一文了解拉曼光譜測試的特點

拉曼光譜（Raman spectra），是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。

　　拉曼散射光譜具有以下明顯的特征

　　a.拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關,只和樣品的振動轉動能級有關；

　　b. 在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側, 這是由于在上述兩種情況下分別相應于得到或失去了一個振動量子的能量。

　　c. 一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。

　　拉曼光譜技術的優(yōu)越性

　　提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。

　　1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。

　　2 拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。

　　3 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區(qū)間的強度可以和功能集團的數(shù)量相關。

　　4 因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。

　　5 共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發(fā)色基團的振動，這些發(fā)色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。

　　定性鑒別　　
　　拉曼光譜可提供任何分子中官能基團的結構信息。因此可用來鑒別試驗和結構解析。多晶現(xiàn)象可以參照紅外的處理?！?/span>

　
　 　定量測定

　　拉曼譜帶的強度與待測物濃度的關系遵守比爾定律：IV=KLCI0其中IV是給定波長處的峰強，K代表儀器和樣品的參數(shù)，L是光路長度，C是樣品中特定組分的摩爾濃度，I0是激光強度。實際工作中，光路長度被更準確的描述為樣品體積，這是一種描述激光聚焦和采集光學的儀器變量。上述等式是拉曼定量應用的基礎。

拉曼光譜的原理

1、瑞利散射與拉曼散射

　　當一束激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子發(fā)生相互作用時，大部分光子僅是改變了方向，發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光源一致，這種散射稱為瑞利散射。但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向，而且也改變了光波的頻率，這種散射稱為拉曼散射。其散射光的強度約占總散射光強度的10-6～10-10。拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換改變了光子的能量。

2、拉曼散射的產(chǎn)生

　　光子和樣品分子之間的作用可以從能級之間的躍遷來分析。樣品分子處于電子能級和振動能級的基態(tài)，入射光子的能量遠大于振動能級躍遷所需要的能量，但又不足以將分子激發(fā)到電子能級激發(fā)態(tài)。這樣，樣品分子吸收光子后到達一種準激發(fā)狀態(tài)，又稱為虛能態(tài)。樣品分子在準激發(fā)態(tài)時是不穩(wěn)定的，它將回到電子能級的基態(tài)。若分子回到電子能級基態(tài)中的振動能級基態(tài)，則光子的能量未發(fā)生改變，發(fā)生瑞利散射。如果樣品分子回到電子能級基態(tài)中的較高振動能級即某些振動激發(fā)態(tài)，則散射的光子能量小于入射光子的能量，其波長大于入射光。這時散射光譜的瑞利散射譜線較低頻率側將出現(xiàn)一根拉曼散射光的譜線，稱為Stokes線。如果樣品分子在與入射光子作用前的瞬間不是處于電子能級基態(tài)的zui低振動能級，而是處于電子能級基態(tài)中的某個振動能級激發(fā)態(tài)，則入射光光子作用使之躍遷到準激發(fā)態(tài)后，該分子退激回到電子能級基態(tài)的振動能級基態(tài)，這樣散射光能量大于入射光子能量，其譜線位于瑞利譜線的高頻側，稱為antiStokes線。Stokes線和anti-Stokes線位于瑞利譜線兩側，間距相等。Stokes線和anti-Stokes線統(tǒng)稱為拉曼譜線。由于振動能級間距還是比較大的，因此，根據(jù)波爾茲曼定律，在室溫下，分子絕大多數(shù)處于振動能級基態(tài)，所以Stokes線的強度遠遠強于anti-Stokes線。拉曼光譜儀一般記錄的都只是Stokes線。

3、拉曼位移(RamanShift)

　　斯托克斯與反斯托克斯散射光的頻率與激發(fā)光源頻率之差Δν統(tǒng)稱為拉曼位移(RamanShift)。斯托克斯散射的強度通常要比反斯托克斯散射強度強得多，在拉曼光譜分析中，通常測定斯托克斯散射光線。拉曼位移取決于分子振動能級的變化，不同的化學鍵或基態(tài)有不同的振動方式，決定了其能級間的能量變化，因此，與之對應的拉曼位移是特征的。這是拉曼光譜進行分子結構定性分析的理論依據(jù)。

4、拉曼譜參數(shù)

　　拉曼譜的參數(shù)主要是譜峰的位置和強度。峰位是樣品分子電子能級基態(tài)的振動態(tài)性質的一種反映，它是用入射光與散射光的波數(shù)差來表示的。峰位的移動與激發(fā)光的頻率無關。拉曼散射強度與產(chǎn)生譜線的特定物質的濃度有關，成正比例關系。而在紅外譜中，譜的強度與樣品濃度成指數(shù)關系。)樣品分子量也與拉曼散射有關，樣品分子量增加，拉曼散射強度一般也會增加。對于一定的樣品，強度I與入射光強度I0、散射光頻率ns、分子極化率a有如下關系：I=CI0ns4a2(這里C是一個常數(shù))。

5、拉曼散射的選擇定則

　　外加交變電磁場作用于分子內的原子核和核外電子，可以使分子電荷分布的形狀發(fā)生畸變，產(chǎn)生誘導偶極矩。極化率是分子在外加交變電磁場作用下產(chǎn)生誘導偶極矩大小的一種度量。極化率高，表明分子電荷分布容易發(fā)生變化。如果分子的振動過程中分子極化率也發(fā)生變化，則分子能對電磁波產(chǎn)生拉曼散射，稱分子有拉曼活性。有紅外活性的分子振動過程中有偶極矩的變化，而有拉曼活性的分子振動時伴隨著分子極化率的改變。因此，具有固有偶極矩的極化基團，一般有明顯的紅外活性，而非極化基團沒有明顯的紅外活性。拉曼光譜恰恰與紅外光譜具有互補性。凡是具有對稱中心的分子或基團，如果有紅外活性，則沒有拉曼活性；反之，如果沒有紅外活性，則拉曼活性比較明顯。一般分子或基團多數(shù)是沒有對稱中心的，因而很多基團常常同時具有紅外和拉曼活性。當然，具體到某個基團的某個振動，紅外活性和拉曼活性強弱可能有所不同。有的基團如乙烯分子的扭曲振動，則既無紅外活性又無拉曼活性。

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