簡(jiǎn)介

拉曼散射的光譜。1928年C.V.拉曼實(shí)驗發(fā)現，當光穿過(guò)透明介質(zhì)被分子散射的光發(fā)生頻率變化，這一現象稱(chēng)為拉曼散射，同年稍后在蘇聯(lián)和法國也被觀(guān)察到。在透明介質(zhì)的散射光譜中，頻率與入射光頻率υ0相同的成分稱(chēng)為瑞利散射；頻率對稱(chēng)分布在υ0兩側的譜線(xiàn)或譜帶υ0±υ1即為拉曼光譜，其中頻率較小的成分υ0－υ1又稱(chēng)為斯托克斯線(xiàn)，頻率較大的成分υ0＋υ1又稱(chēng)為反斯托克斯線(xiàn)?？拷鹄⑸渚€(xiàn)兩側的譜線(xiàn)稱(chēng)為小拉曼光譜；遠離瑞利線(xiàn)的兩側出現的譜線(xiàn)稱(chēng)為大拉曼光譜。

光子-內部結構模型圖

分子能級的躍遷僅涉及轉動(dòng)能級，發(fā)射的是小拉曼光譜；涉及到振動(dòng)-轉動(dòng)能級，發(fā)射的是大拉曼光譜。與分子紅外光譜不同，極性分子和非極性分子都能產(chǎn)生拉曼光譜。激光器的問(wèn)世，提供了優(yōu)質(zhì)高強度單色光，有力推動(dòng)了拉曼散射的研究及其應用。拉曼光譜的應用范圍遍及化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和醫學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，對于純定性分析、高度定量分析和測定分子結構都有很大價(jià)值。^[1]

含義

光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長(cháng)相同的成分，非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長(cháng)長(cháng)的和短的成分, 統稱(chēng)為喇曼效應。

原理

拉曼光譜

設散射物分子原來(lái)處于基電子態(tài)，振動(dòng)能級如圖所示。當受到入射光照射時(shí)，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(xiàn)，也有與入射光頻率不同的譜線(xiàn)，前者稱(chēng)為瑞利線(xiàn)，后者稱(chēng)為喇曼線(xiàn)。在喇曼線(xiàn)中，又把頻率小于入射光頻率的譜線(xiàn)稱(chēng)為斯托克斯線(xiàn)，而把頻率大于入射光頻率的譜線(xiàn)稱(chēng)為反斯托克斯線(xiàn)。

拉曼光譜

大拉曼位移：（為振動(dòng)能級帶頻率）

小拉曼位移：（其中B為轉動(dòng)常數）

簡(jiǎn)單推導小拉曼位移：利用轉動(dòng)常數

譜線(xiàn)特征

拉曼散射光譜具有以下明顯的特征：

a.拉曼散射譜線(xiàn)的波數雖然隨入射光的波數而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線(xiàn)的位移與入射光的波長(cháng)無(wú)關(guān)，只和樣品的振動(dòng)轉動(dòng)能級有關(guān)；

b. 在以波數為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線(xiàn)和反斯托克斯線(xiàn)對稱(chēng)地分布在瑞利散射線(xiàn)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(gè)振動(dòng)量子的能量。

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

簡(jiǎn)單解釋?zhuān)喊凑詹柶澛植悸?，處于激發(fā)態(tài)的分子數與處于正常態(tài)分子數之比是：其中g(shù)為該狀態(tài)下的簡(jiǎn)并度。

可以解釋?zhuān)簻囟壬?，反斯托克斯線(xiàn)的強度迅速增大，斯托克斯線(xiàn)強度變化不大轉動(dòng)能級中，所以，由于較低和較高的轉動(dòng)態(tài)都有顯著(zhù)的布居，所以小拉曼位移兩組譜線(xiàn)(反斯托克斯線(xiàn)，斯托克斯線(xiàn))強度差不多。

光譜的實(shí)驗分析

通過(guò)結構分析解釋光譜：

分子為四面體結構，一個(gè)碳原子在中心，四個(gè)氯原子在四面體的四個(gè)頂點(diǎn)。當四面體繞其自身的一軸旋轉一定角度，或記性反演(r—-r)、或旋轉加反演之后，分子的幾何構形不變的操作稱(chēng)為對稱(chēng)操作，其旋轉軸成為對稱(chēng)軸。CCI4有13個(gè)對稱(chēng)軸，有案可查4個(gè)對稱(chēng)操作。我們知道，N個(gè)原子構成的分子有礙（3N—6）個(gè)內部振動(dòng)自由度。因此分子可以有9個(gè)(3×5—6)自由度，或稱(chēng)為9個(gè)獨立的簡(jiǎn)正振動(dòng)。根據分子的對稱(chēng)性，這9種簡(jiǎn)正振動(dòng)可歸納成下列四類(lèi)：

（圖）附圖

第二類(lèi)，有兩種振動(dòng)方式，相鄰兩對CI原子在與C原子聯(lián)線(xiàn)方向上，或在該聯(lián)線(xiàn)垂直方向上同時(shí)作反向運動(dòng)，記作，表示二重簡(jiǎn)并振動(dòng)。

第三類(lèi)，有三種振動(dòng)方式，4個(gè)CI與C原子作反向運動(dòng)，記作，表示三重簡(jiǎn)并振動(dòng)。

第四類(lèi)，有三種振動(dòng)方式，相鄰的一對CI原子作伸張運動(dòng)，另一對作壓縮運動(dòng)，記作，表示另一種三重簡(jiǎn)并振動(dòng)。

上面所說(shuō)的“簡(jiǎn)并”，是指在同一類(lèi)振動(dòng)中，雖然包含不同的振動(dòng)方式但具有相同的能量，它們在拉曼光譜中對應同一條譜線(xiàn)。因此，分子振動(dòng)拉曼光譜應有4個(gè)基本譜線(xiàn)，根據實(shí)驗中測得各譜線(xiàn)的相對強度依次為。苯的譜線(xiàn)也見(jiàn)附圖，分析類(lèi)似，這里不再贅述。^[2]

應用

拉曼光譜

分析物質(zhì)性質(zhì)

通過(guò)對拉曼光譜的分析可以知道物質(zhì)的振動(dòng)轉動(dòng)能級情況，從而可以鑒別物質(zhì)，分析物質(zhì)的性質(zhì)。

天然雞血石和仿造雞血石的拉曼光譜有本質(zhì)的區別：前者主要是地開(kāi)石和辰砂的拉曼光譜，后者主要是有機物的拉曼光譜，利用拉曼光譜可以區別二者。圖中a是地（黑色），b是血（紅色）。

天然雞血石“地”的主要成分為地開(kāi)石，天然雞血石樣品“血”既有辰砂又有地開(kāi)石，實(shí)際上是辰砂與地開(kāi)石的集合體。仿造雞血石“地”的主要成分是聚苯乙烯-丙烯腈，“血”與一種名為PermanentBordo的紅色有機染料的拉曼光譜基本吻合。

拉曼光譜

鑒別毒品

常見(jiàn)毒品均有相當豐富的拉曼特征位移峰，且每個(gè)峰的信噪比較高，表明用拉曼光譜法對毒品進(jìn)行成分分析方法可行，得到的譜圖質(zhì)量較高。由于激光拉曼光譜具有微區分析功能，即使毒品和其它白色粉末狀物質(zhì)混和在一起，也可以通過(guò)顯微分析技術(shù)對其進(jìn)行識別，得到毒品和其它白色粉末分別的拉曼光譜圖。

利用拉滿(mǎn)光譜可以監測物質(zhì)的制備：擔載型硫化鉬、硫化鎢催化劑是由相應的擔載型金屬氧化物在H2和H2S氣氛下程序升溫制得的，在工業(yè)上主要用作加氫精制催化劑。在這樣的工業(yè)條件下，二維表面金屬氧化物轉變?yōu)槎S或三維金屬硫化物。與負載金屬氧化物相比，負載金屬硫化物的拉曼光譜研究相對較少，這是由于黑色的硫化物相對可見(jiàn)光的吸收較強，導致信號較弱。然而拉曼光譜能較易檢測到小的金屬硫化物微晶。

拉曼光譜

監測水果表面殘留農藥

（圖）不同種類(lèi)的水果表面滴加植保博士后得到的拉曼譜

不同種類(lèi)的水果表面滴加植保博士后得到的拉曼譜（見(jiàn)左圖）。很明顯，除了水果原本的拉曼峰外，植保博士的特征峰為993ｃｍ-1、1348ｃｍ-1、1591ｃｍ-1都出現了由于實(shí)驗中模擬農藥噴灑的方式比實(shí)際噴灑時(shí)的農藥量少得多，盡管如此，農藥的殘留仍然清晰地顯示出來(lái)，這表明這一方法是靈敏而適用的。定量地分析農藥殘留可以從農藥特征譜線(xiàn)和水果特征譜線(xiàn)的相對強度比獲得。

拉曼光譜儀

拉曼光譜儀一般由以下五個(gè)部分構成。

1．光源

它的功能是提供單色性好、功率大并且最好能多波長(cháng)工作的入射光。目前拉曼光譜實(shí)驗的光源己全部用激光器代替歷史上使用的汞燈。對常規的拉曼光譜實(shí)驗，常見(jiàn)的氣體激光器基本上可以滿(mǎn)足實(shí)驗的需要。在某些拉曼光譜實(shí)驗中要求入射光的強度穩定，這就要求激光器的輸出功率穩定。

2．外光路

外光路部分包括聚光、集光、樣品架．濾光和偏振等部件。

(1) 聚光：用一塊或二塊焦距合適的會(huì )聚透鏡，使樣品處于會(huì )聚激光束的腰部，以提高樣品光的輻照功率，可使樣品在單位面積上輻照功率比不用透鏡會(huì )聚前增強105倍。

(2) 集光：常用透鏡組或反射凹面鏡作散射光的收集鏡。通常是由相對孔徑數值在1左右的透鏡組成。為了更多地收集散射光，對某些實(shí)驗樣品可在集光鏡對面和照明光傳播方向上加反射鏡。

（圖）拉曼樣品的幾種典型空間配a.透明液體 b.透明固體 c.不透明固體d.加溫樣品 e.背向散射樣品 f.前向散射樣品

(4) 濾光：安置濾光部件的主要目的是為了抑制雜散光以提高拉曼散射的信噪比。在樣品前面，典型的濾光部件是前置單色器或干涉濾光片，它們可以濾去光源中非激光頻率的大部分光能。小孔光欄對濾去激光器產(chǎn)生的等離子線(xiàn)有很好的作用。在樣品后面，用合適的干涉濾光片或吸收盒可以濾去不需要的瑞利線(xiàn)的一大部分能量，提高拉曼散射的相對強度。

(5) 偏振：做偏振譜測量時(shí)，必須在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋轉器可以改變入射光的偏振方向；在光譜儀入射狹縫前加入檢偏器，可以改變進(jìn)入光譜儀的散射光的偏振；在檢偏器后設置偏振擾亂器，可以消除光譜儀的退偏干擾。

3．色散系統

色散系統使拉曼散射光按波長(cháng)在空間分開(kāi)，通常使用單色儀。由于拉曼散射強度很弱，因而要求拉曼光譜儀有很好的雜散光水平。各種光學(xué)部件的缺陷，尤其是光柵的缺陷，是儀器雜散光的主要來(lái)源。當儀器的雜散光本領(lǐng)小于10-4時(shí)，只能作氣體、透明液體和透明晶體的拉曼光譜。

4．接收系統

拉曼散射信號的接收類(lèi)型分單通道和多通道接收兩種。光電倍增管接收就是單通道接收。

5．信息處理與顯示

為了提取拉曼散射信息，常用的電子學(xué)處理方法是直流放大、選頻和光子計數，然后用記錄儀或計算機接口軟件畫(huà)出圖譜。

優(yōu)勢與不足

提供快速、簡(jiǎn)單、可重復、且更重要的是無(wú)損傷的定性定量分析，它無(wú)需樣品準備，樣品可直接通過(guò)光纖探頭或者通過(guò)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(xué)化合物的理想工具。

2 拉曼一次可以同時(shí)覆蓋50-4000波數的區間，可對有機物及無(wú)機物進(jìn)行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區間則必須改變光柵、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、數據庫搜索、以及運用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結構分析中，獨立的拉曼區間的強度可以和功能集團的數量相關(guān)。

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紅外光譜一個(gè)很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)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(lái)有選擇性地增強大生物分子特個(gè)發(fā)色基團的振動(dòng)，這些發(fā)色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。

拉曼光譜用于分析的不足

(1)拉曼散射面積

(2)不同振動(dòng)峰重疊和拉曼散射強度容易受光學(xué)系統參數等因素的影響

(3)熒光現象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾

(4)在進(jìn)行傅立葉變換光譜分析時(shí)，常出現曲線(xiàn)的非線(xiàn)性的問(wèn)題

(5)任何一物質(zhì)的引入都會(huì )對被測體體系帶來(lái)某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會(huì )對分析的結果產(chǎn)生一定的影響

相關(guān)技術(shù)

1、電化學(xué)原位拉曼光譜法

電化學(xué)原位拉曼光譜法，是利用物質(zhì)分子對入射光所產(chǎn)生的頻率發(fā)生較大變化的散射現象, 將單色入射光(包括圓偏振光和線(xiàn)偏振光) 激發(fā)受電極電位調制的電極表面, 通過(guò)測定散射回來(lái)的拉曼光譜信號(頻率、強度和偏振性能的變化)與電極電位或電流強度等的變化關(guān)系。一般物質(zhì)分子的拉曼光譜很微弱, 為了獲得增強的信號, 可采用電極表面粗化的辦法, 可以得到強度高104-107倍的表面增強拉曼散射(Surface Enahanced Raman Scattering, SERS) 光譜, 當具有共振拉曼效應的分子吸附在粗化的電極表面時(shí), 得到的是表面增強共振拉曼散射(SERRS)光譜, 其強度又能增強102-103。

電化學(xué)原位拉曼光譜法的測量裝置主要包括拉曼光譜儀和原位電化學(xué)拉曼池兩個(gè)部分。拉曼光譜儀由激光源、收集系統、分光系統和檢測系統構成, 光源一般采用能量集中、功率密度高的激光, 收集系統由透鏡組構成, 分光系統采用光柵或陷波濾光片結合光柵以濾除瑞利散射和雜散光以及分光檢測系統采用光電倍增管檢測器、半導體陣檢測器或多通道的電荷藕合器件。原位電化學(xué)拉曼池一般具有工作電極、輔助電極和參比電極以及通氣裝置。為了避免腐蝕性溶液和氣體侵蝕儀器, 拉曼池必須配備光學(xué)窗口的密封體系。在實(shí)驗條件允許的情況下, 為了盡量避免溶液信號的干擾, 應采用薄層溶液(電極與窗口間距為0.1～1mm) , 這對于顯微拉曼系統很重要, 光學(xué)窗片或溶液層太厚會(huì )導致顯微系統的光路改變, 使表面拉曼信號的收集效率降低。電極表面粗化的最常用方法是電化學(xué)氧化- 還原循環(huán)(Oxidation-Reduction Cycle,ORC)法, 一般可進(jìn)行原位或非原位ORC處理。

目前采用電化學(xué)原位拉曼光譜法測定的研究進(jìn)展主要有: 一是通過(guò)表面增強處理把測檢體系拓寬到過(guò)渡金屬和半導體電極。雖然電化學(xué)原位拉曼光譜是現場(chǎng)檢測較靈敏的方法, 但僅能有銀、銅、金三種電極在可見(jiàn)光區能給出較強的SERS。許多學(xué)者試圖在具有重要應用背景的過(guò)渡金屬電極和半導體電極上實(shí)現表面增強拉曼散射。二是通過(guò)分析研究電極表面吸附物種的結構、取向及對象的SERS 光譜與電化學(xué)參數的關(guān)系，對電化學(xué)吸附現象作分子水平上的描述。三是通過(guò)改變調制電位的頻率, 可以得到在兩個(gè)電位下變化的“時(shí)間分辨譜”, 以分析體系的SERS 譜峰與電位的關(guān)系, 解決了由于電極表面的SERS 活性位隨電位而變化而帶來(lái)的問(wèn)題。

2、

是以拉曼散射做為理論基礎的一種光譜分析方法

激光拉曼光譜法的原理是拉曼散射效應。

拉曼散射：當激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子相互作用時(shí)，大部分光子只是發(fā)生改變方向的散射，而光的頻率并沒(méi)有改變，大約有占總散射光的10-10-10-6的散射，不公改變了傳播方向，也改變了頻率。這種頻率變化了的散射就稱(chēng)為拉曼散射。

對于拉曼散射來(lái)說(shuō)，分子由基態(tài)E0被激發(fā)至振動(dòng)激發(fā)態(tài)E1，光子失去的能量與分子得到的能量相等為△E反映了指定能級的變化。因此，與之相對應的光子頻率也是具有特征性的，根據光子頻率變化就可以判斷出分子中所含有的化學(xué)鍵或基團。

這就是拉曼光譜可以作為分子結構的分析工具的理論工具。

3、其他比較重要的拉曼光譜分析技術(shù)

1、單道檢測的拉曼光譜分析技術(shù)。

2、以CCD為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術(shù)。

3、采用傅立葉變換技術(shù)的FT-Raman光譜分析技術(shù)。

4、共振拉曼光譜分析技術(shù)。

5、表面增強拉曼效應分析技術(shù)。