《研究生Raman光谱》PPT课件.ppt

Raman光谱技术及其应用,2009年 11月,罗孟飞,一、拉曼光谱基本原理,Raman光谱的发展历史,印度科学家拉曼于1928年发现了在光散射过程中，除了与入射光0相同的瑞利光，还发现一系列其他频率的光。这种频率变化的散射被命名为拉曼散射。为此拉曼成为亚洲第一个获得诺贝尔奖的科学家(1930年）。,在1960年激光发现以前，由于采用高压汞弧 灯，Raman信号很弱，应用范围很小。1960年以后Raman光谱得到了迅速的发展，成为物理、化学等领域重要的表征手段。,拉曼散射光和瑞利散射光的频率之差拉曼位移，拉曼位移与物质分子的振动和转动能级有关。不同的物质有不同的振动和转动能级，因而有不同的拉曼位移。对于同一物质，若用不同频率的入射光照射，虽然产生的拉曼散射频率不同，但其拉曼位移却是一个确定的值。因此，拉曼位移是表征物质分子振动、转动能级特性的一个物理量。,拉曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散射的千分之一。在激光器出现之前，为了得到一幅完善的光谱，往往很费时间。激光器的出现使拉曼光谱学技术发生了很大的变革。成为物理、化学领域重要的表征手段。,这是由于激光器输出的激光具有很好的单色性、方向性，且强度很大，因而它们成为获得拉曼光谱的非常理想的光源。从而使得拉曼光谱学的研究变得非常活跃了，研究范围有了很大的扩展。除扩大了所研究的物质的品种以外，在研究燃烧过程、探测环境污染、分析各种材料等方面拉曼光谱技术已成为非常有用的实验工具。以下是其一些典型应用:,拉曼光谱应用,食品科学中的应用；地质应用；药物分析中的应用；多晶分析中的应用，生物医学中的应用，疾病诊断中的应用，电化学分析中的应用等等,拉曼效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上能级概念说明了拉曼效应。下图是说明拉曼效应的一个简化的能级图。,设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。,因此散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。,瑞利线与拉曼线的波数差称为喇曼位移，因此拉曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给出的是一个喇曼光谱的示意图。,拉曼光谱和红外光谱的区别 红外光谱和拉曼光谱都属于分子振动光谱，都是研究分子结构的有力手段。红外光谱测定的是样品的透射光谱。当红外光穿过样品时，样品分子中的基团吸收红外光产生振动，使偶极矩发生变化，得到红外吸收光谱。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，分子的极化率发生变化，产生拉曼散射，检测器检测到的是拉曼散射光。,二. 拉曼光谱与红外光谱,对于分子中的同一个基团，它的红外光谱吸收峰的位置和拉曼光谱峰的位置是相同的。在红外光谱图中，横坐标的单位可以用波数表示。在拉曼光谱图中，虽然横坐标的单位也是用波数，但表示的是拉曼位移。既然分子中同一个基团的红外光谱吸收峰的位置和拉曼光谱峰的位置是相同的，为什么还要测定拉曼光谱呢？,有些基团振动时偶极矩变化非常大，红外吸收峰很强，是红外活性的，如羰基的吸收。有些基团振动时偶极矩没有变化，不出现红红外吸收峰，是红外非活性的。这种振动拉曼峰会非常强，也是拉曼活性的。,当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。这就是红外和拉曼的互补性。 拉曼光谱还有一个很重要的优点就是水不会干扰其测量，这与红外光谱不一样（如FTIR 在中红外光范围中干扰了大部分区域）。,Raman散射与红外吸收方法机理不同，所遵守的选择定则也不同。两种方法可以相互补充，这样对分子的问题可以更周密的研究。下图是Nylon 66的Raman与红外光谱图。,三. 拉曼光谱的实验装置,拉曼分光光度计有成套的设备，也可以分部件装配。下图为谱仪的装置示意图，主要有激光光源，外光路系统及样品装置，单色仪和探测记录装置，现分述如下:,3.1 激光光源,激光出现以前主要用低压水银灯作为光源，目前几乎不再使用。为了激发拉曼光谱，对光源最主要的要求是应当具有好的单色性，即线宽要窄，并能够在试样上给出高辐照度。气体激光器能满足这些要求。各种气体激光器可以提供许多条功率水平不同的激发线。最常用的是氩离子激光，波长为514.5nm和488.0nm的谱线最强，单频输出功率为0.21W左右。也可以用氦氖激光（632.8nm，约50mW）。,3.2 外光路系统及样品装置,激光器之后到单色仪之前为外光路系统和试样装置，它的作用是为了要在试样上得到最有效的照射，最大限度地收集散射光，还要适合于不同状态的试样(固体、液体）在各种不同条件（如高，低温等）下的测试。 由于拉曼散射的效率很低，装置要能以最有效的方式照射样品和聚集散射光，它的光学设计是非常重要的。通常采用聚焦激光束照射到试样上，以提高试样上的辐照度，产生拉曼散射。,透镜L1聚焦激光束，使其最集中的区域照射到试样上，试样上的辐照度大约可增大一千倍。如功率密度太高会损坏样品时，则不用透镜。透镜L2把样品上被激光束照明的焦柱部分准确地成象在单色仪的入射狭缝上，以最佳的立体角聚集散射光，并使之与单色仪的集光立体角相匹配。,3.3 分光系统,分光系统是拉曼谱仪的核心部分，它的主要作用是把散射光分光并减弱杂散光。分光系统要求有高的分辨率和低的杂散光，一般用双联单色仪。两个单色仪耦合起来，由于色散是相加的，可以得到较高的分辨率（约1cm-1）。双联单色仪的杂散光（在50cm-1处）可以达到10-11。为了进一步降低杂散光，有时再加一个联动的第三单色仪，此时分辨率提高了，但谱线强度也相应减弱。,双联单色仪,3.4 探测、放大和记录系统,拉曼光谱仪的探测器为光电倍增管。用不同波长的激发光，散射光在不同的光谱区，要选用合适的光谱响应的光电倍增管。为了减少其暗电流降低噪声，以提高信噪比，需用致冷器冷却光电倍增管。处理光电倍增管输出的电子脉冲的方法主要有直流放大法和光子计数法。,光电倍增管,3.5 拉光谱实验中应注意的几个问题,在拉曼光谱实验中，为了得到高质量的谱图，除了选用性能优异的谱仪外，准确地使用光谱仪，控制和提高仪器分辨率和信噪比是很重要的。,狭 缝,出射、入射和中间狭缝是拉曼光谱仪的重要部分。入射、出射狭缝的主要功能是控制仪器分辨率，中间狭缝主要是用来抑制杂散光。对于一个光谱仪，即使用一绝对单色光照射狭缝，其出射光也总有一宽度为的光谱分布。这主要是由仪器光栅，光学系统的象差，以及系统调整等因素造成的，并由此决定了仪器的极限分辨率。在实际测量中，随着狭缝宽度加大，分辨率线性下降，使谱线展宽。,双联单色仪,孔径角的匹配,由于分辨率是光栅宽度的线性函数，如果收集光系统不能照明整个光栅，则仪器分辨率将会下降。自己组装光谱仪系统时更应注意这一点，要使收集散射光的立体角与单色仪的集光立体角相匹配。实际测量中也应注意把散射光正确地聚焦到入射狭缝上，否则不但降低了分辨率也影响了信号灵敏度。,激发功率,提高激发光强度或增加缝宽能够提高信噪比，但在进行低波数测量时这样做常常会因增加了杂散光而适得其反。一般应首先尽量降低杂散光，例如，适当减小狭缝宽度，保证仪器光路准直等；然后再考虑用重复扫描，增加取样时间或计算机累加平均等方法来消除激光器、光电倍增管及电子学系统带来的噪声。,激发波长,激光波长对杂散光及信噪比的影响十分显著，当狭缝宽度不变时，用氩激光514.5nm比用488.0nm波长激发样品，杂散光要小一到二个数量级（100cm-1范围内），并且分辨率有所提高。这一方面是由于长波长激光对仪器内少量灰尘或试样中缺陷的散射弱；另一方面由于狭缝宽度一样时，不同波长的光由出射狭缝出射时所包含的谱带宽度不一样。所以一般用长波长的激光谱线作为激发光，对获得高质量的谱图有利。然而，长波长的激光谱线作为激发光，容易产生荧光干扰。,样 品,液体，固体，粉末 现在一般采用的共聚焦显微拉曼，可以用粉末样品直接分析，所须样品量少、快速、无损。但是最好压片成型，有利于提高分析的分辨率和灵敏度。,天津市港东科技发展有限公司激光喇曼/荧光光谱仪 （LRS-III 配有进口的陷波滤波片）,T64000系统是由ISA/JOBIN-YVON公司研制生产的能兼顾单、多道检测，设计新颖的新一代全电脑化的三级光谱系统，用于常规Raman光谱，变温等极端物理条件下的Raman光谱，显微Raman光谱和发射光谱的测量。,拉曼光谱仪（英国Ranishaw）,四. 实 例：,CCl4的拉曼光谱,海洛因,罂粟碱,奶 粉,洗衣粉,鉴别毒品：使用拉曼光谱法对毒品和某些白色粉末进行了对比分析,催化剂表面积碳的研究,Al2O3高温相变的研究,当采用不同激光波长的激光器时，得到的Ramam图谱可能会不一样的，如果发生这种情况，可以确定获得不是Raman光谱，是荧光光谱。,如何区分Raman和荧光信号,-Al2O3中Cr，Fe等杂质引起的荧光峰,-Al2O3中Cr，Fe等杂质引起的荧光峰,Phys. Stat. Sol. (a), 2006, 203: 2065,发现粒子表层和体相的相变是不一致的,由于样品对光的吸收作用，有些信号被样品吸收。吸收的程度与样品的性质和激发光的波长有关！,催化剂表面和体相表征,UV-vis diffuse reflectance spectra of TiO2,用532 nm激光获得的是表面和体相的信息,用325、244 nm 激光获得的是表面的信息,Visible Raman spectra of TiO2 calcined at different temperatures with the excitation line at 532 nm.,Anatase：锐钛矿,Rutile： 金红石,XRD patterns of TiO2 calcined at different temperatures,Rutile： 金红石 Anatase：锐钛矿,Weight percentage of the rutile phase in the TiO2 sample calcined at different temperatures estimated by visible Raman spectroscopy and XRD.,Anatase：锐钛矿,Rutile： 金红石,532 nm,244 nm,Jing Zhang, Meijun Li, Zhaochi Feng, Jun Chen, Can Li J. Phys. Chem. B, 2006, 110: 927-935,样品吸光度的影响,氧缺位,说明表面富集的氧缺位浓度是指数递减的,A587/A465比值与吸光度的关系,1974年Fleischmann等测得吡啶吸附在粗糙的Ag电极表面上的高质量拉曼光谱。 1977年Van Duyne 等计算得出吡啶拉曼信号被增强了106倍 这种粗糙表面的增强效应，称为表面增强拉曼散射，所得光谱称为表面增强拉曼光谱。 1990s, 银溶胶纳米颗粒上增强因子可达1015，单分子检测成为可能。 Cu, Ag, Au, Pt, Ru, Rh, Pd, Fe, Co, Ni,五. 表面增强拉曼光谱(SERS),1. 表面增强效应,（1）粗糙的Au、Ag、Cu的SEF(增强因子），通常高达106。SEF取决于金属性质，一般在10-103。 （2）合适的表面预处理是获得强SERS信号的关键。氧化还原循环(ORC)、化学刻蚀、蒸镀或真空溅射、溶胶、光刻、自组装和模板技术等。 （3）为产生高SERS活性,根据金属性质不同,通常需要颗粒尺寸为10-200 nm的表面以获得最佳的效果。微观尺度粗糙表面(如表面络合物、吸附原子、吸附原子簇等,称为SERS活性位)在化学增强机理中起着相当重要的作用。,2. 表面增强拉曼散射特征,（4） SERS是一种表(界)面灵敏技术吸附在表面的第一层分子有最大的增强。此外,SERS还具有长程效应,该效应取决于表面的形貌和物理环境,在离表面几十纳米处的分子也能得到一定的增强。 （5）许多吸附在金属表面或表面附近的分子能产生SERS,但SEF相差很大。一般通过物理作用吸附于表面的分子(离子)增强较小。 （6）在电化学环境下,表面分子的SERS振动频率和强度是电极电位的函数,对不同的振动模式其电位的依赖关系不同。,2. 表面增强拉曼散射特征,电磁场增强机理 主要描述表面局域光电场增强所导致的分子的拉曼散射截面的显著增大。与构成表（界）面材料的光学性质、表面的形貌、激发光的频率及被测分子所处的局域几何结构有关。 激光激发纳米粒子表面等离子体共振、粗糙颗粒尖端避雷针效应、吸附分子的镜像场作用。 仅考虑入射光子与金属表面的相互作用，对吸附分子没有选择性。,3. 表面增强机理,化学增强机理 主要描述分子、表面和入射光子三者相互作用的类共振增强现象。 电荷转移增强机理：吸附分子与金属原子团簇所形成的表面化合物，在激光诱导下发生电荷转移，从而导致吸附分子的极化率增加