（光学专业论文）水体污染物拉曼光谱检测的数据处理与建库技术.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 拉曼光谱作为一种分子散射光谱，通过特征频移来反映物质分子结构或成分的 信息。每种物质都有对应的“指纹”拉曼光谱，其强度在一定条件下与物质浓度成 正比，据此可实现对物质的结构、成分、浓度等的检测。用拉曼光谱技术实现物质 的分析检测具有很多突出优越性，如不受光源频率的限制，检测范围宽广，实现对 样品无损检测，适于水溶液体系的测量，低浓度微量样品检测、实时实地检测等。 但昂贵的仪器和分析软件价格使拉曼光谱技术的应用主要限制在研究领域，自行设 计搭建具有专门用途的拉曼光谱系统( 例如分析检测水体污染物) 切实可行。 用拉曼光谱实现水体污染物定性和定量检测的关键是精确地光谱测量系统、高 效的计算机控制和数据分析技术、完善的水体污染物单质的拉曼谱库，这些还是有 待深入研究的方面。 本文在介绍和总结拉曼光谱技术的特点和优势，拉曼光谱仪、拉曼光谱分析软 件和拉曼数据库现状的基础上，分析讨论了选用一系列分立元件组建适用于水体污 染物的拉曼光谱分析系统的方法；重点探讨了拉曼光谱数据处理的问题，包括光谱 去嗓、光谱图的显示、寻找拉曼特征峰、数据分析和光谱数据压缩：本文还介绍现 有拉曼数据库的知识以及我们自行建立的水体污染物拉曼光谱数据库的构成部分 和主要内容。最后对论文的研究工作进行了总结，同时提出了进一步的工作设想和 展望。 关键词：拉曼光谱；系统设计；数据处理；水体污染物；拉曼谱库 a b s t r a c t r a m a ns p e c t r o s c o p y ( r s ) i sak i n d o fm o l e c u l es c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y w h i c hj s c h a r a c t e r i z e db yt h c 丘e q u e n c ye x c u r s j o nt h a tc a ns h o wt h ei n f o 册a t i o no fm o l e c u l e e v e r ys u b s t a n c e 圭l a si t so w n f c a t i l r er a m a ns p e c t r o s c o p y w h i c hi n t e n s i t yi sp m p o r t i o n a l 幻i t sc o n c e n t r a t i o nu n d e rc e i t a i nc o n d i t i o n t h j si st h eb a s i so fr a m a ns p e d r o s c o p yt o a j l a l ) t z et h es t m c t l l r e ，c o m p o n e n t s ，c o n c c n l r a t i o n s 如ds o m eo t h e fp r o p e n i e so fs a m p l e s t h e r ea r em a n ya d v 柚t a g e st oi n v c s t i g a t em a u c rw i l l ir s ，s u c ha sm u l t i c h i o s eo ft h e f r e q u e n c yo ft h el a s e r w i d ev a r i e t yo fd e t e c t a b l em a s s ，n o n d e s t r u c t i v ed e t e c tf o r t h e s a m p l e ，f c 丛i b l et ow a t e r 卸a i y s i s ，g o o ds e n s j t i v i t y ，f e a s i b i l i t yo fr c a l - t j m e 柚do nt h e s p o t 卸a l y s i s ，e t c t h er a m a | 1t e c h n i q u eh a sb e e nc o n f i n e dt ot h eo n l yr e s e a r c hp u 叩o s e d u et ot h eh 蟾hp r i c eo ft h er a m a ns p e c l r o m e t e ra n dt h ea n a l y s i ss o f l w a r e i t sf e a s j b l et o s e tu po u ro w nr ss y s t e mf o rs p e c j a lp u r p o s e ，f o re x a m p l ed e t e c t i n gt t l ep o l l u t a i l t si n 、v a l e l n e k c yt or c a l i z em eq u a l i t a t i v ea i l dq u 孤t i t a t i v ea n a l y s i so fp o l l u t 枷si nw a t e fi s a c c u r a t er 帅a s p e c 们s c o p yd e t e c t i n gs y s t e m ，h i g he f f i d e n tc o m p u t e rt e c h n i q u ef o r s y s t e mn t f 0 1 ， d a t a a n a l y s j s a l l dt h ec 咖s u m m a t er a m a nd a t a b a s eo ft h e p u r c p o l l u t 卸t s t h e s ea r eq u e s t i o l l st h a ts t i l lr e q u i r et h et h o r o u g l lr e s e 孤h i n t h j sm e s i s ，ad e t a i l e di n t r o d u c t j o nf o rt l l ct h c o f yo fr 姗a i ls p e c t r o s c o p yi s p r e s e n t e d ，i n d u d i n gt t l ec h a r a c t e r j s t i c sa da d v a n t a g e s w ba l s o o u t l i n et h ec u 盯e n t s i t u a t j o no fr 拗a l ls p e c t i m e t c f ，s o f t w a r cf o rs p e c 删a n a l y s i s 柚dt h er a m 趾d a t a b a s e t h e n ，m e st h ee m p h a s e s w 色u s es e p m t ee l e m e n t st ob u i l dar a m a ns y s t e mt h a tc a n d e t e c tt l l ep o m n a m si nw a t e l1 1 l ew a yf o fr a m a nd a t ap r o c e s s i n gi sd s c u s s e di nd e t a i l ， j n c l u d j n gn o i s er e m o v i n g ，s p e c t r o g r a md i s p l a y ，f j n d i n gt h e c h a r a c t e r j s t i cf j e q u e n c y e x c u r s i o n s ，d a t aa n a l y s j sa n dd a t ac o m p r e s s i o n w ep r e s e n tt h ec o m p o n e n t so fo u r r a m a n s p e c t r a ld a t a b a s eo fp o l l u t a n t si nw a t e lf i n a l ly ，t h ep r e s e n ts t a g es t u d ya j l dw o r k a r es u m m a 打z e da n ds o m ef 1 1 t u r ew o r ki sd j s c l l s s e d k e y w o r d s ：r a l i l a ns p e c t r o s c o p y ；s y s t e md e s i g n ；d a t ap f o c e s s i n g ；w a t e fp o l l u t a n t s ； r a m a ns p e c t r a ld a t a b a s e 1 1 研究的意义和现状 第一章绪论 光谱技术是人类认识物质世界最重要的手段之一。在众多光谱技术中，拉曼光 谱有其独特的优势“1 ： 第一，拉曼光谱的频移不受光源频率的限制，光源频率可根据样品的不同特点 而有所选择。 第二，检测范围广，包括常见的无机物和有机物，能对生物大分子、天然与合 成材料( 如碳纳米管、光子晶体等) 、矿石、活体动植物组织、水污染样品、化学 反应催化剂等等实现检测。 第三，拉曼光谱不破坏样品，毋需样品制备，一般样品可装于毛细管内直接测 定，玻璃即为理想的窗口材料，危险及热敏样品可在密封的容器内测试。 第四，所需样品量少，只需要几毫克、几毫升甚至更少就可以给出样品浓度信 息，如果使用显微拉曼技术则样品的量葚至达到微克量级。 第五，适用于水溶液体系的测量，这是拉曼光谱与红外光谱相比最显著的优点 之一。由于水分子的不对称性，在拉曼光谱上没有伸缩振动频率带，并且其他的变 形，剪切等振动频率谱带很弱，因而水的拉曼光谱很弱。而水的红外光谱带数很多 且强度大，对溶质的谱图分析带来很大干扰。对醇类溶液，拉曼光谱也有同样的优 点。 第六，可用于低浓度样品检测。拉曼光谱方法的检测灵敏度非常高，尤其是对 水环境中有机成分和生物大分子等，有着很低的检测限，一般可达m g l 或mm ( ，l l 。 特别是在水质分析中，很多需要检测的成分浓度都非常低。但是某些物质即使只是 处于痕量的范围，对水质的影响电是巨大的，如杀虫剂、多环芳烃类物质、氰化物 等，正需要像拉曼光谱这样高灵敏度的检测手段。近几年的研究表明，运用c c d 技 术，结合其本身的高灵敏度特性，采用共振表面增强拉曼增强光谱，可获得超高灵 敏度的检测限，可达ug l 、p g 或fm 0 1 ，检测下限直逼单分子。 第七，拉曼散射的强度通常与散射物质的浓度呈线性的关系，这为样品的定量 分析提供了理论依据。 第八，拉曼活性的谱带是基团极化率随简正振动改变的关系，而红外活性的谱 带是基团偶极矩随简正振动改变的关系，拉曼光谱中包含的倍频及组频谱带比红外 光谱中少。所以拉曼光谱往往仅出现基频谱带，谱带清楚，分析起来更简单。 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 第九，拉曼光谱能对c = c ，s = s ，n = n 等红外吸收较弱官能团给出强的拉曼信号， 对易产生偏振的一切重要元素( 过渡金属、超铀元素等) 的络合键均可出现拉曼强 谱带。 第十，可以实时、实地检测。光谱仪可以采用c c d 作为光谱探测器，利用c c d 能实现高速的全波段光谱扫描特性，可将光谱扫描时间缩短至几秒甚至更短。结合 发达的计算机分析和管理方法，完全可能实现实时分析和在线监测功能。这一特点 使得拉曼光谱在工业监控和环境质量在线监测中受到特别的关注和欢迎。 总之，拉曼光谱技术极具应用价值。因此，拉曼光谱系统的开发和研制也成为 热点。适合于应用的完整的拉曼光谱系统应包含拉曼光谱仪、光谱分析软件和光谱 数据库三个部分。 关于拉曼光谱仪，目前国外主要研制和生产厂家有：美国的n i c o l e t 公司、海 洋光学( 0 c e a n0 p t i c s ) 公司、k a i s e ro p t i c a ls y s t e m 公司，法国的j o b i ny v o n 公司、i s a 公司、d i l o r 公司，英国的雷尼绍( r e n i s h a w ) 公司，北爱尔兰的a n d o r 公司、德国的斯派克( s p e c t r o ) 分析仪器公司、b r u k e ro p t i c s 公司、荷兰的a v a n t e s 公司、日本分光公司等。其中很多公司也供应分立的光谱仪配件和软件，供研究人 员自己搭建适合自己使用的光谱系统。在我国，只有少量厂商生产成套拉曼光谱设 备，且以用于教学目的为主要代表。如天津港东、苏州大学信息光学研究所、北大 青鸟等。另外还有很多光学和分析仪器公司生产和销售分立的光谱仪组件或分光系 统，如北京卓立汉光公司就生产小型的光谱仪和光电元器件，供一些高校和研究所 组建自己的拉曼光谱系统。现在国内各科研和生产机构使用的大部分的拉曼光谱仪 是成套由国外进口的，价格一般在几万到几十万美元。 光谱分析软件一般与拉曼光谱仪成套销售，分立销售的软件很少，且价格高昂。 例如，专业的光谱分析软件k n o w i t a l l 拉曼版“3 ( 美国) 售价约2 万人民币，且仅包 含基本功能，若需谱图解析和自建库、自建谱图库等副件功能，还需另外购买。因 此，若自行研制拉曼光谱仪还需开发拉曼光谱分析软件。 关于拉曼光谱数据库，已有s a d t l e r 拉曼谱图数据库( 世界上最大的谱图库) 包含3 ，3 0 0 张拉曼谱图，涵盖常见的有机物和无机物。此谱库虽完善，但需配套 k n o w i t a l l 软件使用，且价格同样不菲。另外有一些免费小型专业的拉曼谱图库供 科研工作者参考，例如：糖类。3 、金属矿物质“3 等。经调研，目前尚无专门的水体 污染物拉曼谱库。 可以看到，昂贵的价格使拉曼光谱仪的应用主要限制在研究领域，自行设计搭 建具有专门用途的拉曼光谱仪( 例如分析检测水体污染物) 切实可行。而建立一个 2 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 齐全完善的光谱库需要大量的人力和物力，但可根据需要建立专门的小型实用的水 体污染物拉曼光谱数据库。 1 2 本文的主要内容 论文的主要工作： 分析讨论了选用一系列分立元件组建适用于水体污染物的拉曼光谱分析系统 的方法，以达到对水体污染物进行检测分析的目的。 重点讨论了拉曼光谱数据处理的问题，包括光谱去噪、谱图显示、寻找拉曼特 征峰、数据分析和光谱数据的压缩。 初步建立了1 1 种水体污染物单质的拉曼谱库，包括拉曼光谱图( j p g ) 、拉曼 数据( t x t 及x i s ) ，和水体中6 8 种( 含以上1 1 种) 优先考虑污染物的化学资料( t x t ) 。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章拉曼光谱原理、应用与光谱仪结构 2 1 拉曼光谱基本原理 2 1 1 概述 光与物质的相互作用现象已为人们所了解，如使天空呈现蔚蓝色的瑞利散射， 在乳浊悬浮液中观察到的丁德尔散射等，这些都是弹性散射，既入射光与散射光频 率相等的散射。在探究物质的微观结构中，更有用的是分子转动、振动等参与的非 弹性散射。拉曼散射就是能反映分子转动、振动信息的一种非弹性散射。 r a y l e 曲散射峰中心 _ 再占= _ 卜百苗 恤叫 图2 1 拉曼和瑞利谱线 所谓光的非弹性散射现象就是指散射光频率与入射光频率有所偏离，这种频率 发生改变的辐射就称为拉曼散射。当一束光入射到分子上时，除了与入射光频率v 。 相同的散射光以外，还有频率分量为v 0 v 的散射光，v 是分子振动或转动相关的 频率。在激发线低频一侧的谱线为斯托克斯线，也叫红伴线；在激发线高频一侧的 谱线为反斯托克斯线，也叫紫伴线；激发线处的谱线为瑞利线。如图2 1 所示。中 央的是瑞利散射线，它的强度最强，其次是斯托克斯线。斯托克斯线的强度比瑞利 线要弱很多，大约为瑞利线强度的几百分之一至上万分之一。在瑞利线的另一侧的 反斯托克斯线，和斯托克斯线对称的分布在瑞利线的两侧，反斯托克斯线的强度比 斯托克斯线的强度又要弱很多，因此并不容易观察到，但是反斯托克斯线强度随着 温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克斯线通常称为拉曼线。 早在1 9 2 3 年，德国的a s m e k a l 5 1 等人就从理论上预言了光的非弹性散射。1 9 2 8 4 硕士学值论文 m a s t e r st h e s i s 年，印度物理学家拉曼( c v r a m a n ) 与k s k r i s h 响n “1 首先在液体中观察到 这种现象，因而称为拉曼散射或者拉曼效应。在拉曼和k r i s h m a n 的论文发表后不 久，l a n 曲e r g 和m a n d e r s t a m 就在俄国报道了他们在石英中观察到频率发生改变的 光散射现象；因此也被称为联合散射光谱。并且c a b a n n e s 和r o c a r d 在法国也证 实了拉曼和k r i sh i i l a n 的观察结果。每种物质都有其特定的拉曼谱线，拉曼线可以 有若干对，每一对拉曼线对应于物质的某两个能级之间的差值( 振动、转动、或电 子能级间的差值) 。因而尽管拉曼谱带的频率随入射光频率而变，但拉曼频移( 频 率的变化量) 却与入射光频率无关，仅与物质分子的振动能级有关。拉曼散射被发 现之后，很快就在其基础上建立了拉曼光谱分析法。 然而早期的拉曼光谱法以水银灯作为激发光源，出现的谱线强度极其微弱，需 要较长的摄谱时间和较多的样品用量，而且只有无色的液体样品才适于实验，这给 应用带来了困难。拉曼光谱法一度处于停滞阶段。直到1 9 6 0 年激光出现之后，将 单色性好、能量集中、功率高的激光代替水银灯作为激发光源才使拉曼光谱迅速为 科学家们所利用，使拉曼光谱技术得以复兴。 2 1 2 拉曼散射的经典理论 当物质的大小远远小于入射光的波长时，会发生散射现象。瑞利散射与拉曼散 射光的强度都与入射光频率的四次方成正比。但是瑞利散射光的频率没有变化，而 拉曼散射光的频率则发生了变化。造成这些现象的原因，从经典的理论来说，可以 看作是入射光电磁波使原子或分子电极化以后产生的，因为原子和分子都是可以被 极化的，因而产生瑞利散射；又因为极化率随着分子内部的运动( 转动、振动) 而 变化，所以产生拉曼散射。1 7 】 下面以双原子分子为例，来解释拉曼散射。假设入射光波的电场分量为豆，双 原子分子受到外电场的作用变为一个电偶极子。也就是说它的正负电荷中心因外电 场的作用而相对移动，分子被极化，其表达式为 i 声j i a i 豆i ( 2 1 ) p 为电偶极距，a 为极化率。此时，即可产生瑞利散射效应。但口是变化的，于是 又产生拉曼散射。假设双原子分子具有极化率为口，当其分子中的原子在平衡位置 周围振动时，分子中的电子壳层会发生形变，因此其极化率也会改变；这样口可表 示为原子间距y 的函数 a = d ( y )( 2 2 ) 把它在平衡位置附近( y = n ) 展开成级数 吣帆) + ( 舡小h 0 ) + 丢学) r _ 小h o ) 2 + ， ( 2 - 3 ) 对y 取一级近似，认为分子做振动频率为v ；的简谐振动，所以 r = y o + x oc o s 2 删振 ( 2 4 ) 式中z 。为简谐振动的振幅。于是可得 n 0 州咿旁h 。c * 撕振f + ：( 豢ky 。2c o s 2 h 曙+ ” ( 2 _ 5 ) 州咿；旁。咱2 + 龟飞俨撕；锣2 c o s + ” 假设入射于散射物质分子的光的交变的电场为 云一丘。c o s 晰 ( 2 - 6 ) 于是在分子中感生的电偶极距 卢= 越= 越oc o s 撕 ( 2 7 ) 式中v 是入射光场的交变频率，雪。为交变电场的振幅，由于感生电偶极距，便引起 散射。将( 2 5 ) 式代入( 2 7 ) 式，得 豇州+ j 够k 属一2 删+ 当k 一 c o s 研一o s 撕 + ；第k 。啦o c o s 撕一o s 晰一 i 口) 丢够) r - 曲2 跆o s 撕+ 丢当) r - 。啦删打p 嘶) t 8 + ；( 。z 。届c o s 豺p v 振) r + ；( 笔为。o 或c 。s h p + h * ) r + ；g k 丘滞h p 功小+ 从( 2 8 ) 式中可以看出，第一项表示频率为，的瑞利散射，也就是拉曼光谱的激发 线。式中第二项为频率是1 ，+ 喙的拉曼散射线，也就是拉曼光谱中的反斯托克斯线a 式中第三项的频率为y y 振的拉曼散射线，也就是拉曼光谱中的斯托克斯线。第四、 五项分别为频率，+ 加振及，一加振的拉曼线a 从这里可以看出这些拉曼线是入射光 场与分子内振动相互作用的结果。振动引起的拉曼线的频率通式可以表示为 ，n ，振，n = 1 ，2 ，3 ( 2 9 ) 又从( 2 8 ) 式可以看出频率为，+ 1 ，# 和y 一1 ，# 的拉曼散射光的强度m 比于 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 口= ( 等) 。的平方和振幅的平方。 上述经典理论成功地解释了双原予分子振动的拉曼散射，让我们可以理解拉曼 散射线与瑞利散射线同时存在的现象，但也存在不足。从( 2 - 8 ) 式第二、三项看， 斯托克斯线和反斯托克斯线的强度相等，与实验结果( 反斯托克斯线比斯托克斯线 的强度弱几个数量级) 并不相符。这里要用量 子理论才能解释。 同样假设入射光波作用于转动着的分予， 周期性转动着的分子的极化率也发生变化。假 设分子的纵向极化率为口，横向极化率为a ：， z 分子以频率吐转2 撕转绕z 轴转动( 图2 _ 2 ) ， 图2 2 各向异性分子的转动 令妒= m ，又假设入射光波的电场豆在x ，y 轴 上的分量为丘和豆，1 、2 为固定在分子上的轴，鼽_ ) ，为固定在实验室的轴，周期 转动的分子感生偶极距 声：矗 ( 2 1 0 ) 偶极距芦沿分子纵向和横向的分量为 p l 吣皂钿- 暇8 妒+ e 8 m 纠 ( 2 - 1 1 ) p 2 ；口2 e 2 = 口2 ( ，s i n 妒一e ，c o s 妒) 那么偶极距乒沿x ，) ，轴的分量等于 p ，昌p l c o s 妒+ p 2s j n 妒= 口1 e ，c o s 2 伊+ 口1 e ，s i n 妒c o s 伊 + 口2 ，s i n2 妒+ 口2 e ，s i n 妒c o s 妒 p y = p ls i n 妒一p 2 c o s 伊= 三( a 1 一a 2 ) ( e 。s i n 2 妒一e yc o s 2 妒) 2 - 1 2 + 丢“+ 口：皿， 假设入射于散射物质分子的光的交变的电场为豆= 雷oc o s 孙m ，因为 妒一轱f = 2 疗y 转f ，e e 。oc o s 玉吖，e 。= e ，oc o s 劢w ，将其代入( 2 1 2 ) 式中可得 n 2 丢( 口- + a z ) 占，。c 。s 撕+ 丢( 口，一口：) e 。【c o s 妨p + 知转h ( 2 1 3 ) + c o s 2 厅d 一2 y 转) f + e y 。【s j n ( y + ，转y s i n 2 石p 一，转) f ) 7 p ，2 去( 口2 ) e ，。c 。s 撕+ 去( 旰a z ) 佤。【s l n h d + 知转h ( 2 - 1 4 ) 一s i n 2 盯( v 一2 v 转) f 】+ y ”【s ( y + ，转y + c o s 2 厅p 一，转) f ) 从( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可以看出，除频率为y 的瑞利线外，在光谱中应该还可以观 测到频率为，t 知转的拉曼线。在这里我们注意到，转动拉曼线的频移为2 喙，振动 拉曼线的频移为v 。，这是由于入射光是交变电场，使极化率椭球形状改变，当分子 转动时，它便有2 次相同的变化，因此其拉曼频移为知。 由此可知，利用拉曼光谱，可以研究分子内部和分子间的振动，可以研究分子 的转动，即可以用来研究分子结构。 2 1 3 拉曼散射的量子理论 量子理论的基本观点是把拉曼散射过程看作是光量子与分子相互碰撞时产生 的非弹性过程。当入射的光量子与分子相 碰撞时，弹性碰撞过程中，光量子和分子 。 无能量交换，它们的频率保持不变，即瑞 南太 利散射，如图2 3 ( a ) ；非弹性碰撞过程中， 光量子与分子有能量的交换，光量子转移 一部分能量或者从分子中吸收一部分能最 量，从而频率发生改变。它改变的能量只 。 能是分子两定态能级之间的差值 d e = 邑易。当光子把一部分能量交换给分 ( a ) ( b ) 图2 3 瑞利拉曼散射 子时，光量子就以比入射时较小的频率射出，形成斯托克斯线，其频率变为 v = 一，同时散射分子接受的能量转变成分子的振动或转动能量，由基态巨跳 到激发态易，能量增加e 一 ，其中 是普朗克常数。反之，当光予从散射分 子中吸收一部分能量时，它将以较高的频率v 。= + v 散射出去，形成反斯托克斯 线，同时分子由e ：态跳到e 态，能量损失a e = ，。如图2 3 ( b ) 所示。这样就 可以解释拉曼散射现象了。如果考虑更多能级上的分子散射光子，则可产生更多的 拉曼线。当这些能级的间隔互不相等时，所产生的各散射线相对与入射谱线的频移 也是不同的。 在理论上，我们可以把拉曼散射看成是光子场与分子系统相互作用的结果。在 散射过程中，入射光子的湮灭和散射光子的发射，伴随着分子从原来所处的某一本 征能级跃迁到另外一本征能级。但是按照电磁场分子体系相互作用的量予理论，在 一级近似下当分子在其本征能级间跃迁的同时，只伴随着电磁波的一个波形内的一 个光子数的变化时才是被允许的。但是拉曼散射过程中，当散射分子由一个本征能 级向另一个本征能级跃迁的同时，电磁场内伴随着两个光子数的变化，也就是入射 光波形内一个光子数减少，散射光波形内的一个光子数增加，因此只能把它看成是 二阶过程，在过程的第一阶段，散射分子先吸收( 或者先散射) 一个光子并离开它 所处的初始本征能级；过程的第二阶段，分子发射( 或吸收) 一个光子并跃迁到新 的本征能级上。对这个二阶过程，我们可以把量子化的电磁场与量子化的分子体系 作为一个统一的整体加以考虑。 下面考虑斯托克斯线和反斯托克斯线强度的关系。设处于较低能级的分子数 密度为。，处于较高能级复的分子数密度为。，则六能级上的分子向能级皇的跃 迁的谱线( 斯托克斯线) 的增益因子正比于。，则亭，能级上的分子向能级亭。的跃 迁的谱线( 反斯托克斯线) 的增益因子正比于m 。因此，各谱线的光强正比于相 应的虬和c 。但是在一般情况下，散射分子的分布服从玻尔兹曼分布，具有经典 振动能量在e 和e + 扭之间的散射分子数为 d 。ce 。”扭 ( 2 - 1 5 ) 式中定是玻尔兹曼常数，丁是绝对温度，e 是振动能量。由此可以知道低能级上的 分子数要大于高能级上的分子数，所以斯托克斯线的强度比反斯托克斯线的强度要 大。 2 2 拉曼光谱的应用 拉曼光谱技术以其信息丰富，制样简单，水的干扰小等独特的优点，在化学、 材料、物理、高分子、生物、医药、地质等领域8 。2 ”有广泛的应用。 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。对于像一c = c 一、一n = n 一些基团的环境接近对称，它的振动 在红外光谱中极为微弱，仅仅是拉曼活性的。 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 9 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。 在催化化学中，拉曼光谱能够提供催化剂本身以及表面上物种的结构信息，还 可以对催化剂制各过程进行实时研究。同时，激光拉曼光谱是研究电极溶液界面 的结构和性能的重要方法，能够在分子水平上深入研究电化学界面结构、吸附和反 应等基础问题并应用于电催化、腐蚀和电镀等领域。 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一头，头一尾结构混杂 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。 ( 5 ) 高分子取向研究：高分子链的各向异性必然带来对光散射的各向异性，测 量分子的拉曼带退偏比可以得到分子构型或构象等方面的重要信息。 ( 6 ) 聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究。 ( 7 ) 复合材料应力松弛和应变过程的监测。 ( 8 ) 聚合反应过程和聚合物固化过程监控。 3 、拉曼光谱技术在材料科学研究中的应用 拉曼光谱在材料科学中是物质结构研究的有力工具，在相组成界面、晶界等课 题中可以做很多工作。包括： ( 1 ) 薄膜结构材料拉曼研究：拉曼光谱己成c v d ( 化学气相沉积法) 制备薄膜 的检测和鉴定手段。拉曼可以研究单、多、微和非晶硅结构以及硼化非晶硅、氢化 非晶硅、金刚石、类金刚石等层状薄膜的结构。 ( 2 ) 超晶格材料研究：可通过测量超晶格中的应变层的拉曼频移计算出应变层 的应力，根据拉曼峰的对称性，知道晶格的完整性。 ( 3 ) 半导体材料研究：拉曼光谱可测出经离子注入后的半导体损伤分布，可测 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 出半磁半导体的组分，外延层的质量，外延层混品的组分载流子浓度。 ( 4 ) 耐高温材料的相结构拉曼研究。 ( 5 ) 全碳分子的拉曼研究。 ( 6 ) 纳米材料的量子尺寸效应研究。 4 、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：n 一螺旋、b 一折叠、无规卷曲及b 一回转 ( 2 ) 蛋白质主链构像：酰胺i 、i ，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 ) 对构像变化敏感的羧基、巯基、s s 、c s 构像变化 ( 5 ) 生物膜的脂肪酸碳氢链旋转异构现象。 ( 6 ) d n a 分子结构以及和d n a 与其他分子间的作用。 ( 7 ) 研究脂类和生物膜的相互作用、结构、组分等。 ( 8 ) 对生物膜中蛋白质与脂质相互作用提供重要信息。 5 、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( t l c ) 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( s e r s ) 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t l c 的分离技术和s r s 的指纹性鉴定 结合，是一种在t l c 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。 6 、拉曼光谱在医学诊断上的应用 拉曼光谱技术从在生物医学和临床诊断应用中取得了重大进展。人体各种组织、 细胞的形态和生物功能各不相同坦都是由蛋白质、核酸、脂类和碳水化合物等生物 分子组成的。每一种物质都有其特征的拉曼光谱。拉曼光谱对自内障、硅肺、动脉粥 样硬化等疾病的诊断也己见报道，而在癌症诊断方面的巨大潜力尤其受到众多研究 者的重视。组织和细胞发生癌变总是从构成它们的分子开始，癌变过程中各种生物分 子的构型构象及各成分的构成比例发生变化。这些早期变化不引起临床症状且常规 的i 临床检测手段往往难以发现，而拉曼光谱可反映分子的精细结构、振转结构能够从 分子水平上检测出这些变化，已成为早期诊断癌症的潜在途径。 7 、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卜2 岬，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。 2 3 拉曼光谱仪的系统结构 从大的部件来看，典型激光拉曼光谱系统。”( 如图2 4 ) 一般由以下五个部分 组成：激光器、外光路系统、分光系统( 单色仪) 、光谱探测系统、微机处理系统。 反 射 筑 激光器 图2 4 典型拉曼光谱系统 微机处理系统 、激光器 作为光源的激光器应该具有满足使用要求的输出功率、波长和稳定度。表2 1 给出了常用的激光源参数 2 2 1 。为了激发拉曼光谱，对光源最主要的要求是应当具有 相当好的单色性，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，自准性能好，并且是平面偏振的。最常用的是氯离子激光，也可以用氦 氖激光。 表2 1 拉曼光谱仪中常用的激光器 激光器波长( n m )输出功率( m w ) h e 6 3 2 8 5 0 8 0 a r +5 1 4 55 0 0 1 0 0 0 4 8 8 05 0 0 1 0 0 0 k r +6 4 7 12 0 0 5 3 0 8 1 5 0 h e c d4 4 1 6 5 0 一1 0 0 半导体 7 8 52 5 0 二、外光路系统 外光路系统是激光器之后到分光系统前面的一切设备( 包括样品池) 。它们的 作用是为了要在试样上得到最有效的照射，充分滤除相对强度很大的瑞利散射线， 最大限度地收集散射光，还要适合于作不同状态的试样在各种不同条件( 如高，低 温等) 下的测试。由于拉曼散射的效率很低，试样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。合理设计的旋转样品装置能有效地解决样 品局部过热问题，提高拉曼信号强度，而且具有灵活、方便的特点。另外，低价格 低损耗光纤照明和取样( 传感) 器使遥测成为可能。 三、分光系统 分光系统是拉曼光谱仪的核心部分，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。o ”两个单色仪 耦合起来，第一个单色仪的出射狭缝即为第二个单色仪的入射狭缝。两个光栅同向 转动时，色散是相加的，可以得到较高的分辨率( 约l c m 。) 。双联单色仪的杂散光 ( 在5 0 c m - 1 处) 可以达到1 0 1 。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。自从9 0 年代之后，高质量 的全息光栅出现，逐渐取代了分光系统中普通刻划光栅，不仅改善了光谱分辨率， 避免了“鬼线”的出现，而且容易形成平象场，为使用c c d 阵列接收器提供条件。 四、光谱探测系统 传统的拉曼光谱探测系统一般采用光电倍增管或光子计数器，通过对分光后的 光谱逐点( 即逐频率) 扫描得到完整的拉曼光谱。自2 0 世纪6 0 年代多种系列的多 通道探测器包括增强光导摄象管，增强光电二极管列阵、增强阻抗阳极探测器 和电荷耦合器件( c c d ) 发展起来之后，逐渐成为流行的光谱探测方法。其中 c c d 已成为当今拉曼光谱探测的主流器件。 五、微机处理系统 微机处理系统也是当今拉曼光谱系统的重要组成部分。由于计算机具有集自动 控制、数据记录、存储、分析处理于一身的功能，因而迅速取代了拉曼光谱系统中 干板照相、绘图仪记录，手工分析的传统方法，成为大多数实验室和商品光谱仪必 不可少的组成部分。此外，计算机软硬件技术的飞速发展和成本的迅速降低也大大 促进了拉曼光谱系统的实用化。 以上介绍的典型拉曼光谱仪系统，其分光系统是基于单色仪的色散型，还有一 类为基于傅立叶变换的干涉型，采用麦克尔逊干涉仪进行分光。它主要有以下几个 部分组成：激光光源一样品室一相干滤波器一干涉仪一检测器一计算机处理数据f 进 行傅立叶变换) 。色散型激光拉曼光谱仪和傅立叶变换拉曼光谱仪各有特点f 见表 2 2 ) ，可根据需要选取合适的谱仪结构。 表2 2 色散型拉曼光谱仪和傅立叶变换拉曼光谱仪 项目 色散r m a 光谱仪f 1 二r m m 光谱仪 光源可见光 近红外光 分光元件 光栅干涉仪 检测器 s i ( - 7 0 下c c d ) g 叭n 、c a 、a s 低波数测定好一般 样品测试率 约2 0 约8 0 光谱范围 5 0 c t n 1 5 0 0 0 c m 16 0 c i n 1 3 6 5 0 a n 1 灵敏度 高一般 频率准确性好较好 运行速度较快一般 信噪比 较好一般 测高温样品好一般 荧光干扰强弱 测试含水样品 好 吸收含水样品的散射光 对环境要求不高，无移动部件有移动部件，对环境要求较高 2 4 水体污染物拉曼光谱系统设计 参照表2 2 的信息，综合考虑各方面因素，我们设计的水体污染物拉曼光谱系 统为色散型。此节包括激光器、外光路系统、分光系统和光谱探测系统四个部分的 设计。微机上进行的数据处理部分独立出来，将在下第三章讨论。 2 4 1 激光器 作为光源至少应单线输出功率1 0 1 0 0 0 毫瓦，功率稳定度优于1 ，使用寿命在 1 0 0 0 小时以上。由于激光器作为光源，功率超过1 w 易使样品发生分解或炭化。“”而 h e 一激光器输出功率为毫瓦量级，能输出优质的连续运转可见光，且具有结构简 单、体积较小、价格低廉的特点。啷本系统选用性价比较高的h e n e 激光器陆1 ，其 基本参数如下： 波长：6 3 2 8 n m 线宽：0 0 l n m 在样品中的平均功率：7 5 j i l w 连续输出方式，功率稳定，强度变化1 当激发光波长为入。，拉曼散射频移为c 胁1 时，拉曼散射光波长为 顾士学住论文 m a s t e r st h e s i s 扣丽南枷7 1 1 0 一九c 肌“ ( 2 1 6 ) 所以，激光波长为6 3 2 8 ，z m ，拉曼频移从1 0 4 0 0 0 锄1 时，对应散射光波长为 6 3 3 2 0 8 4 7 ，2 6 n 聊 2 4 2 外光路系统 外光路系统包括前置滤光片、样品室和集光装置三个部分。 6 3 2 8 m 的h e 一激光可能激发其他波长激光( 很弱) 和气体放电谱线，因而 必须加上一片前置滤光片，以除去其他谱线可能对拉曼谱线造成的干扰。研究表明， 激光器作为光源，对有些有机物会产生荧光，而加滤光片不仅有利于改善荧光背景， 还能防止样品炭化。 样品的吸收和噪声是精确测量拉曼光谱的主要障碍之一，因此样品室的设计是 十分重要的。我们把适用于液体样品的分析，减少样品吸收和尽可能提高拉曼信号 的信噪比作为主要的设计目标。 对于样品吸收易造成局部受热分解或炭化的问题，我们采用旋转样品技术；对 于有效接收样品散射光，我们采用多重反射技术；对于减少由于表面漫反射带来的 杂散光，我们将除光学元件以外的其他器件一律采取发黑处理。 本系统采用9 0 。激光束照射方式。“。样品室的设计参考r 3 0 0 0 系列拉曼光谱仪 ( r a m a ns y s t e m si n c o r ，美国) ，在它的基础上改进而来。( 如图2 5 ) 图2 5r 3 0 0 0 样品室 改进方面如下：在样品室的底部增加旋转装置，用电机控制使样品池绕主轴稳 定、均匀地转速；在与入射光成9 0 度的方向收集散射光；在样品室侧壁安装反射 镜。效果图见图2 6 。此装置可采用石英比色皿或玻璃瓶等作为样品池，具有清洗、 置换方便的优点，且还能适用于固体粉末的检测。 1 6 硕士学位论