拉曼光谱培训讲义

拉曼光谱(Raman spectra)，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。

历史

1928年C.V.拉曼实验发现，当光穿过透明介质(液体苯)被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分υ0-υ1又称为斯托克斯线，频率较大的成分υ0+υ1又称为反斯托克斯线。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱；远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。瑞利散射线的强度只有入射光强

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度的10，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的10。小拉曼光谱与分子的转动能级有关， 大拉曼光谱与分子振动-转动能级有关。拉曼光谱的理论解释是，入射光子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0-υ1的光子(即吸收的能量大于释放的能量)，同时分子从低能态跃迁到高能态(斯托克斯线)；分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0+υ1的光子(即释放的能量大于吸收的能量)，同时分子从高能态跃迁到低能态(反斯托克斯线 )。分子能级的跃迁仅涉及转动能级，发射的是小拉曼光谱；涉及到振动-转动能级，发射的是大拉曼光谱。与分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。

拉曼散射光谱的特征

a. 拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关；

b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。

c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。故拉曼光谱记录的是斯托克斯线，瑞利散射和反斯托克斯线就不记录了。

拉曼光谱和红外光谱的相同点

拉曼波数的常规范围：40-4000 cm-1，一台拉曼就包括了完整的震动频率范围。而红外光谱包括近中远范围，通常需要几台仪器或用一台仪器分几次扫描才能完成整个光谱的记录。 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。因此对于某一给定的化合物，某些峰的红外吸收波数与拉曼位移完全相同。红外吸收波数与拉曼位移均在红外区，两者都反映分子的结构信息。

拉曼光谱和红外光谱的区别

红外光谱测定的是样品的透射光谱。当红外光穿过样品时，样品分子基团吸收红外光产生振动，得到红外吸收光谱。其入射光及检测光都是红外光。横坐标是波数或波长表示。需制样。红外池窗片都是金属卤化物，大多数溶于水且水本身有红外吸收，故不能测水溶液。样品池需要特殊材料。 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，产生拉曼散射，检测器检测到的是拉曼散射光。其入射光及检测光都是可见光。横坐标是拉曼位移，即与瑞利散射频率的差值。不需制样，但有时会烧蚀样品。可测水溶液。可用普通的玻璃毛细管或石英池做样品池。

如何判别分子的拉曼或红外活性？

1)凡是具有对称中心的分子，如CS2和CO2等线性分子，红外和拉曼活性是相互排斥的，若红外吸收是活性的，则拉曼散射是非活性的，反之亦然。

2)不具有对称中心的分子，如H2O，SO2等，其红外和拉曼活性是并存的。当然，在两种谱图中各峰之间的强度比可能有所不同。 3)少数分子的振动其红外光谱和拉曼光谱都是非活性的，例如平面对称分子乙烯的扭曲振动，即没有偶极矩变化，也不产生极化率的改变。

为什么要测定拉曼光谱？

红外光谱和拉曼光谱是互补的。

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。

拉曼光谱技术的优越性

提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外： 1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。

2 拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器。

3 拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

4 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。

5 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。

激光拉曼光谱法的应用

激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面上的应用，在表面和薄膜方面的应用。

有机化学：拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是碇化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依据。

高聚物：拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体(单休异构、位置异构、几何异构和空间立现异构等)的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。电活性聚合物如聚毗咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具，在高聚物的工业生产方面，如对受挤压线性聚乙烯的形态、高强度纤维中紧束分子的观测，以及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究中都采用了拉曼光谱。

生物：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。拉曼光谱在蛋白质二级结构的研究、DNA和致癌物分子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、动脉硬化操作中的钙化沉积和红细胞膜的等研究中的应用均有文献报道。

利用FT-Raman消除生物大分子荧光干扰等，有许多成功的示例。

表面和薄膜：拉曼光谱在材料的研究方面，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多例作。 最近，对于拉曼光谱在金刚石和类金刚石薄膜的研究工作中的应用，国内外学者的兴趣有增无减。

拉曼光谱已成CVD(化学气相沉积法)制备薄膜的检测和鉴定手段。

另外，LB膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光谱研究都已见报道。 尽管拉曼散射很弱，拉曼光谱通常不够灵敏，但利用共振或表面增强拉曼技术就可以大大加强拉曼光谱的灵敏度。表面增强拉曼光谱学(SERS)已成为拉曼光谱研究中活跃的一个领域。

相关技术

表面增强拉曼光谱技术

自1974年Fleischmann等人发现吸附在粗糙化的Ag电极表现的吡啶分子具有巨大的拉曼散射现象，加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制，使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，这种表面增强效应被称为表面增强拉曼散射(SERS)。SERS技术是一种新的表面测试技术，可以在分子水平上研究材料分子的结构信息。 高温拉曼光谱技术

高温激光拉曼技术被用于冶金、玻璃、地质化学、晶体生长等领域，用它来研究固体的高温相变过程，熔体的键合结构等。然而这些测试需在高温下进行，必须对常规拉曼仪进行技术改造。 共振拉曼光谱技术

激光共振拉曼光谱(RRS)产生激光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带

的104～106倍，并观察到正常拉曼效应中难以出现的、其强度可与基频相比拟的泛音及组合振动光谱。与正常拉曼光谱相比，共振拉曼光谱灵敏充高，结合表面增强技术，灵敏度已达到单分子检测 。 傅立叶变换拉曼光谱技术

傅立叶变换拉曼光谱是上世纪90年代发展起来的新技术，1987年，Perkin Elmer公司推出第一台近红外激发傅立叶变换拉曼光谱(NIR FT-IR)仪，采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来提高信噪比，并用1064mm的近红外激光照射样品，大大减弱了荧光背景。从此，Fr-Raman在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力。

拉曼光谱与光导纤维技术的联用

光导纤维的引入,使拉曼光谱仪用于工业在线分析以及现场遥测分析成为可能。Huy 等使用两个10 m长、100 μm 直径的光纤,激光波长为514. 5 nm ,对苯/ 庚烷混合物进行分析,获得非常好的结果。Benoit 等将光导纤维传感器用于拉曼光谱仪, 使得液体样品的拉曼信号增强了50 倍。Cooney 等人比较单个光纤与多个光纤应用于拉曼光谱仪的结果,发现多个光纤的应用将改善收集拉曼光的有效性。Cooper 等利用光纤遥控拉曼技术分析了石油染料中的二甲苯异构体。近年来,国外将1550 nm 光纤激光器、EDFA 光纤放大器技术应用于拉曼散射型分布光纤温度传感器系统,取得了较好的结果。分布式光纤拉曼光子温度传感器已成为光纤传感技术和检测技术的发展趋势。由于它具有独特的性能,因此已成为工业过程控制中的一种新的检测装置,发展成一个工业自动化测量网络。 固体光声拉曼技术

光声拉曼技术是通过光声方法来直接探测样品中因相干拉曼过程而存储能量的一种非线性光存储技术。光声拉曼信号正比于固体介质三阶拉曼极化率的虚部,与非共振拉曼极化率无关,因而完全避免了非共振拉曼散射的影响,并且克服了传统的光学法受瑞利散射,布里渊散射干扰的缺点,具有高灵敏度(能探测到10–6 cm-1的拉曼系数) 、高分辨率和基本上没有光学背景等优点。在气体、液体样品的检测分析中获得了理想的效果。由于不像相干斯托克斯拉曼过程那样有比较严格的相位匹配角要求,因而它也很适合用于研究固体介质特性。Barrett 等人从理论上分析了气体样品中的光声拉曼光谱技术过程,但与之不同,固体介质的光声拉曼效应是由相干拉曼增益过程产生的局部热能耦合到样品本身的振动模式的热弹过程,对于介质各向异性结构,三阶非线性拉曼极化率张量形式表现出对称性,因而,情况要复杂得多,运用平行模型和热弹性理论,导出固体介质样品中光声拉曼信号的解析式,对固体中光声拉曼效应的一些特性进行分析。 拉曼光谱与其他仪器联用技术

近两年，实现拉曼与其它多种微区分析测试仪器的联用，其中有：拉曼与扫描电镜联用(Raman-SEM)；拉曼与原子力显微镜/近场光学显微镜联用(Raman-AFM/NSOM)；拉曼与红外联用(Raman-IR)；拉曼与激光扫描共聚焦显微镜联用(Raman-CLSM)，这些联用的着眼点是微区的原位检测。通过联用可以获得更多的信息，并提高可靠度。

共焦显微拉曼光谱技术

显微拉曼光谱技术是将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种应用技术。与其他传统技术相比，更易于直接获得大量有价值信息，共聚焦显微拉曼光谱不仅具有常规拉曼光谱的特点，还有自己的独特优势。辅以高倍光学显微镜，具有微观、原位、多相态、稳定性好、空间分辨率高等特点，可实现逐点扫描，获得高分辨率的三维图像，近几年共聚焦显微拉曼光谱在肿瘤检测、文物考古、公安法学等领域有着广泛的应用。

赛默飞世尔DXR型激光显微拉曼光谱仪

赛默飞世尔DXR型激光显微拉曼光谱仪拥有1微米的空间分辨率和真实的共焦深度剖面图，可满足最苛刻的分析要求，是专门为现在繁忙的分析实验室而设计的研究级工具。此款显微镜可满足用户对高空间分辨率，样品制备简单和拉曼光谱法的强大功能等要求，无需苛求工作繁忙的用户成为拉曼专家。DXR激光显微拉曼光谱仪的空间分辨率等同于或远胜于市面上已有仪器，其独特的设计可帮助用户轻而易举获取高质量的结果。

仪器主要特点：

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