拉曼光譜原理和應用

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1、Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Slide,*,Click to edit Master title style,拉曼光譜原理和,應用,拉曼光譜和拉曼效應,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。,最常用的紅外及拉曼光譜區(qū)域波長是,2.525,m,。（中紅外

2、區(qū)）,分子能級與分子光譜,分子運動包括整體的平動、轉動、振動及電子的運動。分子總能量可近似看成是這些運動的能量之和，即,式中,分別代表分子的平動能、電子運動能、振動能和轉動能。除外，其余三項都是量子化的，統(tǒng)稱分子內部運動能。分子光譜產(chǎn)生于分子內部運動狀態(tài)的改變。,分子有不同的電子能級（，,），每個電子能級又有不同的振動能級（,）,拉曼光譜和拉曼效應,而每個振動能級又有不同的轉動能級,(,).,一定波長的電磁波作用于被研究物質的分子，引起分子相應能級的躍遷，產(chǎn)生分子吸收光譜。引起分子電子能級躍遷的光譜稱電子吸收光譜，其波長位于紫外可見光區(qū)，故稱紫外可見光譜。電子能級躍遷的同時伴有振動能級和轉動能

3、級的躍遷。,引起分子振動能級躍遷的光譜稱振動光譜，振動能級躍遷的同時伴有轉動能級的躍遷。紅外吸收和拉曼散射光譜是分子的振動轉動光譜。,用遠紅外光波照射分子時，只會引起分子中轉動能級的躍遷，得到純轉動光譜。,拉曼光譜和拉曼效應,拉曼散射,拉曼散射是分子對光子的一種非彈性散射效應。當用一定頻率（）的激發(fā)光照射分子時，一部分散射光的頻率（）和入射光的頻率相等。這種散射是分子對光子的一種彈性散射。只有分子和光子間的碰撞為彈性碰撞，沒有能量交換時，才會出現(xiàn)這種散射。該散射稱為瑞利散射。還有一部分散射光的頻率和激發(fā)光的頻率不等，這種散射成為拉曼散射。,Raman,散射的幾率極小，最強的,Raman,散射也

4、僅占整個散射光的千分之幾，而最弱的甚至小于萬分之一。,處于振動基態(tài)的分子在光子的作用下，激發(fā)到較高的、不穩(wěn)定的能態(tài)（稱為虛態(tài)），當分子離開不穩(wěn)定的能態(tài)，回到較低能量的振動激發(fā)態(tài)時，散射光的能量等于激發(fā)光的能量減去兩振動能級的能量差。即,拉曼光譜和拉曼效應,此時,。這是拉曼散射的斯托克斯線。,如果光子與振動激發(fā)態(tài)的分子相互作用，被激發(fā)到更高的不穩(wěn)定的能態(tài)，當分子離開不穩(wěn)定的能態(tài)回到振動基態(tài)時，散射光的能量等于激發(fā)光的能量加上兩振動能級的能量差。即：,此時，這是拉曼散射的反斯托克斯線。,Vibrational,States,振動能級,i,Ground State,基級,Virtual State,

5、虛能級,Real States,真實能級,Mid IR,Stokes Raman Rayleigh Anti-Stokes Raman,Fluorescence,紅外,斯托克斯拉曼,瑞利散射,反斯托克斯拉曼 熒光,拉曼測量的是什么？,光散射,-,瑞利散射,設散射物分子原來處于基電子態(tài)，當受到入射光照射時，激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態(tài)（,Virtual state,），虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發(fā)光，即為散射光。設仍回到初始的電子態(tài)，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，后者稱為

6、拉曼線。在拉曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。,散射光中，彈性,(,瑞利,),散射占主導,前,后,散射光與入射光有相同的頻率,入射光,分子,分子,散射光,excitation,emission,光散射,-,拉曼,散射光中的,10,10,光子之一是非彈性散射（拉曼）,前,后,光損失能量，使分子振動,入射光,分子,excitation,分子振動,散射光,excit.,-,vib,.,emission,1,：半導體材料,;,2,：聚合體；,3,：碳材料；,4,：地質學,/,礦物學,/,寶石鑒定；,5,：生命科學,;,6,：醫(yī)藥；,7,：

7、化學；,8,：環(huán)境；,9,：物理,10:,法庭科學,:,違禁藥品檢查；區(qū)分各種顏料，色素，油漆，纖維等；爆炸物的研究；墨跡研究；子彈殘留物和地質碎片研究,拉曼光譜的應用領域,拉曼光譜儀器,拉曼光譜儀器的構成：,1,、激發(fā)光源,2,、光學系統(tǒng),3,、分光儀,4,、探測器,5,、計算機處理系統(tǒng),拉曼光譜儀結構方框圖,激發(fā)器,樣前準直光學裝置,樣后集光裝置,單色器,光電倍增管,控制及數(shù)據(jù)處理記錄系統(tǒng),樣品,樣品裝置,直流放大器,記錄系統(tǒng),光子計數(shù)器,拉曼光譜給出的信息,定性的信息,:,拉曼光譜是物質結構的指紋光譜，拉曼光譜常包含有許多確定的能分辨的拉曼峰，應用拉曼管光譜分析可以區(qū)分各種各樣的試樣。定

8、性分析的一個必須做的工作是根據(jù)測得的拉曼譜判定出可能的材料和混合物，限定這些可能物的數(shù)量。,定量的信息,:,測得的分析物拉曼峰強度與分析物濃度間有線性比例關系。分析物拉曼峰面積與分析物濃度間的關系曲線是直線。,拉曼光譜的信息,拉曼頻率的確認,物質的組成,parallel,perpendicular,拉曼偏振,拉曼峰寬,拉曼峰強度,晶體對稱性和取向,晶體質量好壞,物質總量,拉曼光譜的優(yōu)點和特點,對樣品無接觸，無損傷；,樣品無需制備；,快速分析，鑒別各種材料的特性與結構；,能適合黑色和含水樣品；,高、低溫及高壓條件下測量；,光譜成像快速、簡便，分辨率高；,儀器穩(wěn)固，體積適中，,維護成本低，使用簡單

9、。,拉曼散射信號弱（比熒光光譜平均小,2,3,數(shù)量級）。,激光激發(fā)強。,拉曼信號頻率離激光頻率很近。,激光瑞利散射比拉曼信號強,10,10,10,14,，對拉曼信號干擾很大。,拉曼光譜儀器的設計，必須能排除瑞利散射光，并具有高靈敏度（體現(xiàn)在弱信號檢測的高信噪比），才能有效地收集拉曼譜。,拉曼光譜的主要困難,拉曼光譜儀的分類,按照儀器將來自試樣的拉曼散射光隨頻移分散開的方式不同，可將拉曼光譜儀分為三種類型：,1,、濾光器型拉曼光譜儀。,來自絕大部分拉曼散射而只有很狹窄的光譜段進入檢測器，這意味著絕大部分拉曼散射光波被浪費掉。,2,、分光儀型拉曼光譜儀。,將來自入射狹縫的光照射 于衍射光柵，然后將

10、衍射光聚焦在光譜儀輸出平面上。,3,、邁克爾遜干涉儀刑。,來自試樣的拉曼散射光通過干涉儀進入探測器，獲得一干涉圖，隨后進行傅里葉變換得到拉曼光譜。,拉曼光譜儀介紹,JY-T64000,：模塊式三級拉曼光譜儀系統(tǒng),生長廠家：,法國,Horiba,Jobin,Yvon,公司,專家級,研究級,LabRAM,HR,(,高分辨單級拉曼光譜儀,),LabRam,HR,系統(tǒng)具有超高光譜分辨率和獨特的寬波段測量能力。,研究級,LabRAM,ARAMIS(,全自動,),儀器的智能全自動性能為質量控制、分析和研究等應用提供輕松的電腦控制操作。,LabRAM,XploRA,(,智能型,),系統(tǒng)結構緊湊、穩(wěn)固，所有部件都剛性地固定于機箱內，最大限度地保證了儀器的穩(wěn)定性，可方便實現(xiàn)實驗室間搬運，亦可用于移動實驗室。,分析級,Miniature Raman Spectrometers,Thanks For Your Attention,