拉曼原理及应用.

1、拉曼光谱学原理及应用 4-拉曼光谱仪联用1-拉曼原理2-拉曼光谱仪的工作原理3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍1-拉曼原理1928 年，印度科学家C.V Raman in首先在CCL4光谱中发现了当光与分子相互作用后，一部分光的波长会发生改变（颜色发生变化），通过对于这些颜色发生变化的散射光的研究，可以得到分子结构的信息，因此这种效应命名为Raman效应。时间时间 和发现人和发现人? ?Provided by Prof. D. Mukherjee, Director of Indian Association for the Cultivation of Science 拉曼散射 用单色光照射

2、透明样品，大部分光透过而小部分光会被样品在各个方向上散射。 散射分为瑞利散射与拉曼散射两种。 1.瑞利散射 ：若光子与样品分子发生弹性碰撞，即光子与分子之间没有能量交换，光子的能量保持不变，散射光频率与入射光相同，但方向可以改变。这是弹性碰撞，叫瑞利散射。 拉曼散射： 当光子与分子发生非弹性碰撞时，产生拉曼散射。 处于振动基态的分子在光子作用下，激发到较高的不稳定的能态（虚态）后又回到较低能级的振动激发态。此时激发光能量大于散射光能量，产生拉曼散射的斯托克斯线，散射光频率小于入射光。 若光子与处于振动激发态（V1）的分子相互作用，使分子激发到更高的不稳定能态后又回到振动基态（V0）, 散射光的

3、能量大于激发光，产生反斯托克斯散射，散射光频率大于入射光。 0+ 0 0- 反斯托克斯散射 瑞利散射 斯托克斯散射虚 态激 发 态基 态 拉曼散射机制图示 laser scatter laser瑞利散射瑞利散射 scatter= laser拉曼散射拉曼散射光散射的过程：激光入射到样品，产生散射光。光散射的过程：激光入射到样品，产生散射光。散射光散射光 弹性散射（频率不发生改变弹性散射（频率不发生改变- -瑞利散射）瑞利散射） 非弹性散射（频率发生改变非弹性散射（频率发生改变- -拉曼散射）拉曼散射） 散射光中，弹性 (瑞利) 散射占主导 前后 散射光与入射光有相同的频率入射光分子分子散射光 e

4、xcitationemissionemission光散射 - 瑞利散射 散射光中的1010光子之一是非弹性散射（拉曼） 前后 光损失能量，使分子振动入射光分子excitation分子振动散射光excit.-vib.emissionemission光散射 - 拉曼拉曼光谱的优点 对样品无接触，无损伤；对样品无接触，无损伤； 样品无需制备；样品无需制备； 快速分析，鉴别各种材料的特性与结构；快速分析，鉴别各种材料的特性与结构； 能适合黑色和含水样品；能适合黑色和含水样品； 高、低温及高压条件下测量；高、低温及高压条件下测量； 光谱成像快速、简便，分辨率高；光谱成像快速、简便，分辨率高； 仪器稳固，

5、体积适中，仪器稳固，体积适中， 维护成本低，使用简单。维护成本低，使用简单。 拉曼光谱的特点和主要困难 拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2 23 3数量级数量级） 激光激发激光激发强强 拉曼信号频率离激光频率很拉曼信号频率离激光频率很近近 激光瑞利散射比拉曼信号强激光瑞利散射比拉曼信号强1010101010101414，对拉曼信号干，对拉曼信号干扰扰很大很大 拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度（体现在弱信号检测的高信噪比有高灵敏度（体现在弱信号检测的高信噪比 ），才能），才能有效地收集拉曼有效地

6、收集拉曼谱谱拉曼光谱的信息characteristic Raman frequencies拉曼频率的确认拉曼频率的确认composition of material物质的组成物质的组成e.g. MoS2, MoO3changes in frequency of Raman peak拉曼峰位的变化拉曼峰位的变化stress/strainState 张力张力 / 应力应力 e.g. Si 10 cm-1 shift per % strainpolarization of Raman peak拉曼偏振拉曼偏振crystal symmetry and orientation晶体对称性和取向晶体对称性和

7、取向e.g. orientation of CVD diamond grainswidth of Raman peak拉曼峰宽拉曼峰宽quality of crystal晶体质量晶体质量e.g. amount of plastic deformationintensity of Raman peak拉曼峰强度拉曼峰强度amount of material物质总量物质总量e.g. thickness of transparent coatingparallelperpendicular羰基伸缩线宽=结晶度碳环伸缩模式乙二醇模式:结构的指示剂BgBgPET的拉曼光谱官能团官能团-100010020

8、030040050060070080090010001100020040060080010001200520: Silicon Raman PeakIntensity (a.u.)Raman Shift (cm-1)Frequency shift due to stresstensilecompressive2-拉曼光谱仪的工作原理激光激光样品样品滤光装置滤光装置光栅光栅探测器探测器瑞利滤光片（去除瑞利散射光瑞利滤光片（去除瑞利散射光颜色不发生改变的光）颜色不发生改变的光） 耦合光路耦合光路- -光照射到样品，收集散光照射到样品，收集散射光射光 （大光路和显微光路）（大光路和显微光路）光源（太

9、阳光光源（太阳光-Hg-Hg灯灯- -激光）激光）光谱仪和探测器光谱仪和探测器一般为单光栅光谱仪和一般为单光栅光谱仪和CCD探测器探测器显微镜显微镜样品样品双瑞利滤双瑞利滤光片光片狭缝狭缝光光栅栅扩束器扩束器激激光光CCDCCD检测器检测器雷尼绍拉曼光谱仪光路结构示意图雷尼绍拉曼光谱仪光路结构示意图3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍1 1：半导体材料：半导体材料; 2; 2：聚合体；：聚合体；3 3：碳材料；：碳材料； 4 4：地质学：地质学/ /矿物学矿物学/ /宝石鉴定；宝石鉴定；5 5：生命科学：生命科学; 6; 6：医药；：医药；7 7：化学；：化学；8 8：环境；：环境；9 9：物理

10、：物理1010：考古；：考古；11 11：薄膜：薄膜; ; 12: 12: 法庭科学法庭科学: :违禁药品检查；区分各种颜料，色素，油漆，纤维违禁药品检查；区分各种颜料，色素，油漆，纤维等；爆炸物的研究；墨迹研究；子弹残留物和地质碎片研究等；爆炸物的研究；墨迹研究；子弹残留物和地质碎片研究拉曼光谱应用领域：拉曼光谱应用拉曼光谱应用- -鉴定不同材料鉴定不同材料在纤维材料中通常使用的材料的拉曼光谱在纤维材料中通常使用的材料的拉曼光谱1000080006000400020000500100015002000250030003500Nylon6 尼龙Kevlar 合成纤维Pstyrene 聚苯乙烯PETPaper 纸纤维Ppropylene丙烯PE/EVA聚乙烯拉曼光谱在欧莱雅产品研发中的应用stratum corneum (5 - 15 m)epidermis (40 - 1000 m)dermis (1 - 4 mm)subcutaneous fatSurface: 0m 20m OH/ waterCH2/protein4-拉曼光谱仪联用红外吸收和拉曼共点测量AFMAFM和拉曼光谱仪联用