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拉曼光谱(Raman spectra)是一种散射光谱,也是一种振动光谱技术。光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射,弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分,非弹性散射的散射光有比激发光波长短和长的成分,统称为拉曼效应。拉曼光谱观察的是光的非弹性散射,通过对与激发光波长不同的散射光谱进行分析以获得分子振动、转动方面的信息,并应用于分子结构研究。拉曼效应起源于分子振动,点阵振动和转动,因此从拉曼光谱中就可以得到分子振动能级,点阵振动能级与转动能级结构的相关信息,经常与红外测试相互补充。根据对拉曼频率的确认,可对物质进行定性、鉴别晶型,拉曼位移的改变可对应材料的应力、张力、掺杂等,峰强可对物质进行半定量,峰宽的变化可对应物质无序性以及缺陷改变。
拉曼光谱是一种用来研究物质分子结构和晶格振动的方法,应用于无机、有机、高分子等化合物的定性分析;生物大分子的构象变化及相互作用研究;各种材料(包括纳米材料、生物材料、金刚石),膜(包括半导体薄膜、生物膜)的拉曼分析;矿物组成分析;宝石、文物、公安样品的无损鉴定等方面
1,粉末量要求10mg以上,且尽量保证均一、可压制成片;
2,固体/块状样品需制备出一个较光滑的测试面,尺寸要求最小2*2mm,最大不超出5*125cm;
3,液体要求必须无毒无挥发性、无腐蚀性,需要2mL以上(建议提供10-15mL)的体积量,浓度越高越好,有悬浮物最佳;
4,若需要光镜照片,请备注清楚;
5,生物样品请自行完成前处理;
6,请注明样品类型、主要成分、激发波长、测试波长范围等信息,变温测试须注明具体温度。
1. 同一个样品,为什么有时候有折线,有时候出峰很正常?
激光器的影响很大。下图是一个样品,不同的激光器测试,对于532和785 nm激光,拉曼信号被荧光淹没;但405 nm激光则很容易分辨。 但是仔细辨认其实出峰位置不会变化,说明改变激光器并不会改变出峰位置,只有当样品分子结构发生变化才会出现峰位置的变化。
2. 如何选择合适的激光器?
激发波长的选择
波长范围 |
激发波长 |
优点 |
缺点 |
应用领域 |
紫外 |
325 |
能量高(激发效率高),拉曼散射效应强,提高了空间分辨率,抑制荧光 |
容易损伤样品,激光器成本很高,对滤波要求高(光学镜片要求高) |
荧光强的样品(石化类、生物类(DNA、RNA、蛋白质)、共振实验室) |
可见 |
488、514 532、633 |
应用范围广 |
荧光信号强 |
材料、化学、化学反应(无机材料)、生物医学、共振(石墨烯、碳材料)、表面增强 |
红外 |
785、830、1064 |
荧光干扰小 |
激发能量低(激发效率低)、拉曼信号弱 |
抑制荧光、化工类、生物组织、有机组织 |
激光波长的选择对于实验的结果的影响:
1)灵敏度:拉曼散射强度与激光波长的四次方成反比,因此,蓝/绿可见激光的散射强度比近红外激光要强15倍以上。
2)空间分辨率:在衍射极限条件下,激光光斑的直径可以根据公式计算得出,其中是激发激光的波长,是所使用显微物镜的数值孔径。例如,采用数值孔径为0.9的物镜,波长532 nm激光的光斑直径理论上可以小到0.72微米,在同样条件下使用785 nm波长激光时,激光光斑直径理论上最小值为1.1微米,因此,最终的空间分辨率在一定程度上取决于激发激光的选择。
3)可以基于样品特性对激发波长进行优化:激发光波长的选择一般是为了避开荧光的干扰,因为拉曼位移与激发光频率无关,不同物质产生荧光的范围不同,只要能避开该物质的荧光带的激发光都是可以的。例如,蓝/绿色激光(440-565 nm)适合无机材料和共振拉曼实验(如碳纳米管和其它碳材料)以及表面增强拉曼实验(SERS);红色和近红外激光(660-830nm)适合于抑制样品荧光;紫外激光适合生物分子(蛋白质、DNA、RNA等)的共振拉曼实验以及抑制样品荧光。
3. 拉曼的检测深度是多少呢?
拉曼是表面测试,探测深度只有10nm左右,光斑1um大小,样品均匀性对结果影响很大,如果测试出来结果没有出峰,说明在那个位置是没有该物质结构存在。
4.为什么没有出峰?
可能是由于荧光的干扰,可以根据相关文献重新考虑激光器的选择,也可能是相关成分含量偏低所致。
5.拉曼光谱出峰强度的影响因素有哪些?
样品浓度、激光功率、条件参数、采谱时间等。
6.对粉末样品有什么要求?
粉末样品至少5mg,且尽量保证均一、可压制成片。
7.拉曼光谱是否能用来证明有线性分子的存在?
当然可以,但是这要拉曼方面比较深厚的基础,可以先建立模型进行模拟,然后跟实验相对照,能对应就是最大的说服力,拉曼光谱应该和分子的对称性相关,通过群论可以知道那些谱峰是有活性的,理论上是可以做到的。但对于较大的分子可能不容易。
8.拉曼系统自检具体是检测哪些硬件?是个什么过程?
主要是检测仪器内的运动部件,如需要旋转角度的光栅等。这种部件都会有自己的“机械零点”作为参考点。
9.拉曼光谱能测出硅氢键吗?若能,具体对应多少波长?
很简单,硅片在HF中泡一下直接洗干测量,约在2100 cm-1附近。
10.拉曼图谱中峰位的强弱是什么因数造成的?
1. 从分析角度来说应该是所测样品中含有该成分的含量多少所影响的,当然也可能是因为该元素所受周围力场的影响所致;
2. 排除含量的问题,分子结构是主要的影响因素;
3. 和相应振动引起的极化率有关。