激光拉曼光谱的测定

实验四 激光拉曼光谱的测定

093858 张亚辉

一. 实验目的

1、了解拉曼光谱的基本原理，掌握显微共焦激光拉曼光谱仪的使用方法。

2、测量一些常规物质和复杂样品的拉曼光谱。 二. 实验原理

当用波长比试样粒径小得多的频率为υ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。散射光中除了存在入射光频率υ外，还观察到频率为υ±△υ的新成分，这种频率发生改变的现象就被称为拉曼效应。υ即为瑞利散射，频率υ+△υ称为拉曼散射的斯托克斯线，频率为υ-△υ的称为反斯托克斯线。△υ通常称为拉曼频移，多用散射光波长的倒数表示，计算公式为

1

1λλ

ν-=

∆

式中，λ和λ0分别为散射光和入射光的波长。△υ的单位为cm -1。

由于拉曼谱线的数目、频移、强度直接与分子振动或转动能级有关。因此，研究拉曼光谱可以提供物质结构的有关信息。自从激光问世以来，拉曼光谱的研究取得了长足进展，已广泛应用于物理、化学、生物以及生命科学等研究领域。

图

1显微共焦激光拉曼光谱仪结构

显微镜

样品

狭缝

光栅

扩束器

三、实验仪器和试剂

1. 显微共焦激光拉曼光谱仪 Renishaw inVia （英国雷尼绍公司）

Renishaw 显微共焦激光拉曼光谱仪原理：

本系所用的是英国雷尼绍显微共聚焦激光拉曼光谱仪（图2），它具有诸多优势如：高稳定性、高重复性高重复光谱，重复性：≦±0.2波数；激光阻挡水平高 (杂散光抑制水平高)；高灵敏度 (贯穿于整个仪器设计中)：各激发光波长配以各自独立的引入光学元件（反射镜等）, 使到达样品的激光功率最大。透射式光谱仪设计，以避免散焦缺陷。并对各激发光波段配以相应的透镜, 使每激光谱段分别都达到最佳透过效率,获得最高的通光效率。

2. 粉碎机、载玻片、盖玻片、胶头滴管

3. 测试样品

常规物质：CCl 4，KNO 3 复杂样品：不同淀粉类作物 自备样品：不同材料的小挂件 四.实验步骤

1. 打开主机和计算机电源，同时打开激光器后面的总电源开关，将仪器预热20分钟左右。

2. 自检.

静态取谱（Static ），中心520 Raman Shift cm -1, Advanced -> Pinhole

设

图2 雷尼绍显微共聚焦激光拉曼光谱仪

为 in 。使用硅片，用50 倍物镜，1 秒曝光时间，100%激光功率取谱。使用曲线拟合（Curve fit ）命令检查峰位，检验仪器状态。 3．样品拉曼光谱的测定

将样品放置在载玻片上,盖上盖玻片，置于显微镜的载物台上，调节显微镜载物台的高度使得显微镜能够清晰地观察到样品表面（上2，下1）。选择Measurement->New->Spectral acquisition 进行实验条件设置，再将白光照明光路切换到激光照明光路（上1，下2），即选择激光照射，选择Measurement->Run 运行实验，等待实验运行，直到窗口中出现红色的光谱曲线，采集光谱结束，保存扫描结果。 五．数据处理

用仪器自带软件WiRE2.0或Excel 绘制拉曼光谱。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。 1. CCl 4的拉曼光谱图

1）CCl 4的标准拉曼光谱图

1000

2000

3000

4000

5000

6000

C o u n t s

Raman shift /cm-1

2）实验测得的CCl 4的拉曼光谱图

3）上图0—500cm-1处的拉曼光谱图

从上图可看出，，正的218，,314,460cm-1处得到反斯托克斯线，与CCl4的标准拉曼光谱图在218，314，459cm-1处得到反斯托克斯线相近，可判断所测的标样为四氯化碳溶液。

拉曼光谱图

2.KNO3的

4.乌玉的拉曼光谱图

. 上图0—1200 cm-1的拉曼光谱图

上图0—1200 cm-1的拉曼光谱图

6.玉石的拉曼光谱图

上图0—1200 cm-1的拉曼光谱图

比较乌玉、白玉与玉石的拉曼光谱图，他们的特征峰相同，故可判断三者为同一物质。

7.玛瑙的拉曼光谱图

8.翡翠的拉曼光谱图

1）翡翠的标准拉曼光谱图

2）实验测得翡翠的拉曼光谱图

3）上图0—1400 cm-1的拉曼光谱图

该图呈现的特征峰与翡翠的标准拉曼光谱图呈现的特征峰相近故可判断此为真翡翠。

六、讨论与思考：

1. 比较红外光谱与拉曼光谱的异同。

红外光谱与拉曼光谱同属分子振动光谱。红外光谱是分子对红外光的吸收，强度由分子偶极矩决定；拉曼光谱是分子对激光的散射，强度由分子极化率决定。对有对称中心的分子，其分子振动对红外和拉曼之一有活性；而无对称中心的分子，其分子振动对红外和拉曼都有活性。

拉曼光谱范围40-4000 cm-1，水可作为溶剂，样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器中直接测定，固体样品可直接测定；红外光谱范围400-4000 cm-1，水不能作为溶剂，不能用玻璃容器测定，固体必要时要研磨压片。

每一种分子都有其特征的拉曼光谱，拉曼效应存在于一切分子中：气体、固体、或液体；每一分子的拉曼频率位移与入射光频率无关；拉曼谱线一般较窄、并成对出现斯托克斯线与反斯托克斯线。

拉曼散射光谱对于样品制备没有特殊要求;对于样品数量要求比较少,可以是毫克甚至微克的数量级拉曼散射最突出的优点是采用光子探针,对于样品是无损伤探测,尤其适合对那些稀有或珍贵的样品进行分析,甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物质。拉曼光谱的缺点之一是会产生荧光干扰,样品一旦产生荧光,拉曼光谱会被荧光所湮灭检测不到样品的拉曼信号。二是检测灵敏度低。

2. 一般的拉曼散射有斯托克斯线和反斯托克斯线两种，为什么实验中记录的拉

曼光谱常取斯托克斯线？

按照统计分布率，分子数再热平衡下按能量的分布为玻耳兹曼分布。布局在较高能级上的分子数要少于较低能级上的，使得频率增加的散射谱线（反斯托克斯）强度比频率减少的散射谱线（斯托克斯先）弱一些。

3.拉曼光谱的发展及应用。

1）拉曼光谱的发展

拉曼光谱又称拉曼效应,是起用发现者印度人C. V. Raman命名的。德文文献中常称之为迈克尔- 拉曼( Smekal - Raman)效应,而苏联前若干年的文献中则称之为

联合散射,是拉曼于1919年从水分子散射现象中发现的。拉曼光谱最初用的光源是聚焦的日光,后来使用汞弧灯。由于它强度不太高和单色性差,限制了拉曼光谱的发展。60年代激光技术的兴起,以及光电讯号转换器件的发展才给拉曼光谱带来新的转机。70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注入活力。80年代以来,一些公司相继推出了拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪,入射光的功率可以很低,

灵敏度得到很大的提高。这些性质使拉曼光谱的应用无论在广度和特异性等方面都得到了空前发展。

2）拉曼光谱在不同研究领域的应用

拉曼光谱技术最近几年发展很快,已大量出现在很多研究领域,它涉及材料、石油、化工、环保生物、医学、地质等,尤其是拉曼技术在考古、文物保护等领域的应用,到目前为止是所有其他研究领域最为优越的。

2. 1在无机材料中的应用