拉曼光譜及其在現代技術中的應用拉曼光譜及其在現代技術中的應用拉曼光譜及其在現代技術中的應用xxx公司拉曼光譜及其在現代技術中的應用文件編號：文件日期：修訂次數：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度拉曼光譜及其在現代技術中的應用1拉曼光譜發展歷史印度物理學家拉曼于1928年用水銀燈照射苯液體,發現了新的輻射譜線:在入射光頻率ω0的兩邊出現呈對稱分布的,頻率為-ω和的明銳邊帶,這是屬于一種新的分子輻射,稱為拉曼散射,其中ω是介質的元激發頻率。與此同時,前蘇聯蘭茨堡格和曼德爾斯塔報導在石英晶體中發現了類似的現象,即由光學聲子引起的拉曼散射到40年代中期,紅外技術的進步和商品化使拉曼光譜的應用一度衰落。1960年以后,紅寶石激光器單色性好,方向性強,功率密度高,用它作為激發光源,大大提高了激發效率，成為拉曼光譜的理想光源。70年代中期,激光拉曼探針的出現,給微區分析注入活力。80年代以后,拉曼探針共焦激光拉曼光譜儀由于采用了凹陷濾波器來過濾掉激發光,使雜散光得到抑制,就只需要采用單一單色器,使光源的效率大大提高,這樣入射光的功率可以很低,靈敏度得到很大的提高，這使拉曼光譜的應用范圍更加廣闊。2拉曼光譜的原理當一束激發光的光子與作為散射中心的分子發生相互作用時,大部分光子僅發生散射改變方向,其頻率仍與激發光源一致,這種散射稱為瑞利散射。但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向,而且也改變了光波的頻率,這種散射稱為拉曼散射。拉曼散射的產生原因是光子與分子之間發生了能量交換改變了光子的能量。拉曼散射拉曼散射的產生可以從光子和樣品分子作用時光子發生能級躍遷來解釋。樣品分子處于電子能級和振動能級的基態，入射光子的能量遠大于振動能級躍遷所需要的能量，但又不足以將分子激發到電子能級激發態。樣品分子在吸收了光子后，被激發到較高的不穩定的能態（虛態）。當樣品分子激發到虛態后又回到低能級的振動激發態，此時激發光能量大于散射光能量，散射光頻率小于入射光。這時在瑞利散射線較低頻率側就會出現一根拉曼散射線，這條線稱為StokesV1）的分子相互作用，是分子激發到更高的不穩定能態后又回到振動激態（V0），散射光的能量大于激發光，在瑞利散射線高頻率側會出現一拉曼散射線，這條線稱為線。常溫下分子大多處于振動基態，所以Stokes線強于Anti-stokes線，在一般拉曼光譜圖中只有Stokes線。拉曼位移Δν統稱為拉曼位移(RamanShift)拉曼位移取決于分子振動能級的變化,不同的化學鍵或基態有不同的振動方式,決定了其能級間的能量,因此,與之對應的拉拉曼散射光譜具有以下明顯的特征：①拉曼散射譜線的波數雖然隨入射光的波數而不同，但對同一樣品，同一拉曼線的位移與入射光的波長無關，只和樣品的振動轉動能級有關；②在以波數為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側，這是由于在上述兩種情況下分別相應于得到或失去了一個振動量子的能量。③一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態上的粒子數遠大于處于振動激發態上的粒子數。3拉曼光譜的應用拉曼光譜應用于催化領域的研究始于70年代，在許多研究中取得了豐富的成果，這有如下幾個方面的原因：拉曼光譜能夠提供催化劑本身以及表面上物種的結構信息，這是認識催化劑和催化反應最為重要的信息；拉曼光譜較容易實現原位條件下（高溫、高壓，復雜體系）的催化研究。原位條件下對催化劑進行表征是目前催化劑表征的主要方向；拉曼光譜可以用于催化劑制備的研究，特別是可以對催化劑制備過程從水相到固相的實時研究。這是許多其它光譜技術難以進行的。本文在此主要介紹拉曼光譜在化學科學、材料科學、生物科學中的部分應用。拉曼光譜在化學研究中的應用拉曼光譜在化學研究領域也有著廣泛應用。對有機化學來說,測量紅外光譜也可以達到此目的,但拉曼光譜和紅外光譜有不同的選擇定則起作用,如果對紅外和拉曼這兩種光譜都加以測量,那么就可以得到更完備的分子振動光譜。實踐應用上證明如果要使重要的結構特征都能夠測出的話,在很多情況下紅外和拉曼這兩種光譜手段都是必需的。在無機化學中,振動拉曼光譜學或者單獨地,或者與紅外光譜學結合在一起,有兩種主要用途:在一定特定的環境中進行離子或分子種類的鑒別和光譜表征;測定這類物質的空間構型。在分析化學中的應用:拉曼光譜分析技術也是分子結構表征技術,與紅外光譜相同,其信號來源于分子的振動和轉動,但由于分子的拉曼散射截面小及拉曼散射強度受光學系統參數等很多因素的影響,拉曼光譜多用于定性分析。在化學研究中，應用激光光源的拉曼光譜法,性等特性,因此,激光拉曼光譜與傅里葉變換紅外光譜相配合,已成為分子結構研究的主要手段。,并在負載型金屬氧化物、分子篩、原位反應和吸附等研究中取得了豐富的成果。拉曼光譜在負載型金屬氧化物的研究中發揮了很重要的作用，不但能夠得到表面物種的結構信息，而且能將結構與反應活性和選擇性進行很好地關聯，這在催化研究中是非常重要的。但是，由于載體一般有很強的熒光干擾，使一些氧化物，特別是低負載量氧化物的常規拉曼光譜研究遇到了很大的困難。拉曼光譜技術能夠提供物質的結構信息,因此是一種潛在的、強有力的表征微孔和介孔材料的手段。但對于傳統拉曼光譜技術,激發光的光源通常位于可見區,而大多數物質的熒光也處于可見區,所以熒光干擾是譜圖采集過程中一個很難避免的問題.特別是微孔分子篩和介孔材料,它們往往含有有機模板劑、雜質以及表面缺陷等物種,這些物種經過激光光源照射后會發出非常強的熒光,嚴重干擾拉曼光譜的收集,從而使常規拉曼光譜很難用于分子篩材料的表征。所以將激光發射到紫外區就可以避免熒光干擾。而紫外拉曼光譜技術的另一個突出特點是,當將紫外拉曼用于表征分子篩體系時,由于一些組分在紫外區有明顯的吸收,紫外光可以選擇性地激發這些組分相應的信息,從而使與這些組分相關的拉曼信號大大增強,得到共振拉曼光譜。拉曼光譜在材料科學研究中的應用在材料研究和應用方面,拉曼光譜可以用以分析半導體、超導體、陶瓷、晶體材料等固體材料。例如拉曼光譜可以測出經離子注入后的半導體損傷分布,可以測出半磁半導體的組分,外延層的質量,外延層混晶的組分載流子濃度等。在對新材料如LB膜、多孔硅、微晶硅、C、金剛石薄膜等的研究中,拉曼光譜技術都起著重要的作用。也可以用于探測地質礦藏的成分和含量。在納米材料的研究方面,拉曼光譜可以幫助考查納米粒子本身因尺寸減小而產生的對拉曼光譜的影響以及納米粒子的引入對玻璃相結構的影響。特別是對于研究低維納米材料,它已經成為首選方法之一。由于拉曼光譜具有靈敏度高、不破壞樣品和方便快速等優點,所以利用拉曼光譜可以對納米材料進行分子結構分析、鍵態特征分析和定性鑒定等。在超晶格中與薄膜材料的研究中,可以通過測量超晶格中的應變層的拉曼頻移計算出應變層的應力;根據拉曼峰形的對稱性,知道晶格的完整性。拉曼光譜技術還被成功地應用于寶石學研究和寶石鑒定領域。拉曼光譜技術甚至可以準確地鑒定寶石內部的包裹體,提供寶石的成因及產地信息,并且可以有效、快速、無損和準確地鑒定寶石的類別天然寶石、人工合成寶石或化處理寶石。拉曼光譜在生物研究中的應用在結構生物學研究領域拉曼光譜技術也有著獨特的優點。首先,拉曼光譜非常適合研究生物大分子的結構及變化,被公認為是研究分子結構和功能的有效方法之一。特別是激光共振拉曼光譜具有靈敏度高、所需樣品濃度低、反映結構息量大等特點,可以針對復雜分子的不同色團選擇性地共振激發,而相互間不受影響,尤其適用于生理水溶液狀態,因此受到廣泛關注。生物大分子的振動頻率非常復雜,振動頻率與分子中固定的分子群體的幾何排布和鍵的配置有密切的關系,而這種排布和配置也反映著分子間的相互作用,生物分子的這些特性影響著它們的拉曼光譜。反之,通過生物分子的拉曼光譜可以找出相應的振動頻率,從而可以知道分子的結構,通過譜的變化可以分析分子結構的變化。其次,在研究生物大分子與小分子相互作用方面拉曼光譜具有獨特的優越性。拉曼效應包含分子中原子所處的位置、電子的分布以及分子內作用力之間的相互影響,因此拉曼光譜能夠回答諸如配體對大分子的識別、酸的催化作用機理等核心問題,并且在它的最大效應處,拉曼光譜能夠對大分子復合物中的重要位點(如活性位點)提供非常精確而豐富的信息。生物大分子的振動能級還與分子間的相互作用有關。因此標志這些能級躍遷的拉曼位移及其變化,能提供生物分子的構象、鍵的配置以及構像馳豫過程等信息。。因此它在研究生物大分子與小分子相互作用方面具有獨特的優越性,特別是在藥物分子