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拉曼光谱的基本概念(1)
发布日期:2019-03-29   浏览次数:2161

1. 什么是拉曼光谱?

拉曼光谱是一种无损的分析技术,它是基于光和材料的相互作用而产生的。拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度及分子相互作用的详细信息。

拉曼是一种光散射技术。激光光源的高强度入射光被分子散射时,大多数散射光与入射激光具有相同的波长(颜色),这种散射称为瑞利散射。然而,还有极小一部分(大约1/109)散射光的波长(颜色)与入射光不同,其波长的改变由测试样品(所谓散射物质)的化学结构所决定,这部分散射光称为拉曼散射。


一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成,每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动,其中既包括单一的化学键,例如C-C, C=C, N-O, C-H等,也包括由数个化学键组成的基团的振动,例如苯环的呼吸振动、多聚物长链的振动以及晶格振动等。


(阿司匹林的拉曼光谱,嵌入图片为光谱局部细节放大。)

2. 拉曼光谱可以提供哪些信息?

拉曼光谱能够探测材料的化学结构,它提供的信息包括:

(1)化学结构和化学鉴别;

(2)相和形态;

(3)应力;

(4)污染物和杂质;

一般而言,拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹,能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱,通过快速搜索,找到与被分析物质相匹配的光谱数据,即可鉴别被分析物质。


(分别是甲醇(methanol)和乙醇(ethanol)的拉曼光谱,二者有着显著的区别,可以用于区分这两种液体物质。)

当与拉曼成像系统相结合时,可以基于样品的多条拉曼光谱来生成拉曼成像。这些成像可以用于展示不同化学成分、相与形态以及结晶度的分布。


(矿物各成分分布)

3. 拉曼光谱能够用于分析什么样的样品?

拉曼光谱可以用来分析很多不同类型的样品,通常包括以下种类:

(1)固体、粉末、液体、胶体、软膏、气体

(2)无机材料、有机材料、生物材料

(3)纯物质、混和物、溶液

一般来说,拉曼不适合分析以下样品:

金属

目前拉曼光谱应用的典型例子包括:

(1)艺术品和考古—颜料、陶瓷以及宝石的表征与鉴定

(2)碳材料—碳纳米管的结构与纯度、缺陷 / 无序度表征

(3)化学—结构、纯度、反应监控

(4)地质学—矿物鉴别和分布、包裹体、相变

(5)生命科学—单个细胞或组织表征,药物、疾病诊断

(6)药学—药物成分均匀性和组分分布

(7)半导体—纯度、掺入成分、应力

4. 能否获取固体、液体和气体的拉曼光谱?

能。几乎所有包含真实的分子键的物质都可以用于拉曼光谱分析,即固体、粉末、软膏、液体、胶体和气体都可以使用拉曼光谱进行分析。但是,通常金属是无法通过拉曼光谱进行分析的。

虽然气体样品也可以通过拉曼光谱进行分析,但是由于气体的分子密度特别低,所以测量气体的拉曼光谱相对较难,通常需要用到大功率激光器和较长路径的样品池。在某些情况下,气体的压力很高,例如矿物中的气体包裹体,此时普通的拉曼光谱仪就可以满足测试要求。

5. 能否获取混合材料样品的拉曼光谱?

能。从某个样品获取的拉曼光谱包含了测试体积(激光照射到的体积)内所有分子的信息。因此,混合物的拉曼光谱中包含了代表测试体积内所有不同分子的拉曼信号。如果混合样品的各种成分是已知的,那么根据相对峰强可以衡量混合物组分的相对含量。

6. 能否获取水溶液样品的拉曼光谱?

能。拉曼光谱非常适合用于分析含水样品,包括溶液、生物组织和细胞等。水分子的拉曼散射截面非常小,所以拉曼散射强度也比其他分子弱很多;此外,水分子的拉曼光谱也非常简单,只有为数不多的几个拉曼峰,对于溶解物质的拉曼峰干扰甚小。在大多数情况下,即便水分子在数量上占据很大优势,溶质的拉曼峰强度都比水的拉曼峰强度大得多。因而,分析水溶液中的溶质是轻而易举的事情。

7. 获取拉曼光谱需要多长时间?

采集拉曼光谱的时间是由一系列因素决定的,包括样品自身的性质、对光谱质量的要求以及所采用的拉曼光谱仪。现代拉曼光谱仪在几秒钟的时间内足以获取一条质量很好的拉曼光谱。

在拉曼成像实验中,需要采集数千条光谱,因而需要花费更多的时间,采集时间可以从几分钟到几个小时不等。这取决于采集数据点的数量,以及上述系列因素。


(在1s时间内采集的阿司匹林的拉曼光谱)

文章来源:《拉曼光谱入门手册》

文章链接:http://www.horiba.com/cn/scientific

文章编辑:董荣录

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