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第八章拉曼光谱

一、拉曼光谱基本原理

拉曼光谱是一种非破坏性的光谱技术，用于分析物质的

分子振动和转动。当单色光照射到样品上时，大部分光会被

样品吸收或透射，但一小部分光会被散射。散射光中，一部

分与入射光具有相同的频率，称为瑞利散射；另一部分频率

发生变化，称为拉曼散射。拉曼散射光的强度与分子振动的

偶极矩变化有关，因此可以用来识别分子结构和化学键。例

如，苯分子的拉曼光谱中，C-H键的振动峰通常出现在2920

和2850cm^-1附近。

拉曼光谱的强度与分子振动的偶极矩变化平方成正比，

而偶极矩变化又与振动频率的四次方成正比。因此，拉曼光

谱的强度通常比红外光谱弱，但拉曼光谱具有更宽的频谱范

围，可以提供更多的结构信息。例如，在蛋白质的二级结构

研究中，拉曼光谱可以用来识别α-螺旋和β-折叠等结构单

元。

拉曼光谱的分辨率较高，可以达到0.5cm^-1，这使得

它可以用来分析复杂的分子体系。例如，在药物研发中，拉

曼光谱可以用来鉴定药物的晶体结构，从而优化药物的溶解

性和生物活性。在实际应用中，拉曼光谱常常与傅里叶变换

红外光谱（FTIR）等技术结合使用，以获得更全面的结构信

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息。例如，在有机合成中，通过比较反应前后样品的拉曼光

谱和FTIR光谱，可以快速判断反应的进程和产物的纯度。

二、拉曼光谱的实验技术

(1)拉曼光谱的实验技术主要包括光源的选择、样品制

备、样品与光源的距离以及光谱的采集与处理。常用的光源

有激光、LED和闪光灯等，其中激光光源具有高单色性和高

相干性，能够提供高质量的光谱。在样品制备方面，样品需

要研磨成粉末状，以保证光与样品充分接触。此外，样品的

厚度应适中，以避免产生过大的散射和透射损失。样品与光

源的距离也会影响光谱的强度和分辨率，通常需要通过实验

确定最佳距离。

(2)拉曼光谱仪主要由光源、单色器、检测器和数据采

集系统组成。光源发出的光经过单色器后，变为特定波长的

光照射到样品上。散射光被检测器收集，并转化为电信号。

数据采集系统负责记录和处理这些电信号，最终生成拉曼光

谱图。在实验过程中，需要调整单色器的波长，以选择合适

的拉曼散射光。同时，还需要调整检测器的灵敏度，以适应

不同强度的拉曼光谱。此外，为了提高光谱的信噪比，通常

需要进行多次扫描并取平均值。

(3)拉曼光谱的数据处理主要包括光谱的归一化、滤波、

基线校正和峰拟合等步骤。归一化是指将光谱中所有峰的面

积归一化为1，以消除样品量、散射和透射等因素的影响。

滤波可以去除噪声和干扰峰，提高光谱的清晰度。基线校正

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是指去除光谱中的基线漂移，使峰的位置更加准确。峰拟合

则是通过拟合函数来描述峰的形状，从而确定峰的位置、宽

度和强度等参数。这些参数对于分析分子结构和化学键具有

重要意义。在实际应用中，常用的峰拟合方法包括高斯拟合、

洛伦兹拟合和多项式拟合等。通过这些数据处理步骤，可以

得到可靠的拉曼光谱数据，为后续的分子结构分析提供依据。

三、拉曼光谱在化学和材料科学中的应用

(1)拉曼光谱在化学和材料科学领域有着广泛的应用。

在有机化学中，拉曼光谱可以用来鉴定化合物的结构和官能

团。例如，在药物研发过程中，通过拉曼光谱可以快速确定

新合成药物的晶体结构和官能团。据研究，拉曼光谱对药物

分子中C=O、C-N和C-O键的识别准确率可达90%以上。此外，

拉曼光谱在聚合物研究中也有重要应用。通过对聚苯乙烯、

聚丙烯等聚合物进行拉曼光谱分析，可以了解其结晶度和链

段运动等信息。例如，某项研究表明，聚丙烯的结晶度可以

通过拉曼光谱中C-H键的面外振动的特征峰来定量分析，其

结果与DSC和XRD等传统方法的对比，误差在5%以内。

(2)在材料科学领域，拉曼光谱对于研究纳米材料、复

合材料和新型功能材料等具有重要意义。例如，在研究石墨

烯材料的拉曼光谱时，通过观察其D带和G带的强度比

（ID/IG），可以了解石墨烯的层数和结构。研究表明，当

石墨烯层数增加时，ID/IG比值减小，表明石墨烯的层间距

减小。此外，拉曼光谱在半导体材料研究中也具有重要作用。

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通过分析硅、