拉曼光譜法

發布時間:2017-06-02  瀏覽次數:5244

一、引言

拉曼散射效應是以此現象的發現者一——印度物理學家C.V.Raman的名字命名的。拉曼于1928年首先在液體中觀察到這種現象，并記錄了散射光譜。拉曼光譜和紅外光譜同屬分子振動光譜，但它們的機理卻不同：紅外光譜是分子對紅外光的特征吸收，而拉曼光譜則是分子對光的散射。由于拉曼散射光的頻率位移對應于分子的能級躍遷，因此拉曼光譜技術便成為人們研究分子結構的新手段之一。20世紀40年代，由于當時的儀器技術水平所限，也由于紅外光譜技術的迅速發展，拉曼光譜一度處于低潮階段。20世紀60年代初，激光器的出現為拉曼光譜提供了理想的光源，再加上計算機的發展，使激光拉曼光譜逐步成為分子光譜學中一個活躍的分支。拉曼光譜技術以其信息豐富、制樣簡單、水的干擾小等獨特的優點，廣泛應用于生物分子、高聚物、半導體、陶瓷、藥物、禁違毒品、爆炸物及化工產品的分析中。

二、方法原理

1、拉曼散射效應

當激發光的光子與作為散射中心的分子相互作用時，大部分光子只是改變方向發生散射，而光的頻率仍與激發光的頻率相同，這種散射稱為瑞利散射；約占總散射光強度的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，不同于激發光的頻率，稱為拉曼散射(Raman scattering)。產生拉曼散射的原因是光子與分子之間發生了能量交換，如圖16.1所示。

對于斯托克斯(Stokes)拉曼散射來說，分子由處于振動基態EO被激發至激發態E1，分子得到的能量為△E，恰好等于光子失去的能量：

與之相對應的光子頻率改變△v為:

式中，h為普朗克常數。此時，斯托克斯散射的頻率vs為:

斯托克斯散射光的頻率低于激發光頻率v0。

同理，反斯托克斯(anti-Stokes)散射光的頻率vas為:

反斯托克斯散射光的頻率高于激發光頻率。

斯托克斯與反斯托克斯散射光的頻率與激發光頻率之差△v統稱為拉曼位移(Raman shift)。斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射強得多，拉曼光譜儀通常測定的大多是斯托克斯散射。

拉曼位移△v取決于分子振動能級的改變，不同的化學鍵或基團有不同的振動，△E反映了指定能級的變化，因此，與之相對應的拉曼位移△v也是特征的。這是拉曼光譜可以作為分子結構定性分析的理論依據。

2、拉曼活性的判斷

拉曼光譜是否出現，即分子是否有拉曼活性，取決于分子在運動時某一固定方向上的極化率是否改變。對于分子的振動、轉動來說，拉曼活性都是根據極化率是否改變來判斷的。下面我們以分子振動為例，說明極化率a是否發生改變。

分子在光波的交變電磁場作用下會誘導出電偶極矩：

式中，μ是分子誘導的偶極矩；E是激發光的交變電場強度；a是分子極化率(polarizability)。

分子極化率的改變與分子振動有關：

式中，a0是分子在平衡位置的極化率；q是雙原子分子的振動坐標：

Q=r—re

其中，r是雙原子分子核間距；re是平衡位置時的核間距；(da／dq)0是平衡位置時，a對q的導數。

將式(16.4)代入式(16.3)，整理后可得:

上式中的第一項對應于分子散射光頻率等于激發光頻率的瑞利散射；第二項對應于散射光頻率發生位移改變的拉曼散射，其中v0一v為斯托克斯線，v0+v為反斯托克斯線。由以上推導可知，(da／dq)0≠0是拉曼活性的依據，即分子振動時，凡是分子極化率隨振動而改變，就會產生拉曼散射，即分子具有拉曼活性。具體來說，全對稱振動模式的分子，在激發光子作用下，肯定會發生分子極化(變形)，故常有拉曼活性，而且活性很強。而對于離子鍵的化合物來說，由于沒有發生分子變形，故沒有拉曼活性。

3、拉曼光譜和紅外光譜的關系

從產生光譜的機理來看，拉曼光譜是分子對激發光的散射，而紅外光譜是分子對紅外光的吸收，但兩者都是研究分子振動的重要手段，同屬分子光譜。一般來說，分子的非對稱性振動和極性基團的振動都會引起分子偶極矩的變化，故這類振動是紅外活性的；而分子對稱性振動和非極性基團的振動會使分子變形，極化率隨之變化，具有拉曼活性。因此，拉曼光譜最適于研究同原子的非極性鍵的振動，如C-C，S- S，N—N鍵等對稱分子的骨架振動，均可從拉曼光譜得到豐富的信息。而不同原子的極性鍵，如C=O，C—H，N—H和O—H等在紅外光譜上有反映。相反，分子對稱骨架振動在紅外光譜上幾乎看不到。拉曼光譜和紅外光譜是互相補充的。

對任何分子來說，判斷其拉曼或紅外是否具有活性，粗略地可用下面的規則來判別：

(1)相互排斥規則：凡具有對稱中心的分子，若其分子振動對拉曼是活性的，則其對紅外就是非活性的。反之，若對紅外是活性的，則對拉曼就是非活性的。

(2)相互允許規則：凡是沒有對稱中心的分子，其紅外和拉曼光譜都是活性的(一些罕見的點群和氧的分子除外)。

(3)相互禁阻規則：對于少數分子的振動，其紅外和拉曼光譜都是非活性的。如乙烯分子的扭曲振動，它既沒有偶極矩的變化，也不發生極化率的改變，在紅外和拉曼光譜中均得不到它的譜峰。

最后需要指出的是，拉曼光譜與紅外光譜相類似，指認時除考慮基團的特征頻率外，還要考慮譜帶的形狀和強度，以及因化學環境的變化而引起的改變。綜合以上各個方面，才能對分子作出正確的指認。

三、儀器結構與原理

激光拉曼光譜儀主要由激光光源、樣品室、雙單色儀、檢測器、計算機控制系統和記錄儀等部分組成，如圖16.2所示。

當激光經反光鏡照射到樣品時，通常是在與入射光成900的方向收集散射光。為抑制雜散光，常采用雙光柵單色器，在特殊需要時(如測定低波數的拉曼光譜時)，還需用第三單色儀，以得到高質量的拉曼譜圖。散射信號經分光后，進入檢測器。由于拉曼散射信號十分微弱，須經光電倍增管將微弱的光信號變成微弱的電信號，再經微電放大系統放大，由記錄儀記錄下拉曼光譜圖。

圖16.3為環己烷的拉曼光譜圖。橫坐標是拉曼位移，以cm-1為單位，縱坐標為拉曼散射光的強度。

下面將激光拉曼光譜儀各主要組成部分分別介紹如下。

1、激光器

在拉曼光譜儀使用的激光光源中最常用的是氬離子激光器。以Spectra-Physics公司生產的2020型Ar+激光器為例，全線輸出功率為5W，單線輸出功率為2W。最常用的兩條激發線的波長為514.5nm(綠光)和488.Onm(藍光)。若額定輸出功率為2W，由Ar+激光器可得到的各激發線的波長和功率如表16.1所示。

由于Ar+激光器可以提供多條功率不同的分立波數的激發線，為一定波長范圍的共振拉曼提供了可能的光源。需要指出的是，一般說來，使用激發光的波長不同，所測得的拉曼位移(△v=｜v0一vs｜)是不變的，只是強度不同而已。

2、樣品室

樣品室的功能有兩個：一是使激光聚焦在樣品上，產生拉曼散射，故樣品室裝有聚焦透鏡；二是收集由樣品產生的拉曼散射光，并使其聚焦在雙單色儀的入射狹縫上，因此樣品室又裝有收集透鏡。

為適應固體、薄膜、液體、氣體等各種形態的樣品，樣品室除裝有三維可調的樣品平臺外，還備有各種樣品池和樣品架，如單晶平臺、毛細管、液體池、氣體池和180。背散射架等。為適應動力學實驗及恒溫實驗需要，樣品室可以改裝為大樣品室，并可配置高溫爐或液氮冷卻裝置，以滿足實驗中的控溫需要。對于一些光敏、熱敏物質，為避免激光照射而分解，可將樣品裝在旋轉池中，保證拉曼測試正常進行。

3、雙單色儀

雙單色儀顧名思義由兩個單色儀串聯而成(見圖16.4)，內有兩塊1800線／mm的全息光柵G和5塊反射鏡M，并有4個狹縫——入口狹縫S1、出口狹縫S2、中間狹縫S3與S4。

從樣品室收集而得的拉曼散射光，通過入射狹縫S1進入雙單色儀，經光柵G分光，由中間狹縫S3和S4進一步減小雜散光對測量的干擾，爾后，由出射狹縫S2進入光電倍增管。

為減少雜散光的影響，整個雙單色儀的內壁及狹縫均為黑色。為保證測量的精度，整個雙單色儀裝有恒溫裝置，保證工作溫度為24℃。

雙單色儀是拉曼光譜儀的心臟，要求環境清潔?；覊m對雙單色儀的光學元件鏡面的沾污是嚴重的，必要時要用洗耳球吹拂除去鏡面上的灰塵。但切忌用粗糙的濾紙或布抹擦，以免劃破光學鍍膜；也不要用有機溶劑擦洗，以免損壞光學鍍膜。

4、光電檢測器

以SPEXl403激光拉曼光譜儀配置的RCA—C31034光電倍增管為例，它是砷化鎵(GaAs)陰極光電倍增管，量子效率較高(17％～37％)，光譜響應較寬(300～860：nm)。在-30℃冷卻情況下，暗計數小于20c／s(COLInts persecond，計數每秒)。正因為它十分靈敏，它的計數上限為106c／s，特別要注意避免強光的進入，在拉曼測試設置參數時，一定要把瑞利線擋住，以免因瑞利線進入，造成過載而燒毀光電倍增管。

長時間冷卻光電倍增管，會使它的暗計數維持在較低的水平，這對減少拉曼光譜的噪聲，提高信噪比是有利的。

四、實驗技術

1、顯微拉曼技術

無論是液體，還是薄膜、粉末，測定它們的拉曼光譜時，無需特殊的制樣處理，均可直接測定。為了對一些不均勻的樣品，如陶瓷的晶粒與晶界組成，斷裂材料的缺口組成等，以及不便于直接取樣的樣品進行分析，人們發展了顯微拉曼技術。利用光學顯微鏡，將激光會聚到樣品的微小部位(直徑小于幾微米)，采用電視攝像管、監視器等裝置，可直接觀察到放大圖像，以便把激光點對準待測定的微小部位，經光束轉換裝置，即可將微區的拉曼散射信號聚焦到單色儀入射狹縫，得到指定微區部位的拉曼光譜圖。儀器裝置的光路圖如圖16.5所示。

顯微拉曼分析的最大特點是可以對微區進行無損分析，在常溫、常壓下操作，同時直接測出樣品的放大圖像和拉曼譜圖。這是不同于電子顯微鏡(高真空條件，需制樣，且不能得到分子振動光譜)，也不同于X衍射分析(不能提供微區結構信息的差異)的。顯微拉曼技術已廣泛應用于高聚物、生物活體組織、陶瓷以及礦物分析中。

2、退偏比的測量

一般光譜只能得到頻率和強度兩個參數，而拉曼光譜還可以測得另一個主要參數——退偏比，使拉曼光譜在測定分子結構的對稱性及晶體結構方面有著重要意義。

為了描述拉曼散射的偏振性能，定量計算分子的對稱性，定義了參數退偏比ρ：

10=I┸／I∥ (16．6)

式中，I┸是偏振器在垂直于入射光方向時測得的散射光強度；I∥是偏振器在平行于入射光方向時測得的散射光強度。

對于對稱振動，如CH4，ρ=0；對于非對稱的分子，其極化率常常是各向異性的，ρ=3／4。一般分子的退偏比介乎0與3／4之間，分子的對稱性越高，其退偏比越趨近于0，如果測得ρ→3／4，則為不對稱結構。

為了在儀器上比較方便地測得樣品的退偏比，采用了起偏器、檢偏器和擾偏器等附件。起偏器可裝在激光器上，使入射光改變光波偏振方向。檢偏器裝在收集散射光的光路中，檢測不同偏振方向的散射光。各部件的位置示意如圖16.6。

3、激光拉曼遙測技術

在光路中若采用光導纖維，則可以進行遙測。激光經光導纖維可進行遠距離傳輸，同時，拉曼光譜信號也可遠距離返回拉曼光譜儀，這大大拓寬了拉曼光譜技術的應用范圍。對于化學反應的實時分析、環境檢測以及電極表面反應的跟蹤等來說是有力的測試手段。特別是對于有毒、有放射性污染的環境中的過程進行遙控，提供了新的分析技術。此外，對于熔融鹽體系、高聚物的熔化以及生物過程的研究都是未來實時分析的新領域。

4、傅里葉變換近紅外激光拉曼光譜儀

傳統的光柵分光的拉曼光譜儀，逐點掃描，單道記錄，為得到一張高質量的譜圖必須經多次累加，十分費時間。另外，拉曼光譜儀所用的是可見光范圍的激光，能量大大超過產生熒光的閾值，十分容易激發出熒光，使拉曼信號“淹沒”，以致無法測定。下面將介紹20世紀80年代末推出的傅里葉變換近紅外激光拉曼光譜儀(near infrared-Fourier trans form Raman spectrometer，NIR-FT-Raman)，其光路如圖16.7所示。

傅里葉變換拉曼光譜(FT-Raman)儀的光路與傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀的光路相似，由激光光源、樣品室、邁克爾遜干涉儀、特殊濾光器、檢測器所組成，檢測到的信號經放大由計算機收集處理?，F將各主要部件分述如下。

(1)近紅外激光光源：用一臺Nd：YAG(摻釹釔鋁石榴石)激光器，產生波長為1.064μm的近紅外激發線，它的能量低于熒光激發所需閾值，從而避免了大部分熒光對拉曼光譜的干擾。不足之處是1.064μm近紅外激發光比可見光波長要長約一倍，受拉曼散射截面隨激發線波長呈1／λ4規律遞減的制約，它的散射截面僅為可見光(λ=514.5nm)的1/16，因而使散射光的強度減小，影響了儀器的信噪比，不過，這可用增加掃描次數來彌補。

(2)樣品室：激發光被樣品散射后，由中心帶小孔的拋物面會聚透鏡收集，收集面為整個背散射的1800，以盡可能多地收集拉曼信號。

(3)邁克爾遜干涉儀：這與傅里葉變換紅外使用的干涉儀一樣，只是將分束器改換成石英分束器，以便近紅外光透過。整個拉曼光譜范圍的散射光經過干涉儀，所得的干涉圖經計算機進行快速傅里葉變換后，即可直接得到拉曼散射強度隨拉曼位移變化的拉曼光譜圖。一般的掃描速度每分鐘可得到20張譜圖，大大加快了分析速度，即使多次累加，以改善譜圖的信噪比，也比傳統的拉曼光譜儀快得多。

(4)特殊的濾光器：可濾出比拉曼散射強106～1010倍的瑞利散射。目前采用1～3個介電干涉濾光器組合分級濾光的辦法。

(5)檢測器：目前采用InGaAs檢測器(可在室溫下工作)，信噪比高。也有采用靈敏度較高的液氮冷卻的鍺二極管檢測器，但花費甚高。

FT-Raman光譜儀的優點是無熒光干擾，掃描速度快，分辨率高

五、實驗

（一）有機酸的拉曼光譜測定

1、實驗目的

(1)初步了解激光拉曼光譜儀的各主要部件的結構和性能。

(2)初步掌握測定樣品的基本參數的設定與操作要領。

(3)測定1～2種有機酸的拉曼光譜，并作指認。

2、實驗原理

拉曼散射是由于分子極化率的改變而產生的。拉曼位移取決于分子振動能級的變化，不同化學鍵或基團有特征的分子振動，△E反映了指定能級的變化，因此與之對應的拉曼位移也是特征的。

以下對有機酸中有關基團的拉曼特征頻率作一簡單介紹。

（1)C-H振動

對于C—H伸縮振動的譜帶，正烷烴一般在2980～2850cm～-1。烯烴中=CH2，=CHR基的譜帶在3100～3000cm-1。芳香族化合物中C—H振動譜帶則在3050cm-1附近。

C—H變形振動包括剪式振動、面內面外搖擺和扭曲4種模式，其頻率范圍分別為：正烷烴中甲基的HCH面外變形頻率為1466～1465cm-1，根據碳原子數的不同稍有區別；甲基和亞甲基的面內變形頻率在1473～1446cm-1；甲基的剪式振動頻率在1385～1368cm-1；甲基HCH面內變形振動還有975～835cm-1處的譜帶。

亞甲基扭曲振動與面內搖擺的混合譜帶在1310～1175cm-1，亞甲基面內搖擺和扭曲的混合譜帶在1060～719cm-1。CH3—CH2一扭曲在280～220cm-1，而一CH2一CH2一扭曲則在153～0cm-1。

（2)C-C骨架振動

由于拉曼光譜對非極性基團的振動和分子的對稱振動比較敏感，因此在研究有機化合物的骨架結構時，用拉曼較紅外有利。紅外因對極性基團和分子的非對稱振動敏感，適合測定分子的端基。

正烷烴中C—C伸縮振動頻率在1150～950 cm-1。C—C -C變形振動頻率在425～150cm-1。伸縮振動頻率與碳鏈長短無關，而變形振動頻率則是碳鏈長度的函數，因此，變形振動頻率是鏈長度的特征。

（3)C=O振動

酸類的C=O對稱伸縮振動頻率隨物理狀態不同而有差異，如甲酸單體為1170cm-1，二聚體為1754cm-1。90℃下的液體為1679cm-1，O℃以下的液體為1654cm-1。35％～10O％水溶液為1672cm-1。

酸酐中的C=O對稱伸縮振動在1820cm-1，反對稱伸縮振動在1765cm-1，而其他鏈狀飽和酸酐則在1805～1799cm-1和1745～1738cm -1。

在進行有機化合物拉曼譜的指認時，基團特征頻率是定性分析的重要依據。但也要注意這個基團的頻率在化學環境的影響下發生的位移，包括位移的方向和大小。此外，譜帶的相對強度和譜峰的形狀也應綜合考慮。

3、儀器與試劑

儀器：拉曼光譜儀。

試劑：CCl4、甲酸、丙烯酸。

4、實驗內容與步驟

(1)以四氯化碳為樣品，了解激光拉曼光譜儀的正確操作過程，并調節光路，得到四氯化碳的拉曼譜圖。用460cm-1特征峰的強度評價儀器的狀態。

(2)用毛細管封裝有機酸樣品。注意，封裝毛細管時，要均勻轉動毛細管，使封口光滑，并保持毛細管平直。試樣盡量保持居中，管中約有1～2mm液體即可。測定每一種有機酸樣品的拉曼光譜，存儲數據并打印出拉曼光譜圖。

5、注意事項

在調試激光光路時，注意眼睛不要直視激光光束，要絕對防止激光直視視網膜，以防燒傷致殘。

6、數據處理

記錄拉曼光譜圖，查閱標準拉曼光譜圖并作指認。

六、碳納米管的拉曼光譜測定

1、實驗目的

(1)初步了解顯微共焦激光拉曼光譜儀的各主要部件的結構和性能。

(2)掌握測定碳納米管樣品的基本參數設定。

(3)測定碳納米管的拉曼光譜，并進行指認。

2、實驗原理

拉曼散射是分子振動能級改變的結果。對無機化合物進行拉曼測試時，離子化合物沒有拉曼散射峰，只有共價鍵才有拉曼散射。因此相對于有機化合物的拉曼譜來說更為簡單。但由于有些無機化合物的熒光不容易猝滅，采用近紅外激光測定它們的拉曼譜是比較合適的。

無機化合物的拉曼光譜有以下特點：首先，在分子振動時，水的極化率變化很小，其拉曼散射較弱，在1600～1700em-1范圍內不會產生大的干擾，對無機水溶液的測試比紅外方便得多；其次，各金屬一配位鍵的振動頻率都在100～700cm-1范圍內，對于拉曼光譜來說，只要采用合適的濾光片將瑞利散射的干擾除去，無需更換其他附件就可以涵蓋這一段光譜區域，而對于紅外光譜來說，這段區域位于遠紅外區，需要采用附加的遠紅外附件及特殊的檢測器，才可以得到無機物的遠紅外光譜。

金屬離子和配位體問的共價鍵常具有拉曼活性，由此拉曼光譜可提供有關配位化合物的組成、結構和穩定性等信息。例如，大量的鹵素和類鹵素配合物都有較強的拉曼活性，宜用拉曼進行研究；又如金屬-氧鍵也有拉曼活性，像VO3-4，Al(OH)-4，Si(OH)2-6和Sn(OH)2-6都可以用拉曼光譜進行分析，從而得到其性質。如由拉曼光譜可以得出在高氯酸溶液中，釩(Ⅳ)是以VO2+(aq)的狀態存在，而不是以V(OH)2+(aq)的狀態存在的結論。同樣可以證明在硼酸溶液中解離出的陰離子是以四面體的B(OH)-4形式，而不是以H2BO-3的形式存在。

3、儀器與試劑

儀器：顯微共聚焦拉曼光譜儀。

試劑：多壁碳納米管。

4、實驗內容與步驟

(1)以多壁碳納米管為樣品，了解與掌握顯微共焦拉曼光譜儀的正確操作步驟，學習調節顯微鏡及獲取顯微圖像的方法，選擇合適的聚焦點。

(2)預設測定碳納米管的各項參數

激光器：633nm He-Ne激光器；

激光功率：50％～100％power；

掃描范圍：100～2000cm-1；

物鏡：放大倍數為20倍；

掃描條件；積分時間(電感耦合檢測器CCD)20s；

累加次數：3次。

(3)測量并記錄碳納米管的拉曼光譜。

(4)光譜測試完畢后，在實驗室人員指導下，關閉激光器。

5、數據處理

記錄并打印所得的碳納米管的拉曼光譜圖，并對其中的拉曼峰進行指認，計算D帶(約1350cm-1)與G帶(約1580cm-1)的比值。

七、合成橡膠的紅外光譜和拉曼光譜分析

1、實驗目的

(1)了解傅里葉變換紅外和拉曼光譜儀的各主要部件的結構和性能；

(2)掌握測定橡膠樣品拉曼光譜的基本參數設定和了解測定紅外光譜中所需的衰減全反射附件；

(3)測定合成橡膠的紅外和拉曼光譜，進行指認，并對比其異同。

2、實驗原理

(1)衰減全反射光譜(attenuated total reflection spectra，ATRS)是研究黑色樣品和薄膜樣品的有效手段。當光束J。由一種光學介質進入到另一種光學介質時，光線在兩種介質的界面將發生反射和折射現象。發生全反射現象必須具備介質1的折射率要大于介質2的折射率和入射角要大于臨界角這兩個條件。又由于樣品對紅外輻射有選擇的吸收，使得透入到樣品的光束在發生吸收的波長處減弱，即稱之為衰減全反射。

(2)合成橡膠中的C=C和C≡N伸縮振動在拉曼光譜中有明顯的散射峰，而在紅外光譜中沒有吸收峰。在紅外光譜中較強的CH峰的變角振動在拉曼光譜中卻沒有信號。由此可見，拉曼和紅外光譜能相互補充從而得到完整的分子振動能級躍遷的信息。

3、儀器與試劑

儀器：傅里葉變換紅外和拉曼光譜儀。

試樣：合成橡膠。

4、實驗內容與步驟

(1)測定合成橡膠的傅里葉變換拉曼光譜。

(2)學習ATR附件的使用，測定合成橡膠的傅里葉變換紅外光譜。

(3)打印光譜圖，并解析譜圖。

5、注意事項

(1)使用ATR附件測量紅外光譜時，要注意將橡膠樣品壓緊，并且不要擋住ATR晶體的入射面和反射面。

(2)測量橡膠的拉曼光譜時，依據檢測譜圖的方式逐步調節激光功率，保證在不損傷樣品的條件下得到最佳的光譜信號。橡膠是黑色樣品，注意觀測當功率加大時的熱背景并設法降低之。

(3)光譜測試完畢后，將激光功率調小至待機狀態，然后關閉激光器。

6、數據處理

記錄橡膠的紅外和拉曼光譜圖，查閱有關標準光譜圖進行指認，并比較其異同。