拉曼測(cè)量解決方案

拉曼光譜測(cè)量是一種無(wú)損的光學(xué)分析技術(shù)，其基本原理基于印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，它是基于光和材料的相互作用而產(chǎn)生的。拉曼光譜可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度及分子相互作用的詳細(xì)信息。

發(fā)現(xiàn)并理解拉曼效應(yīng)為一種新的光譜學(xué)打開(kāi)了大門(mén)。然而，只有隨著激光的發(fā)現(xiàn)，拉曼光譜才真正扎根。因此，拉曼光譜需要單色光，用激光照射樣品，并用光譜儀（色散或傅里葉轉(zhuǎn)換技術(shù)）分析部分散射光。最后我們得到了一份拉曼光譜，它顯示了我們所研究的材料的特征信號(hào)或“譜帶”。

能級(jí)圖展表示出不同的能級(jí)相對(duì)應(yīng)的拉曼訊號(hào)，線的粗細(xì)大致成比例約略描述訊號(hào)的大小

基本概念

• 斯托克斯位移/反斯托克斯位移

如果最終振動(dòng)狀態(tài)的分子比初始狀態(tài)時(shí)能量高，所激發(fā)出來(lái)的光子頻率則較低，以確保系統(tǒng)的總能量守恒。這一個(gè)頻率的改變被名為斯托克斯位移（Stokes shift）。如果最終振動(dòng)狀態(tài)的分子比初始狀態(tài)時(shí)能量低，所激發(fā)出來(lái)的光子頻率則較高，這一個(gè)頻率的改變被名為反斯托克斯位移（Anti-Stokes shift）。

二次諧波產(chǎn)生（SHG)、雙光子激發(fā)熒光（TPEF)、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）以及受激拉曼散射（SRS）的能級(jí)圖

• 瑞利散射

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(zhǎng)（顏色），例如，如果用綠色激光筆指向一堵墻，你總是會(huì)看到一個(gè)綠點(diǎn)。散射光的顏色明顯沒(méi)有發(fā)生改變，這種散射稱為瑞利散射。

• 拉曼散射

然而，當(dāng)光子與物質(zhì)分子相互作用時(shí)，還有極小一部分（大約1/10⁹）散射光的波長(zhǎng)（顏色）與入射光不同，其波長(zhǎng)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，光子的能量會(huì)轉(zhuǎn)移到分子振動(dòng)的振動(dòng)能級(jí)上，導(dǎo)致其能量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生散射光，這部分散射光稱為拉曼散射。

關(guān)于振動(dòng)的配位，分子極化電勢(shì)的改變或稱電子云的改變量，是分子拉曼效應(yīng)必定的結(jié)果。極化率的變化量將決定拉曼散射強(qiáng)度。該模式頻率的改變是由樣品的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)狀態(tài)決定。

然而，也可能發(fā)生非彈性散射過(guò)程，從而導(dǎo)致發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。這通常與分子振動(dòng)有關(guān)。這種散射現(xiàn)象被稱為拉曼效應(yīng)，它是由阿道夫·斯梅卡爾于1923年預(yù)言并由C.V.Raman于1930年發(fā)現(xiàn)的。

分子碰撞模型產(chǎn)生的散射現(xiàn)象示意圖

拉曼光譜的基本原理

拉曼光譜是由物質(zhì)分子對(duì)光源的散射產(chǎn)生的，與分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化有關(guān)，來(lái)源于分子極化度的變化，是由有對(duì)稱電荷分布的鍵的對(duì)稱振動(dòng)引起的。如-C=C-、-N=N-及-S-S-等，這些鍵振動(dòng)時(shí)偶極矩不發(fā)生變化。因此，我們可以通過(guò)光激發(fā)分子運(yùn)動(dòng)，然后解釋這種相互作用，從而對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)分析。拉曼光譜常用于研究非極性基團(tuán)與骨架的對(duì)稱振動(dòng)。

當(dāng)光線照射到分子并且和分子中的電子云及分子鍵結(jié)產(chǎn)生相互作用，就會(huì)發(fā)生拉曼效應(yīng)。對(duì)于自發(fā)拉曼效應(yīng)，光子將分子從基態(tài)激發(fā)到一個(gè)虛能量狀態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子放出一個(gè)光子后并返回到一個(gè)不同于基態(tài)的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)狀態(tài)。在基態(tài)與新?tīng)顟B(tài)間的能量差會(huì)使得釋放光子的頻率與激發(fā)光線的波長(zhǎng)不同。

單光束電子共振增強(qiáng)相干拉曼散射的基本原理

拉曼光譜可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度及分子相互作用的詳細(xì)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(zhǎng)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(zhǎng)鏈的振動(dòng)以及晶格振動(dòng)等。

• 拉曼光譜特點(diǎn)

拉曼光譜圖與物質(zhì)特征之間的關(guān)系

1、拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對(duì)同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只和樣品的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)，而不同物質(zhì)的拉曼位移是不一樣的（這也是用拉曼光譜定性分析樣品結(jié)構(gòu)的依據(jù)）

2 、在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對(duì)稱地分布在瑞利散射線兩側(cè)， 這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個(gè)振動(dòng)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(qiáng)度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動(dòng)基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。

4、拉曼光譜（Raman Spectra）與紅外線光譜（IR spectra）都是分子振動(dòng)光譜，兩者本身是屬于互補(bǔ)關(guān)系。當(dāng)樣品屬于偶極矩較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，例如：C-O或C=O鍵結(jié)，對(duì)于紅外線光源(IR source)有較強(qiáng)的吸收，反之，若是極矩較弱的結(jié)構(gòu)，例如C-C或C=C等，則是較容易使用拉曼光譜儀(Raman Spectrometer)進(jìn)行分析。

trans-Cinnamyl acetate（菌桂精油成分之一）結(jié)構(gòu)的紅外線光譜和拉曼光譜

拉曼測(cè)量解決方案

要獲得拉曼光譜，只需要把激光聚焦在你想研究的樣品上。但是，該樣品在用于激發(fā)的激光下不能產(chǎn)生熒光。如果樣品產(chǎn)生熒光的話，熒光將掩蓋大部分拉曼效應(yīng)，因?yàn)榕c熒光信號(hào)相比，拉曼信號(hào)顯得十分微弱。

激光照射樣品后，散射光通過(guò)濾光片（以去除激發(fā)激光中的任何光）。然后散射光被導(dǎo)入到一個(gè)光柵上，光柵像棱鏡一樣將非彈性散射光按波長(zhǎng)進(jìn)行分布。最后這些光線被導(dǎo)入到一個(gè)CCD傳感器，然后根據(jù)強(qiáng)度生成一張光譜。

測(cè)量拉曼光譜的基本設(shè)置

拉曼光譜既可用于定性測(cè)試，也可用于定量測(cè)試。通常情況下，拉曼光譜（包括峰位和相對(duì)強(qiáng)度） 提供了物質(zhì)獨(dú)一無(wú)二的化學(xué)指紋，可以用于識(shí)別該物質(zhì)并區(qū)別于其他物質(zhì)。實(shí)際測(cè)試的拉曼光譜往往很復(fù)雜，通過(guò)譜峰歸屬來(lái)判定未知物相對(duì)比較復(fù)雜，而通過(guò)拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行搜索來(lái)尋找與之匹配的結(jié)果，則可以快速對(duì)未知物進(jìn)行判別。

拉曼測(cè)量連接示意圖

• 拉曼光譜測(cè)量過(guò)程

1. 激光光源：選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的激光作為入射光源，如氦氖激光器。

2. 樣品制備：將待測(cè)樣品放置在一個(gè)專門(mén)設(shè)計(jì)的拉曼光譜儀的樣品池中，以便激光束能夠照射到樣品表面。

幾乎所有包含真實(shí)的分子鍵的物質(zhì)都可以用于拉曼光譜分析，即固體、粉末、軟膏、液體、膠體和氣體都可以使用拉曼光譜進(jìn)行分析；拉曼一次可以同時(shí)覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對(duì)有機(jī)物及無(wú)機(jī)物，甚至是生物材料進(jìn)行分析（若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測(cè)器）；拉曼對(duì)溶液，固體混合物和純物質(zhì)都可以進(jìn)行分析。

混合材料樣品的拉曼光譜：從某個(gè)樣品獲取的拉曼光譜包含了測(cè)試體積（激光照射到的體積）內(nèi)所有分子的信息。因此，混合物的拉曼光譜中包含了代表測(cè)試體積內(nèi)所有不同分子的拉曼信號(hào)。如果混合樣品的各種成分是已知的，那么根據(jù)相對(duì)峰強(qiáng)可以衡量混合物組分的相對(duì)含量。

乙醇、甲醇拉曼光譜圖

氣體樣品的拉曼光譜：雖然氣體樣品也可以通過(guò)拉曼光譜進(jìn)行分析，但是由于氣體的分子密度特別低，所以測(cè)量氣體的拉曼光譜相對(duì)較難，通常需要用到大功率激光器和較長(zhǎng)路徑的樣品池。

1. 激光照射：將激光束對(duì)準(zhǔn)樣品表面，使其與樣品相互作用，產(chǎn)生拉曼散射。

2. 拉曼光譜獲取：拉曼散射光被探測(cè)器接收，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。探測(cè)器通常采用光電倍增管（PMT）或電荷耦合器件（CCD），用于收集和記錄散射光的強(qiáng)度和頻率信息。

3. 數(shù)據(jù)處理與分析：采集到的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析。

通過(guò)對(duì)比拉曼光譜與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的拉曼光譜，可以確定待測(cè)樣品的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)等信息。

在其他條件不變的情況下，光譜的強(qiáng)度正比于樣品濃度。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)濃度的樣品來(lái)確定峰強(qiáng)和濃度之間的關(guān)系（標(biāo)準(zhǔn)曲線） 后，即可進(jìn)行濃度分析。對(duì)于混合物，相對(duì)峰強(qiáng)可以提供各種組分相對(duì)濃度的信息，與此同時(shí)，絕對(duì)峰強(qiáng)可以體現(xiàn)絕對(duì)濃度信息（參考標(biāo)準(zhǔn)濃度校正）。

1. 結(jié)果解釋與應(yīng)用：根據(jù)拉曼光譜的信息，可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析，從而為科學(xué)研究、材料開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用提供有價(jià)值的信息。

左上：樣品和測(cè)量的示意圖；左下：光學(xué)圖像缺陷；右：缺陷區(qū)域不同位置的紅外光譜

金屬薄膜下20 μm的黑色污染

應(yīng)用領(lǐng)域

拉曼光譜包含某些“譜帶”或信號(hào)。這些“譜帶”或信號(hào)對(duì)于某些官能團(tuán)和物質(zhì)是獨(dú)一無(wú)二的。拉曼光譜技術(shù)可以快速、非破壞性地獲取大量信息，它們不僅提供了物質(zhì)化學(xué)成分的信息，也提供了有關(guān)分子振動(dòng)頻率和強(qiáng)度的信息、結(jié)晶度、多態(tài)性或壓力和溫度變化的信息，為理解和解析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能提供基礎(chǔ)。

目前拉曼光譜可應(yīng)用在半導(dǎo)體材料、聚合體、碳材料、地質(zhì)學(xué)/礦物學(xué)/寶石鑒定、生命科學(xué)、醫(yī)藥、化學(xué)、環(huán)境、物理、考古、薄膜以及法庭科學(xué)中違禁藥品檢查、區(qū)分各種顏料、色素、油漆、纖維等；另外在爆炸物的研究、墨跡研究、子彈殘留物和地質(zhì)碎片研究中也有一定的應(yīng)用。

常見(jiàn)生物組分和分子的拉曼光譜

在材料科學(xué)領(lǐng)域，拉曼光譜可以用于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，如晶體結(jié)構(gòu)、缺陷和相變等。通過(guò)研究材料的拉曼光譜，可以評(píng)估其化學(xué)成分、晶體缺陷和性能參數(shù)等，從而為材料設(shè)計(jì)、制備和改性提供指導(dǎo)。

碳納米管具有“奇妙的碳納米管”、“太空電梯的繩索”之稱，且具有極好的可彎折性、密度小、硬度強(qiáng)等特點(diǎn)，是鋼的100倍

不同碳材料的拉曼光譜

單物種生物膜的拉曼光譜

TiO₂拉曼光譜圖

在生物學(xué)領(lǐng)域，拉曼光譜技術(shù)可用于研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能，如蛋白質(zhì)、核酸和多糖等。通過(guò)研究生物大分子的拉曼光譜，可以獲得關(guān)于分子結(jié)構(gòu)、活性和相互作用等方面的信息，為疾病診斷、藥物研發(fā)和生物學(xué)研究提供有力支持。

線粒體細(xì)胞色素、肌紅蛋白和血紅蛋白在氧合和脫氧狀況下拉曼光譜出現(xiàn)的位移和峰值變化

在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，拉曼光譜可以用于監(jiān)測(cè)和分析水體、土壤和大氣中的污染物，為環(huán)境保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，拉曼光譜技術(shù)在考古、地質(zhì)學(xué)等其他領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用前景。

礦物分布

寶石樣品拉曼光譜圖

在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，拉曼光譜技術(shù)可以輔助診斷腫瘤、炎癥和感染等疾病，為疾病的早期發(fā)現(xiàn)和治療提供新的手段。

14例（左上）結(jié)石為草酸鈣；3例（右上）為磷酸鈣結(jié)石；3例（下）為尿酸結(jié)石

皮膚組織拉曼光譜

在安全檢查領(lǐng)域，拉曼光譜技術(shù)可以檢測(cè)金屬材料中的夾雜物、裂紋等缺陷，提高工業(yè)生產(chǎn)和安全檢查的效率和準(zhǔn)確。

鋼板銹層五個(gè)樣品點(diǎn)位的成像圖

785nm激發(fā)拉曼測(cè)試結(jié)果

在化學(xué)領(lǐng)域，是因?yàn)榛瘜W(xué)鍵以及對(duì)稱分子都有其特殊振動(dòng)的光譜信息，因此提供作為分子鑒別時(shí)的重要特征。例如，SiO, Si2O₂, 和Si₃O₃的振動(dòng)頻率是可被鑒別出來(lái)的，并列為紅外線光譜學(xué)以及拉曼光譜學(xué)配位分析的基礎(chǔ)。有機(jī)分子的特殊（波數(shù)）范圍在500-2000nm。另外一方面，光譜學(xué)配位分析技術(shù)也被運(yùn)用到化學(xué)鍵結(jié)研究上，例如，在基質(zhì)中加入酵素。

二甲基硅酮樣品（藍(lán)色）拉曼光譜與光譜庫(kù)中的光譜進(jìn)行比較

亞硝酸鈷鈉溶液（藍(lán)色）與亞硝酸鈷鈉鉀（紅色）拉曼光譜圖

配置推薦：

• 拉曼光譜儀

萊森光學(xué)拉曼光譜儀采用微型共聚焦設(shè)計(jì)，抑制熒光，體積小巧，重量輕，可單獨(dú)使用，也可集成入手持式、便攜式、箱體式等多種制式的拉曼光譜儀系統(tǒng)中；具有高靈敏度、高信噪比、寬光譜范圍等優(yōu)異的性能。能夠充分滿足科研院所，企業(yè)在無(wú)機(jī)/有機(jī)材料、生物生命，化學(xué)/化工、藥物分析，食品安全，刑偵鑒定，環(huán)境污染檢測(cè)等研究中的需求。