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【必備】一文帶你全方位了解拉曼光譜Raman（基礎知識、儀器、應用）

來源：測試狗時間：2020-05-03 16:10:25 瀏覽：51846次

本文由測試狗原創(chuàng)

1. 拉曼光譜的基礎知識

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

發(fā)現(xiàn)拉曼散射的印度科學家拉曼

拉曼是一種光散射技術。激光光源的高強度入射光被分子散射時，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，其波長的改變由測試樣品（所謂散射物質）的化學結構所決定，這部分散射光稱為拉曼散射。

拉曼散射光對稱地分布在瑞利散射光的兩側，但其強度比瑞利散射光弱得多，通常只為瑞利光強度的 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)量的拉曼峰構成，每個拉曼峰代表了相應的拉曼散射光的波長位置和強度。每個譜峰對應于一種特定的分子鍵振動，其中既包括單一的化學鍵，例如C-C, C=C, N-O, C-H等，也包括由數(shù)個化學鍵組成的基團的振動，例如苯環(huán)的呼吸振動，多聚物長鏈的振動以及晶格振動等。

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有的化學指紋，能夠用于快速確認材料種類或者區(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，找到與被分析物質相匹配的光譜數(shù)據(jù)，即可鑒別被分析物質。

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；當與拉曼成像系統(tǒng)相結合時，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成分、相與形態(tài)以及結晶度的分布。

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和轉動能級有關。

此頻率差稱為拉曼頻移（Raman shift），即拉曼光譜的橫坐標。Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。Δv取決于分子振動能級的改變，所以他是特征的，并且拉曼光譜與入射光波長無關，適應于分子結構的分析。因此，拉曼位移是表征物質分子振動，轉動能級特性的一個物理量。

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精度和測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

激光波長的選擇對于實驗的結果有著重要的影響：

1.靈敏度：拉曼散射強度與激光波長的四次方成反比，因此，藍/綠可見激光的散射強度比近紅外激光要強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，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激發(fā)波長進行優(yōu)化：激發(fā)光波長的選擇一般是為了避開熒光的干擾，因為拉曼位移與激發(fā)光頻率無關，不同物質產(chǎn)生熒光的范圍不同，只要能避開該物質的熒光帶的激發(fā)光都是可以的。例如，藍/綠色激光（440－565 nm）適合無機材料和共振拉曼實驗（如碳納米管和其它碳材料）以及表面增強拉曼實驗（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、DNA、RNA等）的共振拉曼實驗以及抑制樣品熒光。

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于分子內(nèi)部各種簡正振動頻率及有關振動能級的情況，從而可以用來鑒定分子中存在的官能團。但兩者產(chǎn)生的原理和機制都不同，在分子結構分析中，拉曼光譜與紅外光譜相互補充，一些在紅外光譜無法檢測的信息在拉曼光譜能很好地表現(xiàn)出來。

紅外光譜側重于檢測基團，適用于極性鍵，多用于測有機物，拉曼光譜檢測分子骨架，適用于非極性鍵，有機無機均可測試。

拉曼光譜與紅外光譜對比表

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用

碳納米材料由對稱的碳-碳共價鍵構成。這些材料的結構即使發(fā)生微小的變化，也可用拉曼光譜檢測到，從而使拉曼光譜成為碳納米材料表征的強大工具。

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（四面體結構）或者雜化缺陷的SP2鍵(石墨稀邊緣結構）；

G波段代表SP2鍵（平面體結構）

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），與碳管伸縮振動有關系，表征碳管管徑

多壁碳管

1. 不呈現(xiàn)呼吸模

2. D/G的強度要比單壁碳管高

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