《研究生Raman光谱》PPT课件

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1、Raman光谱技术及其应用2009年11月罗孟飞一、拉曼光谱基本原理Raman光谱的发展历史印度科学家拉曼于1928年发现了在光散射过程中，除了与入射光ν0相同的瑞利光，还发现一系列其他频率的光。这种频率变化的散射被命名为拉曼散射。为此拉曼成为亚洲第一个获得诺贝尔奖的科学家(1930年）。在1960年激光发现以前，由于采用高压汞弧灯，Raman信号很弱，应用范围很小。1960年以后Raman光谱得到了迅速的发展，成为物理、化学等领域重要的表征手段。拉曼散射光和瑞利散射光的频率之差——拉曼位移，拉曼位移与物质分子的振动和

2、转动能级有关。不同的物质有不同的振动和转动能级，因而有不同的拉曼位移。对于同一物质，若用不同频率的入射光照射，虽然产生的拉曼散射频率不同，但其拉曼位移却是一个确定的值。因此，拉曼位移是表征物质分子振动、转动能级特性的一个物理量。拉曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散射的千分之一。在激光器出现之前，为了得到一幅完善的光谱，往往很费时间。激光器的出现使拉曼光谱学技术发生了很大的变革。成为物理、化学领域重要的表征手段。这是由于激光器输出的激光具有很好的单色性、方向性，且强度很大，因而它们成为获得拉曼光谱的非常理想的光源。从而

3、使得拉曼光谱学的研究变得非常活跃了，研究范围有了很大的扩展。除扩大了所研究的物质的品种以外，在研究燃烧过程、探测环境污染、分析各种材料等方面拉曼光谱技术已成为非常有用的实验工具。以下是其一些典型应用:拉曼光谱应用食品科学中的应用；地质应用；药物分析中的应用；多晶分析中的应用，生物医学中的应用，疾病诊断中的应用，电化学分析中的应用等等拉曼效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上能级概念说明了拉曼效应。下图是说明拉曼效应的一个简化的能级图。设散射物分子原来处于基电子态，振动

4、能级如图所示。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（Virtualstate），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。因此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。瑞利线与拉曼线的波数差称为喇曼位移，因此拉曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给出的是一个喇曼光谱的示意图。拉曼光谱和红外光谱的区别  

5、  红外光谱和拉曼光谱都属于分子振动光谱，都是研究分子结构的有力手段。红外光谱测定的是样品的透射光谱。当红外光穿过样品时，样品分子中的基团吸收红外光产生振动，使偶极矩发生变化，得到红外吸收光谱。拉曼光谱测定的是样品的发射光谱。当单色激光照射在样品上时，分子的极化率发生变化，产生拉曼散射，检测器检测到的是拉曼散射光。二.拉曼光谱与红外光谱对于分子中的同一个基团，它的红外光谱吸收峰的位置和拉曼光谱峰的位置是相同的。在红外光谱图中，横坐标的单位可以用波数表示。在拉曼光谱图中，虽然横坐标的单位也是用波数，但表示的是拉曼位移。既

6、然分子中同一个基团的红外光谱吸收峰的位置和拉曼光谱峰的位置是相同的，为什么还要测定拉曼光谱呢？有些基团振动时偶极矩变化非常大，红外吸收峰很强，是红外活性的，如羰基的吸收。有些基团振动时偶极矩没有变化，不出现红红外吸收峰，是红外非活性的。这种振动拉曼峰会非常强，也是拉曼活性的。当一个基团存在几种振动模式时，偶极矩变化大的振动，红外吸收峰强；偶极矩变化小的振动，红外吸收峰弱。拉曼光谱与之相反，偶极矩变化大的振动，拉曼峰弱；偶极矩变化小的振动，拉曼峰强；偶极矩没有变化的振动，拉曼峰最强。这就是红外和拉曼的互补性。拉曼光谱还有

7、一个很重要的优点就是水不会干扰其测量，这与红外光谱不一样（如FTIR在中红外光范围中干扰了大部分区域）。O=C=O对称伸缩O=C=O反对称伸缩偶极距不变无红外活性极化率变有拉曼活性极化率不变无拉曼活性偶极距变有红外活性Raman散射与红外吸收方法机理不同，所遵守的选择定则也不同。两种方法可以相互补充，这样对分子的问题可以更周密的研究。下图是Nylon66的Raman与红外光谱图。三.拉曼光谱的实验装置拉曼分光光度计有成套的设备，也可以分部件装配。下图为谱仪的装置示意图，主要有激光光源，外光路系统及样品装置，单色仪和探测

8、记录装置，现分述如下:3.1激光光源激光出现以前主要用低压水银灯作为光源，目前几乎不再使用。为了激发拉曼光谱，对光源最主要的要求是应当具有好的单色性，即线宽要窄，并能够在试样上给出高辐照度。气体激光器能满足这些要求。各种气体激光器可以提供许多条功率水平不同的激发线。最常用的是氩离子激光，波长为514.5nm和488.0nm的谱线最