction to Ramam Spectroscopy
先修课程
量子力学，固体物理
中文简介
在强调理论基础和注重实验工作并重的基础上，就光散射理论、拉曼实验原理和技术及拉曼光谱学的新发展和应用等方面进行有重点的介绍和论述。
英文简介
第六章 低维纳米半导体的拉曼光谱 2学时
单声子和多声子拉曼光谱的特征；激发光、样品特性与拉曼光谱特征的关联。
第七章 拉曼光谱学应用的基础和技术 2学时
第八章 现代拉曼光谱学及其应用前景 2学时
主要参考书：
1.张树霖，《拉曼光谱学与低维纳米半导体》，科学出版社，北京，2008。
2.Zhang, S. L. Raman spectroscopy and its Application in Nanostructures, John Wiley Sons Ltd, Chichester, United Kingdom, 2012.
参考书
1,9780470686102；
教学大纲
了解拉曼光谱学基础，以便正确运用和发展拉曼光谱学。
拉曼光谱学导论 教学大纲
共32学时
第一章 拉曼光谱学的一般知识 2学时
散射、光散射和拉曼散射；光谱、散射光谱与拉曼光谱；拉曼散射效应的发现和拉曼光谱学的发展。
第二章 光散射的理论基础 3学时
散射概率；光散射的宏观和微观理论。
物理学院
通选课领域
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否
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平台课类型
授课语言
中文
教材
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Raman spectroscopy and its Application in Nanostructures,S. L. Zhang,John Wiley Sons Ltd, Chichester, United Kingdom,2012,
With emphasizing the theoretical basis of light scattering and paying attention to the experiments, the principle and experimental technology of Raman spectroscopy will be described. The new development and its application of Raman spectroscopy will be also discussed.
第三章 拉曼光谱学实验基础 3学时
实验的基础知识；拉曼光谱仪简介；拉曼光谱测量技术；光谱实验数据的处理和分析。
第四章 固体拉曼散射的理论基础 3学时
晶格和非晶体动力学基础；固体拉曼散射理论。
第五章 低维纳米体系拉曼散射的理论基础和光谱特征预期 3学时
低维纳米体系；小尺寸效应与拉曼光谱特征；微晶模型和第一性原理计算。
课堂讲授
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陈志忠：
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学分
2
英文名称
Introduction to Ramam Spectroscopy
先修课程
量子力学，固体物理
中文简介
在强调理论基础和注重实验工作并重的基础上，就光散射理论、拉曼实验原理和技术及拉曼光谱学的新发展和应用等方面进行有重点的介绍和论述。
英文简介
第六章 低维纳米半导体的拉曼光谱 2学时
单声子和多声子拉曼光谱的特征；激发光、样品特性与拉曼光谱特征的关联。
第七章 拉曼光谱学应用的基础和技术 2学时
第八章 现代拉曼光谱学及其应用前景 2学时
主要参考书：
1.张树霖，《拉曼光谱学与低维纳米半导体》，科学出版社，北京，2008。
2.Zhang, S. L. Raman spectroscopy and its Application in Nanostructures, John Wiley Sons Ltd, Chichester, United Kingdom, 2012.
参考书
1,9780470686102；
教学大纲
了解拉曼光谱学基础，以便正确运用和发展拉曼光谱学。
拉曼光谱学导论 教学大纲
共32学时
第一章 拉曼光谱学的一般知识 2学时
散射、光散射和拉曼散射；光谱、散射光谱与拉曼光谱；拉曼散射效应的发现和拉曼光谱学的发展。
第二章 光散射的理论基础 3学时
散射概率；光散射的宏观和微观理论。