拉曼光谱简介
拉曼光谱定义
拉曼光谱定义
拉曼光谱（Raman Spectroscopy）是一种非破坏性的分子特征检测手段。
它通过对激发后的分子进行检测，来识别分子中的原子或分子组成部分。
它具有高灵敏度、高准确性和非破坏性，广泛应用于有机/无机化学、生物化学、物理化学等多个学科领域。
拉曼散射是一种被激发光分子而发生的光谱效应，它是物理学家里昂·拉曼在1928年发现的，以他的名字命名。
它的本质是，当一个物体的原子或分子被外界电磁波的能量激发时，会发出符合该物体原子或分子特征的散射光，这种光谱效应就是拉曼散射效应。
拉曼光谱就是拉曼散射效应的可视化图形表示，它可以显示出物体内不同原子或分子的激发状态，从而反映出物体的结构和性质。
拉曼光谱的基本原理是，当一个物体的原子或分子被外界电磁波的能量激发时，会发出符合该物体原子或分子特征的散射光，这种光谱效应就是拉曼散射效应。
拉曼光谱的基本原理是根据物质的不同结构，被激发的分子状态不同，由此产生出不同的散射光谱来反映它们的特性。
拉曼光谱是一种高灵敏度、高准确性的分子特征检测手段，它可以直接检测分子中的原子或分子组成部分，从而反映物体的结构和性质。
由于它的非破坏性、精确性和
高灵敏度，拉曼光谱已经广泛应用于有机/无机化学、生物化学、物理化学、食品分析、环境分析等诸多领域。
拉曼光谱定义，就是表示一种利用拉曼散射原理来检测物质结构特征的方法，即通过测量拉曼散射光谱，来鉴定和识别物体中不同原子或分子组成部分的特性。
它可以提供客观准确的数据，为研究者提供重要的参考信息，从而更好的了解物质的结构、性质和功能。
表面增强拉曼散射(SERS)光谱简介
表面增强拉曼散射(SERS)光谱简介1.拉曼光谱简介：光与物质分子的碰撞可以分为两类，即弹性碰撞和非弹性碰撞。
光的散射可以看作是光子与物质碰撞后运动方向的改变。
如果发生的是弹性碰撞，即光子仅改变运动方向而在碰撞过程中没有发生能量交换，这种散射为瑞利散射(Rayleigh scattering)；如果发生的是非弹性碰撞，即光子不仅发生了运动方向的改变，而且在碰撞过程中有能量交换，这种散射就是拉曼散射(Raman scattering)。
结合图1我们可以更加清楚地了解光的散射过程。
图1 瑞利散射与拉曼散射的基本原理在激发光的激发下，分子从它的某一振动态(基态或激发态)跃迁到一个激发虚态，在皮秒时间尺度内跃迁回基态，同时伴随着光子的释放。
这时，大部分跃迁回基态时所释放的光子的波长与激发光相同，就是瑞利散射线。
另有少数光子的波长与激发光不同，即拉曼散射线，该散射又可以分为两类(见图1)：Stokes 散射和反Stokes散射。
由于常温下处于振动基态的分子数远多于处于振动激发态的分子数，所以Stokes谱线要比反Stokes线强得多。
拉曼光谱所关心的是拉曼散射光与入射光频率的差值，即拉曼频移。
不同的激发光所产生的拉曼散射光频率也不相同，但是拉曼频移是相同的。
拉曼频移表征的是化合物的振动—转动能级，在这一点上拉曼光谱与红外光谱是十分相似的[1,2]。
拉曼光谱是一项重要的现代光谱技术，它的应用早已超出化学、物理的范畴，渗透到生物学、矿物学、材料学、考古学和工业产品质量控制等各个领域，成为研究分子结构和组态、确定晶体结构的对称性、研究固体中的缺陷和杂质、环境污染物、生物分子和工业材料微观结构的有力工具。
2.表面增强拉曼散射(SERS)简介：表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering)最早是由Fleishmann 等人[3]于1974年发现。
他们在研究电化学电池内银电极上吸附的吡啶分子的拉曼光谱时发现其谱线强度有明显增强，对此他们解释为电极表面粗糙化引起电极表面积的增加。
03-2 拉曼光谱简介
一二三四五六192219281928德国物理学家印度物理学家拉曼苏联人曼迭利斯20世纪50年代1960年基本处于停顿状态，被红外随激光技术的迅速发展，人们很快把激光用作拉曼光谱2.拉曼光谱技术的优越性提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。
1）由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。
2）拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。
相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器。
3）拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。
在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。
4）因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。
这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。
而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。
5）共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。
43. 基本原理当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。
在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。
由于拉曼谱线的数目、位移的大小和谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。
因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。
511纵坐标是散射强度，可用任何单位表示，横坐标是拉曼位移，通常用相对于瑞利线的位移表示其数值，单位为波数（cm -1）。
拉曼光谱课件
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。
拉曼光谱
拉曼位移Δv=vR-vo
vR为拉曼线频率，vo为入射光频率。拉曼 位移与入射光频率无关，只与分子振动能 级差ΔE(ΔE=hv)有关。
不同分子具有不同振动能级，拉曼位移是 特征的，是研究分子结构的重要依据。
拉曼散射线的特点
•斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利线两 侧,相对应的拉曼位移完全相等,但斯托克斯线强度比 反斯托克斯线强度大得多;
第四章 拉曼光谱
概述
拉曼光谱是建立在拉曼散射效应基础上 的光谱分析法。
拉曼光谱与红外光谱一样，源于分子的 振动能级跃迁，属分子振动光谱。
拉曼光谱的基本原理
Real States 真实能级
Virtual State 虚能级
Mid IR Stokes Raman 红外 斯托克斯拉曼
E1+hv0 E0+hv0
•瑞利散射光的强度只有入射光强度的约10-3,而拉曼 散射光的强度非常弱,只有入射光强度的约10-6-10-8;
•若改变入射光的频率,拉曼散射线的频率也发生变化, 但它们总是出现在在瑞利线两侧,相对应的拉曼位移 保持不变;拉曼位移只与分子结构有关。
拉曼光谱图
CCl4的拉曼光谱 拉曼光谱图以拉曼位移为横坐标，拉曼线强度为纵坐标。入射光 频率当作0。由于Stokes线强于反Stokes线，所以拉曼光谱仪记录 的是前者,忽略反Stokes线。
拉曼光谱选律
从量子力学的观点来看,拉曼光谱起源于分子振动过 程中极化率的改变,红外光谱起源于分子振动过程中 偶极矩的变化.
极化率表征分子在电场(光波的电磁场)作用下分 子中电子云变形的难易程度。
振动时极化率发生变化,该振动是拉曼活性的;
振动时偶极矩发生变化,该振动是红外活性的;
拉曼光谱
Raman散射原理
E1 + h0 1. Raman effect： E2 + h0 Raman散射的两种跃
迁的能量差： E=h(0 - ) 产生stokes线；强；基 态分子多； E=h(0 + ) 产生反stokes线；弱； 2. Raman shift： Raman 散 射 光 与 入 射 光频率差；
联合散射 光谱
拉曼散射光谱（Raman）
一.拉曼光谱简介
1922 1928 1928
斯梅卡尔
预言新的谱 线 频率与方向 都发生改变
拉曼 （C.V.Raman） 在气体与液体 中观测到一种 特殊光谱的散 射 获1930年诺贝 尔物理奖
苏联人曼迭利 斯塔姆、兰兹 贝尔格 在石英中观测 到拉曼散射
一 拉曼光谱概述
• •
复 习
科学和技术都是以自然界为对象，大至宇宙中的日月
星辰，小至组成一切物质的基本粒子，都是科学认识 的对象。
空间尺度 （相差 1046） 1026 m（约150亿光年）（宇宙）——10-20 m（夸克） 时间尺度 （相差1045 ）
1018 s（150亿年）（宇宙年龄）——10-27 s（硬 射线周期）
拉曼光谱的发展――RR与SERS技术
4
拉曼光谱及其联用技术应用
光谱分类
联合散射光谱
光谱分析法
吸收光谱
发射光谱
光谱分类
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－可见光谱（UV-Vis）、原子吸收光谱（AAS）、 红外光谱（IR）、核磁共振（NMR）等
二.拉曼光谱与红外光谱的比较
拉曼光谱介绍范文
拉曼光谱介绍范文拉曼光谱是一种非常重要的分析技术，它利用了分子振动引起的光散射现象来提供关于分子结构和化学键的信息。
拉曼光谱的应用广泛，可以用于分析固体、液体和气体样品，以及生物分子和纳米材料等。
拉曼散射效应最早由印度物理学家C.V.拉曼于1928年发现，并因此获得1930年的诺贝尔物理学奖。
拉曼散射是一种物质与激发光发生相互作用后，散射光中产生的频移与激发光频率之间的差异。
这种散射光中频移的差异称为拉曼频移，它是由于分子振动引起的光的频率和波长的微小变化所产生的。
拉曼光谱通常由强入射激光和散射光组成。
入射激光一般使用可见光或近红外光，具有高单色性和窄带宽，以增强拉曼信号的检测。
散射光分为两个主要部分：一个是各向同性的爱曼散射，具有与入射光相同的波长和频率，而另一个是拉曼散射，具有频移的特性。
这些散射光经过光谱仪的分析，可以得到拉曼光谱图。
拉曼光谱图的横轴表示拉曼频移，纵轴表示散射光的强度。
拉曼光谱图中的峰对应于特定的分子振动模式，这些模式与分子中的化学键和键角有关。
通过对各峰的位置、强度和形状进行分析，可以推断出分子的结构和化学性质。
例如，在红外光谱中，通常只能检测到非极性的结构，而拉曼光谱可以提供关于极性结构的更多信息。
拉曼光谱的应用非常广泛。
在石油和化工行业，拉曼光谱可以用于燃料和原油的质量控制，以及对催化剂和聚合物材料的分析。
在药物领域，拉曼光谱可以用于药物的质量控制和结构表征。
在环境科学中，拉曼光谱可以用于水体和土壤中的有机污染物的检测和监测。
此外，拉曼光谱还常用于生物领域的研究，例如细胞和蛋白质的表征。
近年来，随着技术的发展，拉曼光谱已经得到了很大的改进。
例如，表面增强拉曼光谱（SERS）可以大大提高拉曼信号的灵敏度，使其可以检测到更低浓度的物质。
此外，激光共振拉曼光谱（LRS）可以通过共振增强效应提高拉曼信号的灵敏度。
这些改进使得拉曼光谱在更多领域中有了更广泛的应用。
总之，拉曼光谱是一种重要的分析技术，可以提供关于分子结构和化学键的信息。
拉曼光谱简介
有对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼之一有活性，则
另一非活性；
2）互相允许法则
无对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼都是活性的 ； 3）互相禁止法则 少量分子的振动模式对红外和拉曼都是非活性的。
8
O
1.0
4 -A M IN O B E N ZO IC A C ID -IR 4 -A m i n o b e n z o i c a c i d -R a m a n
提供重原子的振动信息 ； 4）由于水的散射光谱极弱，因此拉曼光谱特别适合于研究水 溶液体系 ； 5）固体样品可直接测定，无需制样。
5
4．与红外光谱的关系
共同点：二者都反映分子振动的信息。 不同点：其物理过程不同。
1）拉曼效应是光散射过程，因此是发射光谱，而红外光 谱是吸收光谱； 2）拉曼光谱来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率变化
2
• 1960年代，激光技术的成熟极大的推动了
什么是拉曼效应呢？
光照射到物质上时会发生散射，大部分散射光的频率不变， 这部分光叫做瑞利散射。还有一小部分光的频率在散射后发 生了变化，频率的变化决定于散射物质的特性，这就是拉曼 效应。 拉曼光谱是入射光子和分子相碰
撞时，分子的振动能量或转动能
量和光子能量叠加的结果，利用 拉曼光谱可以把处于红外区的分 子能谱转移到可见光区来观测。 因此拉曼光谱作为红外光谱的补 充，是研究分子结构的有力武器。
15
5. 2 FT-Raman光谱 FT-Raman采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来 提高信噪比，并用Nd：YAG 的近红外激光光源（钇铝石榴石
激光器，波长1064 nm）照射样品，大大减弱了荧光背景 。
和传统色散光谱仪不同的 是，FT-Raman光谱仪采 用近红外光源，没有分光 系统，而且检测器采用了 高灵敏度的铟镓砷探头 。
--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
分析技术
种类
优点
不足
几种重要的拉曼光谱分析技术 1、单道检测的拉曼光谱分析技术 拉曼光谱2、以CCD为代表的多通道探测器的拉曼光谱分析技术 3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术 4、共振拉曼光谱分析技术 5、表面增强拉曼效应分析技术 拉曼光谱用于分析的优点和缺点
1、拉曼光谱用于分析的优点
含义
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:
相关信息
电化学原位拉曼光谱法,是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象,将单色入射光(包 括圆偏振光和线偏振光)激发受电极电位调制的电极表面,通过测定散射回来的拉曼光谱信号(频率、强度和偏振 性能的变化)与电极电位或电流强度等的变化关系。一般物质分子的拉曼光谱很微弱,为了获得增强的信号,可采 用电极表面粗化的办法,可以得到强度高104-107倍的表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)光谱,当具有共振拉曼效应的分子吸附在粗化的电极表面时,得到的是表面增强共振拉曼散射(SERRS)光谱, 其强度又能增强102-103。
拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，避免了一些误差的产生，并且在分 析过程中操作简便，测定时间短，灵敏度高等优点。
2、拉曼光谱用于分析的不足 (1)拉曼散射面积 (2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响 (3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰 (4)在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题 (5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析 的结果产生一定的影响。
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激光拉曼光谱
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，发现了一些用自发拉受散射 无法发现的光谱信息。
表面增强拉曼光谱
• 1974年，Fleischmann观测到粗糙的银电极表面 吡啶分子的高强度拉曼散射信号。后来经分析， 拉曼散射强度增大了106倍。 • SERS具有金属选择性。出现SERS现象的金属 材料只有少数几种。分别是币族金属金，银， 铜；碱性金属锂，钠，钾；部分过渡金属铁， 钴，镍；
• SERS要求金属表面有一定粗糙度。不同金属 出现最大SERS效应的粗糙度不一样。
基本原理
• 量子理论
基本原理
基本原理
• 红外活性：如果某一简正振动对应的分子 偶极矩变化不为零，即则是红外活性的； 反之，是红外非活性的。
• 拉曼活性：如果某一简正振动对应于分子 的极化率变化不为零，即则是拉曼活性的， 反之，是拉曼非活性的。
基本原理
• 互不相容原理： 具有对称中心的分子：红外活性的振动模，拉曼 非活性 拉曼活性的振动模，红外非活性 红外+拉曼→全部振动谱
Raman Spectra
Contents
• 背景简介 • 基本原理
• 发展应用
• 激光拉曼 • 表面增强拉曼
背景简介
• 1923年德国的Smeka理论上预言了光的非弹 性散射 。 • 1926年印度物理学家Raman在论文中开始并 没有肯定这种散射是非弹性的，以后的许 多次实验最终证明了这种散射的非弹性,他 将这种效应称为“一种新辐射”。 • 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。
• • • • 同核双原子分子：红外非活性 拉曼活性 非极性晶体： 红外非活性 拉曼活性 异核双原子分子：红外活性 拉曼非活性 极性晶体： 红外活性 拉曼具体分析
基本原理
发展应用
1．分子结构的研究 拉曼光谱是一种测量分子振动的光谱技术，拉曼频移的 产生是基于分子振动。拉曼频移值与分子的振动能级相对应， 而不同的振动能级起源于不同方式的振动。化合物中的结构 基团都有其特征的振动频率，据此，可以直接鉴定化合物的 结构基团，判断化学健的性质及其变化。在许多化合物的拉 曼谱上有长的全对称振动泛频系列，可以利用来进行分子振 动的非谐性研究。 2. 定量分析中的应用 依据拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓度 的正比例关系，可以利用拉曼谱线来进行定量分析。
发展应用
• • • • • • • • • 半导体材料 聚合物 碳材料 地质学、矿物学、宝石鉴定 生命科学 医学 化学 物理 法庭科学：违禁品检测、爆炸物研究、 墨迹研究、子弹碎片等
发展应用
• 当时拉曼光谱在实验技术上有很多困难，例如拉曼散射 光的强度只有原入射光强度的10-9-10-12，但与刚发展起 来的红外光谱在实验技术上的困难相比，拉曼光谱仍不 失为一种方便易行的测试方法。 • 1946年前后，商品化的红外分光光度计问世，使红外光 谱测试技术的方便程度大大超过了拉曼光谱，这种状态 一直持续到50年代末期。 • 60年代初期问世的激光技术给拉曼光谱带来了新的生机 由于高分辨率，低杂色光的双联或三联光栅单色仪，以 及高灵敏度的光电接收系统（光电倍增管和光子计数器） 的应用，使拉曼光谱测量达到与红外光谱一样方便的水 平和红外光谱相比，拉曼光谱有制样简单，水的干扰小， 可做活体实验等优点。
拉曼干扰消除
• 荧光干扰：由于拉曼散射光极弱，所以一旦样 品或杂质产生荧光，拉曼光谱就会被荧光所淹 没。
• • • • • （1）纯化样品 （2）强激光长时间照射样品 （3）加荧光淬灭剂 （4）利用脉冲激光光源 （5）改变激发光的波长以避开荧光干扰基本原理瑞利散射
拉曼散射
基本原理
基本原理
• 经典电磁理论：斯托克斯线Δν= ν0-（ν0 -νk） = νk，反斯托克斯线Δν= ν0-（ν0+ νk）= -νk • 其数值相等，符号相反，说明拉曼谱线对 称地分布在瑞利线的两侧
• 式中Ias为反斯托克斯线强度，Is为斯托克斯 线强度。通常ν0>>νk，则反斯托克斯线强度 和斯托克斯线强度相当，与实验结果不符。