拉曼光谱技术及其应用.PDF

拉曼光谱技术及其应用 摘要：拉曼技术随着激光技术的不断发展，近年来不断呈现发展趋势，尤其是其对某些物质 的特殊效应，因此逐渐被最为一种新的检测手段加以加以利用。本文旨在向各位介绍一下拉曼技 术的来龙去脉，向大家展示时下以及今后拉曼技术的一些发展方向。 关键词：拉曼光谱；无损检测；缉毒；防化；反恐 一．拉曼效应 当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射） 外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。由分子振动、固体中的光学 声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合 起来所形成的光谱称为拉曼光谱。由于拉曼散射非常弱，所以一直到1928年才被印度物理学家拉 曼等所发现。 他们在用汞灯的单色光来照射某些液体时，在液体的散射光中观测到了频率低于入射光频率 的新谱线。在拉曼等人宣布了他们的发现的几个月后，苏联物理学家兰德斯别尔格等也独立地报 道了晶体中的这种效应的存在。 The Nobel Prize in Physics 1930 Sir Chandrasekhara Venkata Raman (1888 – 1970) Calcutta University Calcutta, India拉曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质。从这 些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就是 拉曼光谱具有广泛应用的原因。 拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵 振动能级)与转动 能级结构的知识。 拉曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散射的千分之一。在激光器出现之前，为了得到一幅完 善的光谱，往往 很费时间。激光器的出现使拉曼光谱学技术发生了很大的变革。 这是由于激光器输出的激光具有很好的单色性、方向性，且强度很大，因而它们成为获得拉曼光 谱的近乎理想的 光源。于是拉曼光谱学的研究又变得非常活跃了，其研究范围也有了很大的扩展。除扩大了所研 究的物质的品种以 外，在研究燃烧过程、探测环境污染、分析各种材料等方面拉曼光谱技术也已成为很有用的工具。 以下是其一些典型 应用: 二．拉曼光谱基本原理 拉曼效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和黄 昆用虚的上能级 概念说明了拉曼效应。下图是说明拉曼效应的一个简化的能级图。 因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线， 后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于 入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。 瑞利线与拉曼线的波数差称为拉曼位移，因此拉曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给出的 是一个拉曼光谱的示意图。 ( f r o m L a r r y G . Anderson, University of Colorado at Denver, US) 请注意：1). 在示意图中斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两侧，这是由于在上 述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。2). 反斯托克斯线的强度远小于斯 托克斯线的强度，这是由于 Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 三．拉曼光谱与红外光谱 拉曼散射与红外吸收方法机理不同，所遵守的选择定则也不同。两种方法可以相互补充，这样对 分子的问题可以更周密的研究。拉曼和红外光谱测定时的样品处理比较拉曼红外样品限制有色荧 光单晶金属水溶液制样的难易简单随样品性质而异液体简单简单粉末简单较难单晶简单非常难 聚合物简单较难 单纤维可能困难 红外和红外光谱应用比较 拉曼红外 指纹区光谱良好良好 最佳振动模式对称振动非对称振动 谱带归属良好良好 基团频率良好良好 水溶液非常好非常困难 低频模式良好困难 与传统光谱