拉曼光譜|一個(gè)關(guān)于拉曼的教程--簡(jiǎn)智儀器

拉曼光譜學(xué)是振動(dòng)光譜學(xué)的一種形式，很像紅外（IR）光譜。 然而，IR譜帶是由于光與分子的相互作用引起的分子的偶極矩的變化而產(chǎn)生的，拉曼譜是由于相同的相互作用而由分子極化率的變化產(chǎn)生的。 這意味著這些觀察到的波段（對(duì)應(yīng)于特定能量躍遷）是由特定的分子振動(dòng)引起的。 當(dāng)這些轉(zhuǎn)變的能量被繪制為光譜時(shí)，它們可用于鑒定分子，因?yàn)樗鼈兲峁┝怂^察分子的“分子指紋圖譜”。 在IR中禁止某些在拉曼中允許的振動(dòng)，而其他振動(dòng)可以通過(guò)兩種技術(shù)觀察到，盡管在顯著不同的強(qiáng)度下，因此這些技術(shù)可被認(rèn)為是互補(bǔ)的。

自從拉曼光譜和KS Krishnan在1928年發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)以來(lái)，拉曼光譜已經(jīng)成為一種建立和化學(xué)分析和表征的實(shí)用方法，適用于許多不同的化學(xué)物質(zhì)。

樣本可以是形式 
•固體（顆粒，顆粒，動(dòng)力，薄膜，纖維） 
•液體（凝膠，糊劑） 
•氣體

簡(jiǎn)要介紹一下拉曼散射理論。

1.1。 拉曼效應(yīng)和正常拉曼散射。

當(dāng)光從分子散射時(shí)，大多數(shù)光子彈性散射。 散射的光子具有與入射光子相同的能量（頻率），因此具有相同的波長(zhǎng)。 然而，一小部分光（約10 個(gè)光子中約為1個(gè)）在與入射光子的頻率不同且通常低于其頻率的光頻率下散射。 導(dǎo)致這種非彈性散射的過(guò)程被稱為拉曼效應(yīng)。拉曼散射可以隨著分子的振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)或電子能量的變化而發(fā)生。 化學(xué)家主要關(guān)注振動(dòng)拉曼效應(yīng)，因此在本教程中，我們使用術(shù)語(yǔ)拉曼效應(yīng)僅表示振動(dòng)拉曼效應(yīng)。

入射光子與拉曼散射光子之間的能量差異等于散射分子振動(dòng)的能量。 散射光與能量差的強(qiáng)度曲線是拉曼光譜。

1.1.1。 散射過(guò)程

當(dāng)光束撞擊分子時(shí)，光子被材料吸收并分散。 絕大多數(shù)這些散射的光子具有與入射光子*相同的波長(zhǎng)，被稱為瑞利散射 。 在散射過(guò)程中，入射光子激發(fā)電子進(jìn)入更高的“虛擬”能級(jí)（或虛擬狀態(tài) ），然后電子衰減回較低的水平，發(fā)射散射光子。 在瑞利散射中，電子衰減到與其起始的相同水平，因此瑞利散射通常被稱為彈性散射的形式。

當(dāng)光子入射到分子上并與分子的電偶極子相互作用時(shí)，產(chǎn)生拉曼效應(yīng)。 它是一種電子（更的，振動(dòng)）光譜的形式，盡管光譜包含振動(dòng)頻率。 在經(jīng)典術(shù)語(yǔ)中，相互作用可以看作是分子電場(chǎng)的擾動(dòng)。 在量子力學(xué)術(shù)語(yǔ)中，散射可以被描述為對(duì)能量較低的虛擬狀態(tài)的激勵(lì)，而不是具有幾乎一致的去激勵(lì)和振動(dòng)能量變化的真實(shí)電子躍遷。 散射的虛擬狀態(tài)描述如圖1.1a所示。 在拉曼效應(yīng)中，在散射過(guò)程中激發(fā)的電子衰減到與其開(kāi)始時(shí)相同的水平，稱為非彈性散射。

圖1.1。 拉曼散射能級(jí)圖; （a）斯托克斯拉曼散射（b）反斯托克斯拉曼散射。

入射光和散射光子之間的能量差由圖1.1a中不同長(zhǎng)度的箭頭表示。 在數(shù)值上，初始和zui終振動(dòng)水平之間的能量差異，，或波數(shù)（cm-1）中的拉曼位移通過(guò)等式1計(jì)算，其中l(wèi)個(gè)入射和l個(gè)散射分別是入射和拉曼散射光子的波長(zhǎng)（cm）。

振動(dòng)能zui終作為熱量消散。 由于拉曼散射的強(qiáng)度低，所以散熱不會(huì)導(dǎo)致材料中可測(cè)量的溫度升高。

在室溫下，振動(dòng)激發(fā)態(tài)的熱群很少，盡管不是零。 因此，初始狀態(tài)是基態(tài)，并且散射光子將具有比激發(fā)光子更低的能量（更長(zhǎng)的波長(zhǎng)）。 這種斯托克斯偏移散射是通常在拉曼光譜中觀察到的。 圖1.1a描繪了拉曼斯托克斯散射。

分子的一小部分處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)。 來(lái)自振動(dòng)激發(fā)分子的拉曼散射使分子處于基態(tài)。 散射光子出現(xiàn)在較高的能量下，如圖1.1b所示。 在室溫下，反斯托克斯移動(dòng)的拉曼光譜總是比斯托克斯移動(dòng)的光譜弱，并且由于斯托克斯和反斯托克斯光譜包含相同的頻率信息，大多數(shù)拉曼實(shí)驗(yàn)僅觀察斯托克斯偏移散射。

1.1.2。 振動(dòng)能量

振動(dòng)模式的能量取決于分子結(jié)構(gòu)和環(huán)境。原子質(zhì)量，鍵合順序，分子取代基，分子幾何形狀和氫鍵均影響振動(dòng)力常數(shù)，這又決定了振動(dòng)能。例如，對(duì)于單鍵，雙鍵和三鍵鍵合的部分，磷 - 磷鍵的拉伸頻率分別為460?610?19375px-1。[1] 對(duì)力常數(shù)的估計(jì)或測(cè)量已經(jīng)付出了很多努力。 對(duì)于小分子，甚至對(duì)于諸如肽之類的一些延伸結(jié)構(gòu)，可以使用商業(yè)上可獲得的軟件對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行相當(dāng)準(zhǔn)確的計(jì)算。

振動(dòng)拉曼光譜不限于分子內(nèi)振動(dòng)。 延伸固體的晶格振動(dòng)和其他運(yùn)動(dòng)是拉曼活性的。 它們的光譜在聚合物和半導(dǎo)體等領(lǐng)域是重要的。 在氣相中，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在振動(dòng)轉(zhuǎn)變時(shí)可分辨。 所得到的振動(dòng)/旋轉(zhuǎn)光譜廣泛用于研究燃燒和氣相反應(yīng)。 在這個(gè)廣義上的振動(dòng)拉曼光譜是對(duì)物理生物學(xué)與材料科學(xué)學(xué)科范圍廣泛的現(xiàn)象的非常通用的探索。

1.1.3。 拉曼選擇規(guī)則和強(qiáng)度。

拉曼光譜的簡(jiǎn)單經(jīng)典電磁場(chǎng)描述可用于解釋拉曼譜帶強(qiáng)度的許多重要特征。通過(guò)外部電場(chǎng)E在分子中誘發(fā)的偶極矩P與等式2所示的場(chǎng)成比例。

比例常數(shù)是分子的極化性。極化率測(cè)量分子周圍的電子云可以被扭曲的容易程度。 感應(yīng)偶極子以入射光波的光頻發(fā)射或散射光。

發(fā)生拉曼散射是因?yàn)榉肿诱駝?dòng)可能改變極化率。

變化由極化率導(dǎo)數(shù)描述，，哪里是振動(dòng)的正常坐標(biāo)。 拉曼激活振動(dòng)的選擇規(guī)則在振動(dòng)期間具有極化率的變化，在等式3中給出。

拉曼選擇規(guī)則類似于對(duì)于紅外激活振動(dòng)的更熟悉的選擇規(guī)則，其規(guī)定振動(dòng)期間*偶極矩必須存在凈變化。 從組理論可以看出，如果分子具有對(duì)稱中心，則拉曼活性的振動(dòng)在紅外線中將保持沉默，反之亦然。

散射強(qiáng)度與感應(yīng)偶極矩的平方成正比，即極化率導(dǎo)數(shù)的平方，  。

如果振動(dòng)不會(huì)極大地改變極化率，則極化率導(dǎo)數(shù)將接近零，拉曼帶的強(qiáng)度將會(huì)很低。 高極性部分（如OH鍵）的振動(dòng)通常較弱。 外部電場(chǎng)不能引起偶極矩的大的變化，并且拉伸或彎曲粘結(jié)不會(huì)改變這一點(diǎn)。

典型的強(qiáng)拉曼散射體是具有分布電子云的部分，例如碳 - 碳雙鍵。 雙鍵的π-電子云在外部電場(chǎng)中容易變形。 鍵的彎曲或拉伸大大改變電子密度的分布，并引起誘導(dǎo)偶極矩的大的變化。

化學(xué)家通常傾向于拉曼散射理論的量子力學(xué)方法，其將散射頻率和強(qiáng)度與分子的振動(dòng)和電子能量狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。 標(biāo)準(zhǔn)擾動(dòng)理論處理假定入射光的頻率與*電子激發(fā)態(tài)的頻率相比較低。根據(jù)分子的所有可能激發(fā)的振動(dòng)態(tài)的總和來(lái)描述基態(tài)波函數(shù)的小變化。

1.1.4。 極化效應(yīng)。

拉曼散射部分極化，即使是氣體或液體中的分子，其中各個(gè)分子是隨機(jī)取向的。 使用平面極化的激勵(lì)源zui容易看到效果。 由于感應(yīng)電偶極子具有相對(duì)于分子坐標(biāo)在空間上變化的分量，因此產(chǎn)生各向同性介質(zhì)極化。 極化拉曼實(shí)驗(yàn)可以是研究聚合物膜和纖維的取向機(jī)理和zui終結(jié)構(gòu)以及單晶表征的電動(dòng)工具。

1.2。 共振增強(qiáng)拉曼散射。

如果激發(fā)激光的波長(zhǎng)在分子的電子光譜內(nèi)，那么一些拉曼活性振動(dòng)的強(qiáng)度將增加10 2 -10 4倍。 這種共振增強(qiáng)或共振拉曼（RR）效應(yīng)可能是有用的。 共振增強(qiáng)不是以明確的波長(zhǎng)開(kāi)始。 事實(shí)上，如果激發(fā)激光器甚至在低于分子的電子躍遷的幾百個(gè)波數(shù)內(nèi)，通常觀察到5X-10X的增強(qiáng)。 這種預(yù)共振增強(qiáng)也可能在實(shí)驗(yàn)上有用。

然而，RR僅在具有可以共振增強(qiáng)的振動(dòng)的分子中觀察到，并且因此這種方法于某些化學(xué)物質(zhì)。 這限制了RR對(duì)分析應(yīng)用的廣泛適用性。 諧振增強(qiáng)的深入審查超出了本教程的范圍，感興趣的讀者參考有關(guān)RR的理論和應(yīng)用的具體出版物。[2]

1.3。 表面增強(qiáng)拉曼散射。

吸附在結(jié)構(gòu)化金屬表面上或甚至幾個(gè)埃之間的化合物（或離子）的拉曼散射可以比溶液中大10 3?10 6倍。 這種表面增強(qiáng)的拉曼散射在銀上是zui強(qiáng)的，但是在金和銅以及常見(jiàn)的激發(fā)源上也是可以觀察到的。[3,4]在實(shí)際的激發(fā)波長(zhǎng)下，對(duì)其他金屬的增強(qiáng)是不重要的。 表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）產(chǎn)生于兩種機(jī)制。

盡管SERS允許從微摩爾（1×10 -6 ）范圍內(nèi)的溶液濃度觀察到拉曼光譜，但吸附動(dòng)力學(xué)較慢，競(jìng)爭(zhēng)吸附，以及只有某些化學(xué)和狀態(tài)表現(xiàn)出增強(qiáng)的事實(shí)才限制了SERS在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室外的一般適用性。 。

1.4。 拉曼光譜

拉曼光譜是拉曼散射輻射的強(qiáng)度作為其與入射輻射的頻率差的函數(shù)（通常以波數(shù)單位，cm -1）的曲線圖。 這個(gè)差異被稱為拉曼位移 。 注意，由于它是一個(gè)差值，拉曼位移與入射輻射的頻率無(wú)關(guān)。

圖2.兩個(gè)不同甲基氯硅烷的斯托克斯散射拉曼光譜繪制在同一組軸上。

請(qǐng)注意，每個(gè)都具有允許將其與另一個(gè)區(qū)分開(kāi)來(lái)的峰的特征集合。

1.5。 定性與定量拉曼

歷*，由于使用的光學(xué)元件的復(fù)雜性和低效率，拉曼儀器的挑戰(zhàn)是簡(jiǎn)單地測(cè)量可用的拉曼光譜。 光譜用于化學(xué)指紋樣品，提供樣品的化學(xué)成分的定性評(píng)估。 凱撒已經(jīng)革新了拉曼光譜，開(kāi)創(chuàng)了可以開(kāi)發(fā)高通量，緊湊型分析儀的全息技術(shù)。 凱撒的技術(shù)使得凱澤及其用戶超越定性拉曼光譜進(jìn)行定量分析。 定量拉曼光譜法提供物種的化學(xué)濃度進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)和控制。實(shí)時(shí)“原位”定性拉曼光譜法使Kaiser的拉曼分析儀能夠部署在實(shí)驗(yàn)室之外，并提供超過(guò)20年的成功的24/7過(guò)程控制裝置。

1.6。 拉曼光譜的優(yōu)點(diǎn)

拉曼光譜法有助于化學(xué)分析的幾個(gè)原因：

特異性：由于拉曼檢測(cè)到基本振動(dòng)，拉曼頻帶具有良好的信噪比并且不重疊。 這允許將拉曼光譜用于從樣品的“指紋”到構(gòu)建反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜化學(xué)模型的一切。

水體系分析：水的IR光譜強(qiáng)，相對(duì)復(fù)雜，由于水帶的嚴(yán)重干擾，IR對(duì)水溶液的分析不夠。然而，水的拉曼光譜是弱的和不引人注目的，允許在水溶液中獲得良好的光譜。

有機(jī)和無(wú)機(jī)化學(xué)分析：如果化學(xué)物質(zhì)之間存在共價(jià)化學(xué)鍵，則可能產(chǎn)生*的拉曼標(biāo)記。

寬濃度范圍：拉曼物質(zhì)的測(cè)量強(qiáng)度與濃度成正比。 這允許拉曼分析從1％至100％的分?jǐn)?shù)測(cè)量物質(zhì)濃度，而不進(jìn)行樣品稀釋。

無(wú)樣品制備：與大多數(shù)其他化學(xué)分析技術(shù)不同，拉曼不需要對(duì)樣品進(jìn)行特殊的制備。 事實(shí)上，根本不需要與樣品接觸，因?yàn)槔鼉H涉及用激光照射樣品并收集散射的光子。

非破壞性分析：由于拉曼只涉及一個(gè)樣品，通常通過(guò)窗口照射一個(gè)激光，并收集散射的光子，這使拉曼光譜無(wú)損壞 。

與普通Windows兼容：可以使用由玻璃，藍(lán)寶石，透明聚合物和金剛石制成的標(biāo)準(zhǔn)采樣容器和窗戶來(lái)原位測(cè)量樣品。

定量拉曼：由于拉曼帶的強(qiáng)度與產(chǎn)生帶的分子的數(shù)量成正比，所以拉曼帶可用于提供分子濃度的量度。

測(cè)量時(shí)間短：拉曼光譜通?？梢栽趲酌腌姷綆追昼姷臅r(shí)間范圍內(nèi)獲得，因此拉曼可用于“實(shí)時(shí)地”監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)。

2.0。 拉曼系統(tǒng)的基本組成部分

拉曼系統(tǒng)在概念上很簡(jiǎn)單，包括以下主要組成部分

l 激光激發(fā)源

l 激發(fā)輸送光學(xué)

l 一個(gè)樣品

l 收集光學(xué)

l 波長(zhǎng)分離裝置

l 檢測(cè)器和相關(guān)電子元件

l 記錄裝置

在實(shí)踐中，由于拉曼效應(yīng)較弱，每個(gè)器件組件的集成系統(tǒng)的效率和優(yōu)化至關(guān)重要。 只有優(yōu)化的系統(tǒng)能夠在相同類型的zui廣范圍內(nèi)產(chǎn)生zui大的測(cè)量潛力，并且能夠在zui短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量物種的zui低濃度。

簡(jiǎn)智儀器采用集成設(shè)計(jì)架構(gòu)來(lái)優(yōu)化拉曼性能，同時(shí)保持采樣靈活性。