拉曼基本原理

拉曼光谱指南

在这里简单介绍下拉曼光谱的基本原理,并阐明如何利用光与化学键的相互作用进行化学分析。

拉曼光谱基本原理

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什么是拉曼光谱?

拉曼光谱的基本原理

拉曼光谱属于振动光谱的范畴。这是指它通过光激发分子运动,然后解释这种相互作用,从而对样品进行化学分析。

它是基于当物质被单色光源照射时发生的光的非弹性散射。在单色光与样品相互作用后,其中一小部分单色光波长发生了改变。

这就是拉曼效应。我们现在可以收集这些光信号,并利用它获得有关样品的信息。

拉曼效应

当光子(光)“撞击”物质时,大部分散射光的波长保持不变。例如,如果你用绿色激光笔指向一堵墙,你总是会看到一个绿点。散射光的颜色明显没有发生改变,这种现象称为瑞利散射。

然而,也可能发生非弹性散射过程,从而导致发射不同波长的光。这通常与分子振动有关。这种散射现象被称为拉曼效应,它是由阿道夫·斯梅卡尔于1923年预言并由C.V.Raman于1930年发现的。

利用拉曼效应进行光谱分析


发现并理解拉曼效应为一种新的光谱学打开了大门。然而,只有随着激光的发现,拉曼光谱才真正扎根,因为如上所述,拉曼光谱需要单色光。

因此,用激光照射样品,并用光谱仪(色散或傅里叶转换技术)分析部分散射光。最后我们得到了一张拉曼光谱,它显示了我们所研究的材料的特征信号或“谱带”。

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拉曼光谱是如何工作的?

This figure shows the most basic setup to measure Raman spectra.

令人惊讶的是,生产一台拉曼光谱仪其实很简单!如果你看看YouTube,你甚至会发现许多DIY视频,它将向你展示如何设置一个非常基础的实验来获取光谱数据。这就是为什么你会发现几乎任何形式的拉曼光谱仪:手持拉曼、显微拉曼和在线拉曼光谱仪。

要获得拉曼光谱,你只需要把激光聚焦在你想研究的样品上。但是,该样品在用于激发的激光下不能产生荧光。如果样品产生荧光的话,荧光将掩盖大部分拉曼效应,因为与荧光信号相比,拉曼信号显得十分微弱。

激光照射样品后,散射光通过滤光片(以去除激发激光中的任何光)。然后散射光被导入到一个光栅上,光栅像棱镜一样将非弹性散射光按波长进行分布。最后这些光线被导入到一个CCD传感器,然后根据强度生成一张光谱。

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拉曼光谱的作用

这是二甲基硅酮样品(蓝色)测得的拉曼光谱,与光谱库中的光谱进行比较。定性鉴别结果准确。

一开始我们提到拉曼光谱包含某些“谱带”或信号。这些“谱带”或信号对于某些官能团和物质是独一无二的。它们不仅提供了物质化学成分的信息,也提供了结晶度、多态性或压力和温度变化的信息。

在材料研究、新药开发以及任何需要进行纳米级化学微区分析的地方,拉曼光谱都是一种强有力的分析手段。没错,拉曼光谱可以分析小至0.5微米(500纳米)的样品。此时,只需要添加一个共焦拉曼显微镜。

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显微拉曼光谱仪

The confocal Raman microscope SENTERRA II with laser safety housing.

通常,拉曼光谱仪中使用的激光器的波长都在可见光范围内,这意味着它可以轻易地通过用于取样载玻片或显微镜透镜的玻璃。因此,将拉曼光谱仪集成到标准显微镜的光学系统中是切实可行的。

事实上,通常显微拉曼光谱仪比经典的台式拉曼光谱仪更受青睐,因为它提供了一种“对准-测试”的测试方式,而且不需要大量额外的样品制备过程。样品(例如石墨烯纤维)放在物镜下,用显微镜对准并直接分析。

简单地说,显微拉曼光谱仪是一种基于激光的显微设备,用于进行拉曼光谱分析。就布鲁克公司而言,显微拉曼光谱仪和成像技术是核心技术,这就是我们之所以专门为它设立了一个专用的网站。

拉曼光谱常见问题 (FAQ)

最重要知识点

关于拉曼光谱的常见问题

什么是拉曼光谱?

拉曼光谱基于光与物质化学键的相互作用。其中包含化学结构、多晶型、结晶度和分子动力学的详细信息。

拉曼光谱提供了什么信息?

拉曼光谱就像化学指纹,可以清楚地判别出分子或材料。就像人类的指纹一样,它可以与参考谱库进行比较,以快速判别材料或将其与其他材料区分开来。这样的拉曼光谱库通常包含数百张光谱,通过与样品的光谱进行比较来判别被分析物质。

拉曼光谱可以就以下方面对样品进行研究:

  • 化学成分和性质
  • 结晶度和多晶型
  • 污染和缺陷
  • 受热和受力状况

拉曼光谱对样品有要求吗?

拉曼光谱是一种通用的测样技术,因此对无机和有机材料都可进行测试。但是,由于拉曼效应非常微弱,所以其他光谱效应和某些材料性质可能会产生严重干扰。

如果样品产生荧光,那么就得不到好的拉曼光谱信号。但是,如果切换到近红外(NIR)激光器并结合傅里叶拉曼技术则是一个消除荧光干扰的可行的方案。另一个更重要的问题是强吸收(例如黑色)样品,例如碳填充聚合物。

获得一张拉曼光谱所需要的时间

拉曼测量所需的时间取决于几个因素,例如所需的光谱质量、样品性质,当然还有所用的拉曼光谱仪。通常情况下,可以在几秒钟内获得一张高质量的拉曼光谱。

拉曼光谱的应用领域

拉曼光谱可用于所有需要无损(显微)化学分析和成像分析的领域。它能提供定性和定量分析的解决方案。

总的来说,拉曼光谱易于使用,能迅速提供表征样品化学成分和结构的重要信息。基本上,无论样品是固态的、液态的还是气态都可以测试。

以下是拉曼光谱的一些应用领域:

  • 制药
  • 地质和矿物学
  • 半导体
  • 材料研究
  • 生命科学