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
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
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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
张普敦
北京化工大学
1
1. 拉曼效应的发现
• 上世纪初，光的波粒二象性提出； • 1923年，Smekal预言了光的非弹性散射； 光证明了光的非弹性散射的存在。之后几个
• 1928年，印度物理学家Raman用玻璃和太阳
月，苏联科学家Landsberg和Mandelstam也
独立地发现了这一效应。 • 1931年，Raman获得了诺贝尔物理学奖。 Raman光谱技术的发展。
有关，通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引起 极化率的变化，属拉曼活性；而红外吸收与分子永久偶极
矩的变化有关，一般极性分子及基团的振动引起永久偶极
矩的变化，因此属红外活性
6
O=C=O
对称伸缩
偶极距不变无红外活性
O=C=O
反对称伸缩
偶极距变有红外活性
极化率变有拉曼活性 极化率不变无拉曼活性
7
红外及拉曼光谱的经验法则判断 ： 1）互相排斥规则
3
2．拉曼光谱的原理
可用分子能级图简单说明。 拉曼位移： 即拉曼散射光的
E1 + h0 E2 + h0 h(0 - ) E1 V=1 h0 h(0 + ) h
频率变化u。
拉曼位移与入射
E0
V=0
ANTI-STOKES
光波长无关，仅
仅与分子的振动 有关 。这就是拉
STOKES Rayleigh
曼分析的基础。
0 -
0
0 +
4
3．拉曼光谱的特点
1）红外光谱反映的是分子永久偶极矩的变化，而拉曼光谱则 反映分子诱导偶极矩的改变；
诱导偶极距μ＝aE， a为极化率，E为电场强度。
2）一些在红外光谱中为弱吸收的谱带，在拉曼光谱中可能为 强谱带，从而有利于这些基团的检出 ；
3）拉曼光谱低波数方向的测定范围宽（40 cm-1），有利于
BUCT 0.9 Unknown
O H 3C OH
0.8
0.7
0.6
In t
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
3000
2500
2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
10
1 . 0
Ben zyl s i op e n tyl e th e r
CH3 O CH3
0 . 9
B UC T U n k n o w n
0.7
0.6
Ab so r b a n ce
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
3000
2500
2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
14
5．拉曼光谱实验技术
5．1 激光拉曼光谱 下图是一个传统色散型激光拉曼光谱仪的示意图：
该拉曼光谱仪的局限： 1）激发光源在可见光区，光
子能量较高，易产生荧光干 扰测定 ； 2）光栅分光导致波数的准 确度和重现性差； 3）逐点扫描，耗时长； 4）狭缝导致光通量小，信噪比低。
0.8
0.7
0.6
In t
0.5
0.4
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0.1
3500
3000
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2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
13
1.0
b -A l a n i n e -R a m a n b -A l a n i n e -I R
O H 2N OH
0.9 BUCT Unknown 0.8
BUCT 0.9 Unknown
0.8
0.7
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3000
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2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
12
1.0
C Y C L O H E X E N E -IR C y c l o h e x e n e -R a m a n
BUCT 0.9 Unknown
16
5．3 共振拉曼光谱（Resonance Raman Spectroscopy, RRS ） 激发频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，即产生 拉曼共振，这一分子的拉曼线强度可增强一万到一百万倍，并 能观察到强度可与基频相比拟的泛频及组合振动光谱。 共振拉曼光谱的特点：
0.9
BUCT Unknown
OH H2N
0.8
0.7
0.6
In t
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
3500
3000
2500
2000 Wavenumbers (cm-1)
1500
1000
9
1.0
B u ty ri c a c i d -R a m a n B U TY R IC A C ID -IR
0 . 8
0 . 7
0 . 6
It n0 . 50. 40 . 30 . 2
0 . 1
3 0 0 0
2 5 0 0
2 0 0 0 Wa v e n u m b e s rc (m 1 )
1 5 0 0
1 0 0 0
5 0 0
11
1.0
C y c l o h e x a n e -IR C y c l o h e x a n e -R a m a n