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【必備】一文帶你全方位了解拉曼光譜Raman（基礎(chǔ)知識(shí)、儀器、應(yīng)用）

來源：測(cè)試狗時(shí)間：2020-05-03 16:10:25 瀏覽：32542次

本文由測(cè)試狗原創(chuàng)

1. 拉曼光譜的基礎(chǔ)知識(shí)

拉曼光譜是一種無損的分析技術(shù)，它是基于光和材料內(nèi)化學(xué)鍵的相互作用而產(chǎn)生的,可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度以及分子相互作用的詳細(xì)信息。

發(fā)現(xiàn)拉曼散射的印度科學(xué)家拉曼

拉曼是一種光散射技術(shù)。激光光源的高強(qiáng)度入射光被分子散射時(shí)，大多數(shù)散射光與入射激光具有相同的波長（顏色），不能提供有用的信息，這種散射稱為瑞利散射。然而，還有極小一部分（大約1/10^9）散射光的波長（顏色）與入射光不同，其波長的改變由測(cè)試樣品（所謂散射物質(zhì)）的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，這部分散射光稱為拉曼散射。

拉曼散射光對(duì)稱地分布在瑞利散射光的兩側(cè)，但其強(qiáng)度比瑞利散射光弱得多，通常只為瑞利光強(qiáng)度的 10^-6 - 10^-9。

2. 拉曼光譜能提供什么信息

一張拉曼譜圖通常由一定數(shù)量的拉曼峰構(gòu)成，每個(gè)拉曼峰代表了相應(yīng)的拉曼散射光的波長位置和強(qiáng)度。每個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)于一種特定的分子鍵振動(dòng)，其中既包括單一的化學(xué)鍵，例如C-C, C=C, N-O, C-H等，也包括由數(shù)個(gè)化學(xué)鍵組成的基團(tuán)的振動(dòng)，例如苯環(huán)的呼吸振動(dòng)，多聚物長鏈的振動(dòng)以及晶格振動(dòng)等。

拉曼光譜中可以得到以下信息：

一般而言，拉曼光譜是特定分子或材料獨(dú)有的化學(xué)指紋，能夠用于快速確認(rèn)材料種類或者區(qū)分不同的材料。在拉曼光譜數(shù)據(jù)庫中包含著數(shù)千條光譜，通過快速搜索，找到與被分析物質(zhì)相匹配的光譜數(shù)據(jù)，即可鑒別被分析物質(zhì)。

如圖分別是甲醇和乙醇的拉曼光譜，二者有著顯著的區(qū)別，可以用于區(qū)分這兩種物質(zhì)；當(dāng)與拉曼成像系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，可以基于樣品的多條拉曼光譜來生成拉曼成像。這些成像可以用于展示不同化學(xué)成分、相與形態(tài)以及結(jié)晶度的分布。

如圖是一粒藥片的拉曼光譜成像，由圖中可以看出阿司匹林（紅色）、咖啡因（綠色）和撲熱息痛（藍(lán)色）成分在藥片中的分布情況。

拉曼譜線的頻率雖然隨入射光頻率而變化，但拉曼散射光的頻率和瑞利散射光頻率之差卻基本上不隨入射光頻率而變化，而與樣品分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。

此頻率差稱為拉曼頻移（Raman shift），即拉曼光譜的橫坐標(biāo)。Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。Δv取決于分子振動(dòng)能級(jí)的改變，所以他是特征的，并且拉曼光譜與入射光波長無關(guān)，適應(yīng)于分子結(jié)構(gòu)的分析。因此，拉曼位移是表征物質(zhì)分子振動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)特性的一個(gè)物理量。

3. 激光拉曼光譜儀的組成

自從六十年代將激光器用于拉曼光譜儀后，拉曼光譜儀得到了飛速的發(fā)展。如今的拉曼光譜儀無論在檢測(cè)精度和測(cè)試范圍上都是以前的拉曼光譜儀所不能相比的。下圖是激光拉曼光譜儀的示意圖，它主要由光源、外光路系統(tǒng)、樣品池、單色器、信號(hào)處理及輸出系統(tǒng)等五部分組成。

拉曼光譜使用什么波長的激光器？

從紫外、可見到近紅外波長范圍內(nèi)的激光器都可以用作拉曼光譜分析的激發(fā)光源，典型的激光器有（不限于）：

紫外：244 nm，257 nm，325 nm，364 nm

可見：457 nm，488 nm，514 nm， 532 nm，633 nm，660nm

近紅外：785 nm，830 nm，980 nm，1064 nm

激光波長的選擇對(duì)于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有著重要的影響：

1.靈敏度：拉曼散射強(qiáng)度與激光波長的四次方成反比，因此，藍(lán)/綠可見激光的散射強(qiáng)度比近紅外激光要強(qiáng)15倍以上。

2.空間分辨率：在衍射極限條件下，激光光斑的直徑可以根據(jù)公式計(jì)算得出，其中是激發(fā)激光的波長，是所使用顯微物鏡的數(shù)值孔徑。例如，采用數(shù)值孔徑為0.9的物鏡，波長532 nm激光的光斑直徑理論上可以小到0.72微米，在同樣條件下使用785 nm波長激光時(shí)，激光光斑直徑理論上最小值為1.1微米，因此，最終的空間分辨率在一定程度上取決于激發(fā)激光的選擇。

3.可以基于樣品特性對(duì)激發(fā)波長進(jìn)行優(yōu)化：激發(fā)光波長的選擇一般是為了避開熒光的干擾，因?yàn)槔灰婆c激發(fā)光頻率無關(guān)，不同物質(zhì)產(chǎn)生熒光的范圍不同，只要能避開該物質(zhì)的熒光帶的激發(fā)光都是可以的。例如，藍(lán)/綠色激光（440－565 nm）適合無機(jī)材料和共振拉曼實(shí)驗(yàn)（如碳納米管和其它碳材料）以及表面增強(qiáng)拉曼實(shí)驗(yàn)（SERS）；紅色和近紅外激光（660－830nm）適合于抑制樣品熒光；紫外激光適合生物分子（蛋白質(zhì)、DNA、RNA等）的共振拉曼實(shí)驗(yàn)以及抑制樣品熒光。

4. 拉曼與紅外光譜的比較

拉曼光譜與紅外光譜都能獲得關(guān)于分子內(nèi)部各種簡正振動(dòng)頻率及有關(guān)振動(dòng)能級(jí)的情況，從而可以用來鑒定分子中存在的官能團(tuán)。但兩者產(chǎn)生的原理和機(jī)制都不同，在分子結(jié)構(gòu)分析中，拉曼光譜與紅外光譜相互補(bǔ)充，一些在紅外光譜無法檢測(cè)的信息在拉曼光譜能很好地表現(xiàn)出來。

紅外光譜側(cè)重于檢測(cè)基團(tuán)，適用于極性鍵，多用于測(cè)有機(jī)物，拉曼光譜檢測(cè)分子骨架，適用于非極性鍵，有機(jī)無機(jī)均可測(cè)試。

拉曼光譜與紅外光譜對(duì)比表

5. 樣品要求

一般無需制樣，樣品通常放置于顯微鏡下測(cè)試：

1. 松散的樣品可以用載波片壓一下

2. 碳材料可以放置于載波片上

6. 拉曼在碳材料中的應(yīng)用

碳納米材料由對(duì)稱的碳-碳共價(jià)鍵構(gòu)成。這些材料的結(jié)構(gòu)即使發(fā)生微小的變化，也可用拉曼光譜檢測(cè)到，從而使拉曼光譜成為碳納米材料表征的強(qiáng)大工具。

拉曼光譜可以區(qū)分碳材料的同素異形體：

D 波段可能代表SP3鍵（四面體結(jié)構(gòu)）或者雜化缺陷的SP2鍵(石墨稀邊緣結(jié)構(gòu)）；

G波段代表SP2鍵（平面體結(jié)構(gòu)）

富勒烯

石墨烯

G’波段線性依賴于石墨稀的厚度

單壁碳管

可用于分析碳納米管管徑

單壁碳管主要由SP2鍵組成，有些缺陷(D波段），并呈現(xiàn)許多新模式
呼吸模(RBM），與碳管伸縮振動(dòng)有關(guān)系，表征碳管管徑

多壁碳管

1. 不呈現(xiàn)呼吸模

2. D/G的強(qiáng)度要比單壁碳管高

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