激光拉曼光譜儀的原理你了解嗎?

激光拉曼光譜儀是一個(gè)集合了激光光譜學(xué)、精密機(jī)械和微電子系統(tǒng)的綜合測(cè)量體系。其終結(jié)果是獲得散射介質(zhì)在一定方向上具有一定偏振態(tài)的散射光強(qiáng)隨頻率分布的譜圖。應(yīng)用主要是對(duì)各種固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)的分子組成、結(jié)構(gòu)及相對(duì)含量等進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的鑒別與定性。要想在操作時(shí)不出現(xiàn)差錯(cuò)，操作者在操作之前應(yīng)該要了解一下激光拉曼光譜儀基本的知識(shí)，激光拉曼光譜儀的原理你了解嗎?

1、激光拉曼光譜儀基本原理

當(dāng)一束頻率為v0的單色光照射到樣品上后，分子可以使入射光發(fā)生散射。大部分光只是改變方向發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光的頻率相同，這種散射稱(chēng)為瑞利散射;約占總散射光強(qiáng)度的 10-6～10-10的散射，不僅改變了光的傳播方向，而且散射光的頻率也改變了，不同于激發(fā)光的頻率，稱(chēng)為拉曼散射。拉曼散射中頻率減少的稱(chēng)為斯托克斯散射，頻率增加的散射稱(chēng)為反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射強(qiáng)得多，拉曼光譜儀通常測(cè)定的大多是斯托克斯散射，也統(tǒng)稱(chēng)為拉曼散射。

散射光與入射光之間的頻率差v稱(chēng)為拉曼位移，拉曼位移與入射光頻率無(wú)關(guān)，它只與散射分子本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。拉曼散射是由于分子極化率的改變而產(chǎn)生的。拉曼位移取決于分子振動(dòng)能及的變化，不同化學(xué)鍵或基團(tuán)有特征的分子振動(dòng)，ΔE反映了指定能級(jí)的變化，因此與之對(duì)應(yīng)的拉曼位移也是特征的。這是拉曼光譜可以作為分子結(jié)構(gòu)定性分析的依據(jù)。

二、激光拉曼光譜儀應(yīng)用

拉曼光譜技術(shù)以其信息豐富，制樣簡(jiǎn)單，水的干擾小等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)、材料、物理、高分子、生物、醫(yī)藥、地質(zhì)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

1、拉曼光譜在化學(xué)研究中的應(yīng)用

拉曼光譜在有機(jī)化學(xué)方面主要是用作結(jié)構(gòu)鑒定和分子相互作用的手段，它與紅外光譜互為補(bǔ)充，可以鑒別特殊的結(jié)構(gòu)特征或特征基團(tuán)。拉曼位移的大小、強(qiáng)度及拉曼峰形狀是鑒定化學(xué)鍵、官能團(tuán)的重要依據(jù)。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為分子異構(gòu)體判斷的依據(jù)。在無(wú)機(jī)化合物中金屬離子和配位體間的共價(jià)鍵常具有拉曼活性，由此拉曼光譜可提供有關(guān)配位化合物的組成、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性等信息。另外，許多無(wú)機(jī)化合物具有多種晶型結(jié)構(gòu)，它們具有不同的拉曼活性，因此用拉曼光譜能測(cè)定和鑒別紅外光譜無(wú)法完成的無(wú)機(jī)化合物的晶型結(jié)構(gòu)。

在催化化學(xué)中，拉曼光譜能夠提供催化劑本身以及表面上物種的結(jié)構(gòu)信息，還可以對(duì)催化劑制備過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)研究。同時(shí)，激光拉曼光譜是研究電極/溶液界面的結(jié)構(gòu)和性能的重要方法，能夠在分子水平上深入研究電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)、吸附和反應(yīng)等基礎(chǔ)問(wèn)題并應(yīng)用于電催化、腐蝕和電鍍等領(lǐng)域。

2、拉曼光譜在高分子材料中的應(yīng)用

拉曼光譜可提供聚合物材料結(jié)構(gòu)方面的許多重要信息。如分子結(jié)構(gòu)與組成、立體規(guī)整性、結(jié)晶與去向、分子相互作用，以及表面和界面的結(jié)構(gòu)等。從拉曼峰的寬度可以表征高分子材料的立體化學(xué)純度。如無(wú)規(guī)立場(chǎng)試樣或頭-頭，頭-尾結(jié)構(gòu)混雜的樣品，拉曼峰是弱而寬，而高度有序樣品具有強(qiáng)而尖銳的拉曼峰。研究?jī)?nèi)容包括：

(1)化學(xué)結(jié)構(gòu)和立構(gòu)性判斷：高分子中的C=C、C-C、S-S、C-S、N-N等骨架對(duì)拉曼光譜非常敏感，常用來(lái)研究高分子的化學(xué)組份和結(jié)構(gòu)。

(2)組分定量分析：拉曼散射強(qiáng)度與高分子的濃度成線(xiàn)性關(guān)系，給高分子組分含量分析帶來(lái)方便。

(3)晶相與無(wú)定形相的表征以及聚合物結(jié)晶過(guò)程和結(jié)晶度的監(jiān)測(cè)。

(4)動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究：伴隨高分子反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程如聚合、裂解、水解和結(jié)晶等。相應(yīng)的拉曼光譜某些特征譜帶會(huì)有強(qiáng)度的改變。

(5)高分子取向研究：高分子鏈的各向異性必然帶來(lái)對(duì)光散射的各向異性，測(cè)量分子的拉曼帶退偏比可以得到分子構(gòu)型或構(gòu)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)復(fù)合材料應(yīng)力松弛和應(yīng)變過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

(8)聚合反應(yīng)過(guò)程和聚合物固化過(guò)程監(jiān)控。

3、激光拉曼光譜儀在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用

拉曼光譜在材料科學(xué)中是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的有力工具，在相組成界面、晶界等課題中可以做很多工作。包括：

(1)薄膜結(jié)構(gòu)材料拉曼研究：拉曼光譜已成CVD(化學(xué)氣相沉積法)制備薄膜的檢測(cè)和鑒定手段。拉曼可以研究單、多、微和非晶硅結(jié)構(gòu)以及硼化非晶硅、氫化非晶硅、金剛石、類(lèi)金剛石等層狀薄膜的結(jié)構(gòu)。

(2)超晶格材料研究：可通過(guò)測(cè)量超晶格中的應(yīng)變層的拉曼頻移計(jì)算出應(yīng)變層的應(yīng)力，根據(jù)拉曼峰的對(duì)稱(chēng)性，知道晶格的完整性。

(3)半導(dǎo)體材料研究：拉曼光譜可測(cè)出經(jīng)離子注入后的半導(dǎo)體損傷分布，可測(cè)出半磁半導(dǎo)體的組分，外延層的質(zhì)量，外延層混品的組分載流子濃度。

(4)耐高溫材料的相結(jié)構(gòu)拉曼研究。

(5)全碳分子的拉曼研究。

(6)納米材料的量子尺寸效應(yīng)研究。

4、拉曼光譜在生物學(xué)研究中的應(yīng)用

拉曼光譜是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光譜很弱、譜圖又很簡(jiǎn)單，故拉曼光譜可以在接近自然狀態(tài)、活性狀態(tài)下來(lái)研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及其變化。

生物大分子的拉曼光譜可以同時(shí)得到許多寶貴的信息：

(1)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)：α-螺旋、β-折疊、無(wú)規(guī)卷曲及β-回轉(zhuǎn)

(2)蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)像：酰胺Ⅰ、Ⅲ，C-C、C-N伸縮振動(dòng)

(3)蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)像：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的側(cè)鏈和后二者的構(gòu)像及存在形式隨其微環(huán)境的變化

(4)對(duì)構(gòu)像變化敏感的羧基、巰基、S-S、C-S構(gòu)像變化

(5)生物膜的脂肪酸碳?xì)滏溞D(zhuǎn)異構(gòu)現(xiàn)象。

(6)DNA分子結(jié)構(gòu)以及和DNA與其他分子間的作用。

(7)研究脂類(lèi)和生物膜的相互作用、結(jié)構(gòu)、組分等。

(8)對(duì)生物膜中蛋白質(zhì)與脂質(zhì)相互作用提供重要信息。

5、拉曼光譜在中草藥研究中的應(yīng)用

各種中草藥因所含化學(xué)成分的不同而反映出拉曼光譜的差異，拉曼光譜在中草藥研究中的應(yīng)用包括：

(1)中草藥化學(xué)成分分析

高效薄層色譜(TLC)能對(duì)中草藥進(jìn)行有效分離但無(wú)法獲得各組份化合物的結(jié)構(gòu)信息，而表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)具有峰形窄、靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)中草藥化學(xué)成分進(jìn)行高靈敏度的檢測(cè)。利用TLC的分離技術(shù)和SERS的指紋性鑒定結(jié)合，是一種在TLC原位分析中草藥成分的新方法。

(2)中草藥的無(wú)損鑒別

由于拉曼光譜分析，無(wú)需破壞樣品，因此能對(duì)中草藥樣品進(jìn)行無(wú)損鑒別，這對(duì)名貴中中草藥的研究特別重要。

(3)中草藥的穩(wěn)定性研究

利用拉曼光譜動(dòng)態(tài)跟蹤中草藥的變質(zhì)過(guò)程，這對(duì)中草藥的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、監(jiān)控藥材的質(zhì)量具有直接的指導(dǎo)作用。

(4)中藥的優(yōu)化

對(duì)于中草藥及中成藥和復(fù)方這一復(fù)雜的混合物體系，不需任何成分分離提取直接與細(xì)菌和細(xì)胞作用，利用拉曼光譜無(wú)損采集細(xì)菌和細(xì)胞的光譜圖，觀察細(xì)菌和細(xì)胞的損傷程度，研究其藥理作用，并進(jìn)行中藥材、中成藥和方劑的優(yōu)化研究。

6、拉曼光譜技術(shù)在寶石研究中的應(yīng)用

拉曼光譜技術(shù)已被成功地應(yīng)用于寶石學(xué)研究和寶石鑒定領(lǐng)域。拉曼光譜技術(shù)可以準(zhǔn)確地鑒定寶石內(nèi)部的包裹體，提供寶石的成因及產(chǎn)地信息，并且可以有效、快速、無(wú)損和準(zhǔn)確地鑒定寶石的類(lèi)別--天然寶石、人工合成寶石和優(yōu)化處理寶石。

(1)拉曼光譜在寶石包裹體研究中的應(yīng)用

拉曼光譜可以用于寶石包裹體化學(xué)成分的定性、定量檢測(cè)，利用拉曼光譜技術(shù)研究礦物內(nèi)的包裹體特征，可以獲得有關(guān)寶石礦物的成因及產(chǎn)地的信息。

(2)拉曼光譜在寶石鑒定中的應(yīng)用

拉曼光譜測(cè)試的微區(qū)可達(dá)1-2um，在寶石鑒定中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠探測(cè)寶石極其微小的雜質(zhì)、顯微內(nèi)含物和人工摻雜物，且能滿(mǎn)足寶石鑒定所必須的無(wú)損、快速的要求。

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