研究生raman光譜

1、Raman光譜技術(shù)及其應(yīng)用,,2009年 11月,羅孟飛,,一、拉曼光譜基本原理,Raman光譜的發(fā)展歷史,印度科學(xué)家拉曼于1928年發(fā)現(xiàn)了在光散射過程中，除了與入射光ν0相同的瑞利光，還發(fā)現(xiàn)一系列其他頻率的光。這種頻率變化的散射被命名為拉曼散射。為此拉曼成為亞洲第一個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家(1930年）。,在1960年激光發(fā)現(xiàn)以前，由于采用高壓汞弧 燈，Raman信號(hào)很弱，應(yīng)用范圍很小。1960年以后Raman光譜得到了迅速的發(fā)展

2、，成為物理、化學(xué)等領(lǐng)域重要的表征手段。,,拉曼散射光和瑞利散射光的頻率之差——拉曼位移，拉曼位移與物質(zhì)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。不同的物質(zhì)有不同的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，因而有不同的拉曼位移。對(duì)于同一物質(zhì)，若用不同頻率的入射光照射，雖然產(chǎn)生的拉曼散射頻率不同，但其拉曼位移卻是一個(gè)確定的值。因此，拉曼位移是表征物質(zhì)分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)特性的一個(gè)物理量。,,拉曼散射強(qiáng)度是十分微弱的，大約為瑞利散射的千分之一。在激光器出現(xiàn)之前，為了得到一幅完善的光譜，

3、往往很費(fèi)時(shí)間。激光器的出現(xiàn)使拉曼光譜學(xué)技術(shù)發(fā)生了很大的變革。成為物理、化學(xué)領(lǐng)域重要的表征手段。,,這是由于激光器輸出的激光具有很好的單色性、方向性，且強(qiáng)度很大，因而它們成為獲得拉曼光譜的非常理想的光源。從而使得拉曼光譜學(xué)的研究變得非?；钴S了，研究范圍有了很大的擴(kuò)展。除擴(kuò)大了所研究的物質(zhì)的品種以外，在研究燃燒過程、探測(cè)環(huán)境污染、分析各種材料等方面拉曼光譜技術(shù)已成為非常有用的實(shí)驗(yàn)工具。以下是其一些典型應(yīng)用:,,拉曼光譜應(yīng)用,食品科學(xué)中的應(yīng)用

4、；地質(zhì)應(yīng)用；藥物分析中的應(yīng)用；多晶分析中的應(yīng)用，生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，疾病診斷中的應(yīng)用，電化學(xué)分析中的應(yīng)用等等,拉曼效應(yīng)的機(jī)制和熒光現(xiàn)象不同，并不吸收激發(fā)光，因此不能用實(shí)際的上能級(jí)來解釋，玻恩和黃昆用虛的上能級(jí)概念說明了拉曼效應(yīng)。下圖是說明拉曼效應(yīng)的一個(gè)簡(jiǎn)化的能級(jí)圖。,設(shè)散射物分子原來處于基電子態(tài)，振動(dòng)能級(jí)如圖所示。當(dāng)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

5、級(jí)上的電子立即躍遷到下能級(jí)而發(fā)光，即為散射光。,,因此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。,,瑞利線與拉曼線的波數(shù)差稱為喇曼位移，因此拉曼位移是分子振動(dòng)能級(jí)的直接量度。下圖給出的是一個(gè)喇曼光譜的示意圖。,,拉曼光譜和紅外光譜的區(qū)別      &#

6、160;紅外光譜和拉曼光譜都屬于分子振動(dòng)光譜，都是研究分子結(jié)構(gòu)的有力手段。紅外光譜測(cè)定的是樣品的透射光譜。當(dāng)紅外光穿過樣品時(shí)，樣品分子中的基團(tuán)吸收紅外光產(chǎn)生振動(dòng)，使偶極矩發(fā)生變化，得到紅外吸收光譜。拉曼光譜測(cè)定的是樣品的發(fā)射光譜。當(dāng)單色激光照射在樣品上時(shí)，分子的極化率發(fā)生變化，產(chǎn)生拉曼散射，檢測(cè)器檢測(cè)到的是拉曼散射光。,二. 拉曼光譜與紅外光譜,,對(duì)于分子中的同一個(gè)基團(tuán)，它的紅外光譜吸收峰的位置和拉曼光譜峰的位置是相同的。在紅外光譜圖中

7、，橫坐標(biāo)的單位可以用波數(shù)表示。在拉曼光譜圖中，雖然橫坐標(biāo)的單位也是用波數(shù)，但表示的是拉曼位移。既然分子中同一個(gè)基團(tuán)的紅外光譜吸收峰的位置和拉曼光譜峰的位置是相同的，為什么還要測(cè)定拉曼光譜呢？,有些基團(tuán)振動(dòng)時(shí)偶極矩變化非常大，紅外吸收峰很強(qiáng)，是紅外活性的，如羰基的吸收。有些基團(tuán)振動(dòng)時(shí)偶極矩沒有變化，不出現(xiàn)紅紅外吸收峰，是紅外非活性的。這種振動(dòng)拉曼峰會(huì)非常強(qiáng)，也是拉曼活性的。,,當(dāng)一個(gè)基團(tuán)存在幾種振動(dòng)模式時(shí)，偶極矩變化大的振動(dòng)，紅外吸收峰強(qiáng)

8、；偶極矩變化小的振動(dòng)，紅外吸收峰弱。拉曼光譜與之相反，偶極矩變化大的振動(dòng)，拉曼峰弱；偶極矩變化小的振動(dòng)，拉曼峰強(qiáng)；偶極矩沒有變化的振動(dòng)，拉曼峰最強(qiáng)。這就是紅外和拉曼的互補(bǔ)性。 拉曼光譜還有一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)就是水不會(huì)干擾其測(cè)量，這與紅外光譜不一樣（如FTIR 在中紅外光范圍中干擾了大部分區(qū)域）。,,,Raman散射與紅外吸收方法機(jī)理不同，所遵守的選擇定則也不同。兩種方法可以相互補(bǔ)充，這樣對(duì)分子的問題可以更周密的研

9、究。下圖是Nylon 66的Raman與紅外光譜圖。,,三. 拉曼光譜的實(shí)驗(yàn)裝置,拉曼分光光度計(jì)有成套的設(shè)備，也可以分部件裝配。下圖為譜儀的裝置示意圖，主要有激光光源，外光路系統(tǒng)及樣品裝置，單色儀和探測(cè)記錄裝置，現(xiàn)分述如下:,,3.1 激光光源,激光出現(xiàn)以前主要用低壓水銀燈作為光源，目前幾乎不再使用。為了激發(fā)拉曼光譜，對(duì)光源最主要的要求是應(yīng)當(dāng)具有好的單色性，即線寬要窄，并能夠在試樣上給出高輻照度。氣體激光器能滿足這些要求。各種氣體激光器

10、可以提供許多條功率水平不同的激發(fā)線。最常用的是氬離子激光，波長(zhǎng)為514.5nm和488.0nm的譜線最強(qiáng)，單頻輸出功率為0.2～1W左右。也可以用氦氖激光（632.8nm，約50mW）。,,3.2 外光路系統(tǒng)及樣品裝置,激光器之后到單色儀之前為外光路系統(tǒng)和試樣裝置，它的作用是為了要在試樣上得到最有效的照射，最大限度地收集散射光，還要適合于不同狀態(tài)的試樣(固體、液體）在各種不同條件（如高，低溫等）下的測(cè)試。 由于拉曼散射的效率很

11、低，裝置要能以最有效的方式照射樣品和聚集散射光，它的光學(xué)設(shè)計(jì)是非常重要的。通常采用聚焦激光束照射到試樣上，以提高試樣上的輻照度，產(chǎn)生拉曼散射。,,透鏡L1聚焦激光束，使其最集中的區(qū)域照射到試樣上，試樣上的輻照度大約可增大一千倍。如功率密度太高會(huì)損壞樣品時(shí)，則不用透鏡。透鏡L2把樣品上被激光束照明的焦柱部分準(zhǔn)確地成象在單色儀的入射狹縫上，以最佳的立體角聚集散射光，并使之與單色儀的集光立體角相匹配。,,,3.3 分光系統(tǒng),分光系統(tǒng)是拉曼譜儀

12、的核心部分，它的主要作用是把散射光分光并減弱雜散光。分光系統(tǒng)要求有高的分辨率和低的雜散光，一般用雙聯(lián)單色儀。兩個(gè)單色儀耦合起來，由于色散是相加的，可以得到較高的分辨率（約1cm-1）。雙聯(lián)單色儀的雜散光（在50cm-1處）可以達(dá)到10-11。為了進(jìn)一步降低雜散光，有時(shí)再加一個(gè)聯(lián)動(dòng)的第三單色儀，此時(shí)分辨率提高了，但譜線強(qiáng)度也相應(yīng)減弱。,雙聯(lián)單色儀,,3.4 探測(cè)、放大和記錄系統(tǒng),拉曼光譜儀的探測(cè)器為光電倍增管。用不同波長(zhǎng)的激發(fā)光，散射光在

13、不同的光譜區(qū)，要選用合適的光譜響應(yīng)的光電倍增管。為了減少其暗電流降低噪聲，以提高信噪比，需用致冷器冷卻光電倍增管。處理光電倍增管輸出的電子脈沖的方法主要有直流放大法和光子計(jì)數(shù)法。,光電倍增管,,3.5 拉光譜實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題,在拉曼光譜實(shí)驗(yàn)中，為了得到高質(zhì)量的譜圖，除了選用性能優(yōu)異的譜儀外，準(zhǔn)確地使用光譜儀，控制和提高儀器分辨率和信噪比是很重要的。,,狹 縫,出射、入射和中間狹縫是拉曼光譜儀的重要部分。入射、出射狹縫的主要功能是

14、控制儀器分辨率，中間狹縫主要是用來抑制雜散光。對(duì)于一個(gè)光譜儀，即使用一絕對(duì)單色光照射狹縫，其出射光也總有一寬度為Δυ的光譜分布。這主要是由儀器光柵，光學(xué)系統(tǒng)的象差，以及系統(tǒng)調(diào)整等因素造成的，并由此決定了儀器的極限分辨率。在實(shí)際測(cè)量中，隨著狹縫寬度加大，分辨率線性下降，使譜線展寬。,雙聯(lián)單色儀,,孔徑角的匹配,由于分辨率是光柵寬度的線性函數(shù)，如果收集光系統(tǒng)不能照明整個(gè)光柵，則儀器分辨率將會(huì)下降。自己組裝光譜儀系統(tǒng)時(shí)更應(yīng)注意這一點(diǎn)，要使收集

15、散射光的立體角與單色儀的集光立體角相匹配。實(shí)際測(cè)量中也應(yīng)注意把散射光正確地聚焦到入射狹縫上，否則不但降低了分辨率也影響了信號(hào)靈敏度。,,激發(fā)功率,提高激發(fā)光強(qiáng)度或增加縫寬能夠提高信噪比，但在進(jìn)行低波數(shù)測(cè)量時(shí)這樣做常常會(huì)因增加了雜散光而適得其反。一般應(yīng)首先盡量降低雜散光，例如，適當(dāng)減小狹縫寬度，保證儀器光路準(zhǔn)直等；然后再考慮用重復(fù)掃描，增加取樣時(shí)間或計(jì)算機(jī)累加平均等方法來消除激光器、光電倍增管及電子學(xué)系統(tǒng)帶來的噪聲。,,激發(fā)波長(zhǎng),,激光波

16、長(zhǎng)對(duì)雜散光及信噪比的影響十分顯著，當(dāng)狹縫寬度不變時(shí)，用氬激光514.5nm比用488.0nm波長(zhǎng)激發(fā)樣品，雜散光要小一到二個(gè)數(shù)量級(jí)（±100cm-1范圍內(nèi)），并且分辨率有所提高。這一方面是由于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光對(duì)儀器內(nèi)少量灰塵或試樣中缺陷的散射弱；另一方面由于狹縫寬度一樣時(shí)，不同波長(zhǎng)的光由出射狹縫出射時(shí)所包含的譜帶寬度不一樣。所以一般用長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光譜線作為激發(fā)光，對(duì)獲得高質(zhì)量的譜圖有利。然而，長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光譜線作為激發(fā)光，容易產(chǎn)生熒光干

17、擾。,,樣 品,,液體，固體，粉末 現(xiàn)在一般采用的共聚焦顯微拉曼，可以用粉末樣品直接分析，所須樣品量少、快速、無(wú)損。但是最好壓片成型，有利于提高分析的分辨率和靈敏度。,,,天津市港東科技發(fā)展有限公司激光喇曼/熒光光譜儀 （LRS-III 配有進(jìn)口的陷波濾波片）,T64000系統(tǒng)是由ISA/JOBIN-YVON公司研制生產(chǎn)的能兼顧單、多道檢測(cè)，設(shè)計(jì)新穎的新一代全電腦化的三級(jí)光譜系統(tǒng)，用于常規(guī)Raman光譜，變溫等極端物

18、理?xiàng)l件下的Raman光譜，顯微Raman光譜和發(fā)射光譜的測(cè)量。,拉曼光譜儀（英國(guó)Ranishaw）,,,四. 實(shí) 例：,,CCl4的拉曼光譜,,,海洛因,罌粟堿,奶 粉,洗衣粉,鑒別毒品：使用拉曼光譜法對(duì)毒品和某些白色粉末進(jìn)行了對(duì)比分析,,催化劑表面積碳的研究,,,,Al2O3高溫相變的研究,當(dāng)采用不同激光波長(zhǎng)的激光器時(shí)，得到的Ramam圖譜可能會(huì)不一樣的，如果發(fā)生這種情況，可以確定獲得不是Raman光譜，是熒光光譜。,如何區(qū)分Ram

19、an和熒光信號(hào),,,,?-Al2O3中Cr，F(xiàn)e等雜質(zhì)引起的熒光峰,,,?-Al2O3中Cr，F(xiàn)e等雜質(zhì)引起的熒光峰,Phys. Stat. Sol. (a), 2006, 203: 2065,發(fā)現(xiàn)粒子表層和體相的相變是不一致的,,,由于樣品對(duì)光的吸收作用，有些信號(hào)被樣品吸收。吸收的程度與樣品的性質(zhì)和激發(fā)光的波長(zhǎng)有關(guān)！,催化劑表面和體相表征,,,UV-vis diffuse reflectance spectra of TiO2,,用

20、532 nm激光獲得的是表面和體相的信息,用325、244 nm 激光獲得的是表面的信息,,,Visible Raman spectra of TiO2 calcined at different temperatures with the excitation line at 532 nm.,Anatase：銳鈦礦,,,Rutile： 金紅石,,,XRD patterns of TiO2 calcined at different t

21、emperatures,Rutile： 金紅石Anatase：銳鈦礦,,,Weight percentage of the rutile phase in the TiO2 sample calcined at different temperatures estimated by visible Raman spectroscopy and XRD.,,,,Anatase：銳鈦礦,,,Rutile： 金紅石,,,532 nm,244

22、 nm,Jing Zhang, Meijun Li, Zhaochi Feng, Jun Chen, Can LiJ. Phys. Chem. B, 2006, 110: 927-935,,,,樣品吸光度的影響,,,,,氧缺位,,,,,,說明表面富集的氧缺位濃度是指數(shù)遞減的,,A587/A465比值與吸光度的關(guān)系,1974年Fleischmann等測(cè)得吡啶吸附在粗糙的Ag電極表面上的高質(zhì)量拉曼光譜。 1977年Van Duyne

23、等計(jì)算得出吡啶拉曼信號(hào)被增強(qiáng)了106倍 這種粗糙表面的增強(qiáng)效應(yīng)，稱為表面增強(qiáng)拉曼散射，所得光譜稱為表面增強(qiáng)拉曼光譜。 1990s, 銀溶膠納米顆粒上增強(qiáng)因子可達(dá)1015，單分子檢測(cè)成為可能。Cu, Ag, Au, Pt, Ru, Rh, Pd, Fe, Co, Ni,,,五. 表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS),1. 表面增強(qiáng)效應(yīng),（1）粗糙的Au、Ag、Cu的SEF(增強(qiáng)因子），通常高達(dá)106。SEF取決于金屬性質(zhì)，一般在1

24、0-103。（2）合適的表面預(yù)處理是獲得強(qiáng)SERS信號(hào)的關(guān)鍵。氧化還原循環(huán)(ORC)、化學(xué)刻蝕、蒸鍍或真空濺射、溶膠、光刻、自組裝和模板技術(shù)等。（3）為產(chǎn)生高SERS活性,根據(jù)金屬性質(zhì)不同,通常需要顆粒尺寸為10-200 nm的表面以獲得最佳的效果。微觀尺度粗糙表面(如表面絡(luò)合物、吸附原子、吸附原子簇等,稱為SERS活性位)在化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理中起著相當(dāng)重要的作用。,,2. 表面增強(qiáng)拉曼散射特征,（4） SERS是一種表(界)面靈敏技術(shù)—

25、吸附在表面的第一層分子有最大的增強(qiáng)。此外,SERS還具有長(zhǎng)程效應(yīng),該效應(yīng)取決于表面的形貌和物理環(huán)境,在離表面幾十納米處的分子也能得到一定的增強(qiáng)。（5）許多吸附在金屬表面或表面附近的分子能產(chǎn)生SERS,但SEF相差很大。一般通過物理作用吸附于表面的分子(離子)增強(qiáng)較小。（6）在電化學(xué)環(huán)境下,表面分子的SERS振動(dòng)頻率和強(qiáng)度是電極電位的函數(shù),對(duì)不同的振動(dòng)模式其電位的依賴關(guān)系不同。,,2. 表面增強(qiáng)拉曼散射特征,電磁場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理主要描述表

26、面局域光電場(chǎng)增強(qiáng)所導(dǎo)致的分子的拉曼散射截面的顯著增大。與構(gòu)成表（界）面材料的光學(xué)性質(zhì)、表面的形貌、激發(fā)光的頻率及被測(cè)分子所處的局域幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。激光激發(fā)納米粒子表面等離子體共振、粗糙顆粒尖端避雷針效應(yīng)、吸附分子的鏡像場(chǎng)作用。僅考慮入射光子與金屬表面的相互作用，對(duì)吸附分子沒有選擇性。,,3. 表面增強(qiáng)機(jī)理,化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理主要描述分子、表面和入射光子三者相互作用的類共振增強(qiáng)現(xiàn)象。電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)機(jī)理：吸附分子與金屬原子團(tuán)簇所形成的表面化合

27、物，在激光誘導(dǎo)下發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致吸附分子的極化率增加。只在分子尺度的短程范圍內(nèi)對(duì)SERS有貢獻(xiàn)。,,3. 表面增強(qiáng)機(jī)理,電化學(xué)氧化還原: 如循環(huán)伏安，方波電壓或電流, Cu, Ag, Au, Pt, Rh 化學(xué)刻蝕: Ni, Co，F(xiàn)e金屬溶膠: Cu, Ag, Au化學(xué)沉積:在SERS基底金屬上覆蓋薄層非SERS活性的金屬—長(zhǎng)程效應(yīng)有序組裝:自組裝單分子層，模板,,,,4. SERS基底的制備方法,電化學(xué)拉曼光譜技術(shù)的