拉曼光谱仪原理及应用

引言：
1928年印度科学家Raman发现了Raman散射效应，在随后的几十年内，由于Raman散射光的强度很弱、激光光源能量低等因素，使得Raman光谱在自发现后的相当长的一段时间内没有得到广泛而实际的应用，直到激光作为激发光源以及傅立叶变换技术的出现，Raman光谱的灵敏度有了本质提高后，其实际应用的范围才逐渐扩大。目前Raman光谱已经逐渐应用了国家安全，材料，化工，石油，生物，环保，医疗，地址等众多领域。我们有请拉曼光谱版面专家jdong老师，对拉曼光谱仪原理及应用做一个详细的讲座。


提要

一、拉曼光谱发展简史

二、拉曼效应产生原理

三、拉曼光谱的特点

四、拉曼光谱与红外光谱的联系与不同

五、拉曼光谱与红外光谱分析方法比较

六、拉曼光谱的应用领域



拉曼光谱发展简史

(1)1928年发现拉曼散射效应的印度物理学家拉曼(C.V.Raman)，因该项发现荣获1930年的诺贝尔物理学奖；

(2)1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；

(3)1940~1960年，拉曼光谱的发展停滞。主要是因为拉曼效应太弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落；

(4)1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在医药、物理、化学、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。


拉曼效应产生原理

当一束频率为V0的单色光照射到样品上后，分子可以使入射光发生散射。大部分光只是改变方向发生散射，而光的频率仍与激发光的频率相同，这种散射称为瑞利散射；约占总散射光强度的10-6～10-10的散射，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频率也改变了，不同于激发光的频率，称为拉曼散射。拉曼散射中频率减少的称为斯托克斯散射，频率增加的散射称为反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多，拉曼光谱仪通常测定的大多是斯托克斯散射，也统称为拉曼散射。
散射光与入射光之间的频率差V称为拉曼位移，拉曼位移与入射光频率无关，它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的，拉曼位移取决于分子振动能及的变化，不同化学键或基团有特征的分子振动，ΔE反映了指定能级的变化，因此与之对应的拉曼位移也是特征的。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据。


拉曼光谱的特点

● 对样品无接触，无损伤；

● 样品无需制备；

● 快速分析，鉴别各种材料的特性与结构；

● 能适合黑色和含水样品；

● 高、低温及高压条件下测量；

● 光谱成像快速、简便，分辨率高；

● 仪器稳固，体积适中；

● 维护成本低，使用简单

拉曼光谱与红外光谱的联系与不同

红外光谱与拉曼光谱互称为姊妹谱。因此，可以相互补充。

① 相似之处：

激光拉曼光谱与红外光谱一样，都能提供分子振动频率的信息，对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量。


② 不同之处：

a  红外光谱的入射光及检测光都是红外光，而拉曼光谱的入射光和散射光大多是可见光。拉曼效应为散射过程，拉曼光谱为散射光谱，红外光谱对应的是与某一吸收频率能量相等的（红外）光子被分子吸收，因而红外光谱是吸收光谱。

b  机理不同：从分子结构性质变化的角度看，拉曼散射过程来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率的变化相关。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，是拉曼活性的。红外吸收过程与分子永久偶极矩的变化相关，一般极性分子及基团的振动引起永久偶极矩的变化，故通常是红外活性的。

c  制样技术不同：红外光谱制样复杂，拉曼光谱勿需制样，可直接测试水溶液。

③ 两者间的联系

可用经验规则来判断分子的红外或拉曼活性：

a  相互排斥规则：凡有对称中心的分子，若有拉曼活性，则红外是非活性的；若红外活性，则拉曼非活性。

b  相互允许规则：凡无对称中心的分子，大多数的分子，红外和拉曼都活性。

c  相互禁止规则：少数分子的振动，既非拉曼活性，又非红外活性。


拉曼光谱的应用领域

1、拉曼光谱在化学研究中的应用

　　拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定和分子相互作用的手段，它与红外光谱互为补充，可以鉴别特殊的结构特征或特征基团。拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是鉴定化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为分子异构体判断的依据。在无机化合物中金属离子和配位体间的共价键常具有拉曼活性，由此拉曼光谱可提供有关配位化合物的组成、结构和稳定性等信息。另外，许多无机化合物具有多种晶型结构，它们具有不同的拉曼活性，因此用拉曼光谱能测定和鉴别红外光谱无法完成的无机化合物的晶型结构。


2、拉曼光谱在高分子材料中的应用

　　拉曼光谱可提供聚合物材料结构方面的许多重要信息。如分子结构与组成、立体规整性、结晶与去向、分子相互作用，以及表面和界面的结构等。从拉曼峰的宽度可以表征高分子材料的立体化学纯度。如无规立场试样或头-头，头-尾结构混杂的样品，拉曼峰是弱而宽，而高度有序样品具有强而尖锐的拉曼峰。研究内容包括：

(1)化学结构和立构性判断：高分子中的C=C、C-C、S-S、C-S、N-N等骨架对拉曼光谱非常敏感，常用来研究高分子的化学组份和结构。

(2)组分定量分析：拉曼散射强度与高分子的浓度成线性关系，给高分子组分含量分析带来方便。

(3)晶相与无定形相的表征以及聚合物结晶过程和结晶度的监测。

(4)动力学过程研究：伴随高分子反应的动力学过程如聚合、裂解、水解和结晶等。相应的拉曼光谱某些特征谱带会有强度的改变。


3、拉曼光谱在生物学研究中的应用

　　拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。

生物大分子的拉曼光谱可以同时得到许多宝贵的信息：

(1)蛋白质二级结构：α-螺旋、β-折叠、无规卷曲及β-回转

(2)蛋白质主链构像：酰胺Ⅰ、Ⅲ，C-C、C-N伸缩振动

(3)蛋白质侧链构像：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的侧链和后二者的构像及存在形式随其微环境的变化


4、拉曼光谱在中草药研究中的应用

　　各种中草药因所含化学成分的不同而反映出拉曼光谱的差异，拉曼光谱在中草药研究中的应用包括：

(1)中草药化学成分分析

　　高效薄层色谱(TLC) 能对中草药进行有效分离但无法获得各组份化合物的结构信息，而表面增强拉曼光谱(SERS)具有峰形窄、灵敏度高、选择性好的优点，可对中草药化学成分进行高灵敏度的检测。利用TLC的分离技术和SERS的指纹性鉴定结合，是一种在TLC原位分析中草药成分的新方法。

(2)中草药的无损鉴别

　　由于拉曼光谱分析，无需破坏样品，因此能对中草药样品进行无损鉴别，这对名贵中中草药的研究特别重要。

(3)中草药的稳定性研究

　　利用拉曼光谱动态跟踪中草药的变质过程，这对中草药的稳定性预测、监控药材的质量具有直接的指导作用。

(4)中药的优化

对于中草药及中成药和复方这一复杂的混合物体系，不需任何成分分离提取直接与细菌和细胞作用，利用拉曼光谱无损采集细菌和细胞的光谱图，观察细菌和细胞的损伤程度，研究其药理作用，并进行中药材、中成药和方剂的优化研究。


5、拉曼光谱技术在宝石研究中的应用

　　拉曼光谱技术已被成功地应用于宝石学研究和宝石鉴定领域。拉曼光谱技术可以准确地鉴定宝石内部的包裹体，提供宝石的成因及产地信息，并且可以有效、快速、无损和准确地鉴定宝石的类别--天然宝石、人工合成宝石和优化处理宝石。

(1)拉曼光谱在宝石包裹体研究中的应用

　　拉曼光谱可以用于宝石包裹体化学成分的定性、定量检测，利用拉曼光谱技术研究矿物内的包裹体特征，可以获得有关宝石矿物的成因及产地的信息。

(2)拉曼光谱在宝石鉴定中的应用

拉曼光谱测试的微区可达1-2um，在宝石鉴定中具有明显的优势，能够探测宝石极其微小的杂质、显微内含物和人工掺杂物，且能满足宝石鉴定所必须的无损、快速的要求。