激光拉曼光譜法檢測原理

紅外光譜法的檢測直接用紅外光檢測處于紅外區(qū)的分子的振動和轉(zhuǎn)動能量：用一束波長連續(xù)的紅外光透過樣 品，檢測樣品對紅外光的吸收情況；而拉曼光譜法的檢測是用可見激光（也有用紫外激光或近紅外激光進(jìn)行檢測）來檢測處于紅外區(qū)的分子的振動和轉(zhuǎn)動能量，它是 一種間接的檢測方法：把紅外區(qū)的信息變到可見光區(qū)，并通過差頻（即拉曼位移）的方法來檢測。由于可見光區(qū)是電子躍遷的能量區(qū)，當(dāng)用可見激光激發(fā)樣品時(shí)，電 子躍遷所產(chǎn)生的光致發(fā)光信號會對拉曼信號產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)，拉曼信號會被完全淹沒。光致發(fā)光信號的特點(diǎn)是譜帶較寬，最高強(qiáng)度處的波長（或頻率）一定。根據(jù) 這個(gè)特點(diǎn)，拉曼光譜儀一般都配備多種激光器，當(dāng)一種激光激發(fā)樣品時(shí)產(chǎn)生很強(qiáng)的光致發(fā)光干擾信號時(shí)，就改用另一種激光，目的是避開光致發(fā)光的干擾。

與紅外光譜一樣，拉曼光譜也是用來檢測物質(zhì)分子的振動和轉(zhuǎn)動能級，所以這兩種光譜俗稱姊妹譜。但兩者的理論基礎(chǔ)和檢測方法存在明顯的不同。我們說 物質(zhì)分子總在不停地振動，這種振動是由各種簡正振動疊加而成的。當(dāng)簡正振動能產(chǎn)生偶極矩的變化時(shí)，它能吸收相應(yīng)的紅外光，即這種簡正振動具有紅外活性；具 有拉曼活性的簡正振動，在振動時(shí)能產(chǎn)生極化度的變化，它能與入射光子產(chǎn)生能量交換，使散射光子的能量與入射光子的能量產(chǎn)生差別，這種能量的差別稱為拉曼位 移(Raman Shift)，它與分子振動的能級有關(guān)，拉曼位移的能量水平也處于紅外光譜區(qū)。

激光拉曼光譜法

拼音:jiguanglamanguangpufa

英文名稱：laser Raman spectrometry

說明:已應(yīng)用于生物、藥物及環(huán)境分析中痕量物質(zhì)的檢測。共振拉曼光譜是建立在共振拉曼效應(yīng)基礎(chǔ)上的另一種激光拉曼光譜法。共振拉曼效應(yīng)產(chǎn)生于激發(fā)光頻率與待測分子的某個(gè)電子吸收峰接近或重合時(shí)，這一分子的某個(gè)或幾個(gè)特征拉曼譜帶強(qiáng)度可達(dá)到正常拉曼譜帶的104~106倍，有利于低濃度和微量樣品的檢測。已用于無機(jī)、有機(jī)、生物大分子、離子乃至活體組成的測定和研究。激光拉曼光譜與傅里葉變換紅外光譜相配合，已成為分子結(jié)構(gòu)研究的主要手段。

測試范圍：

1)使用氬離子激光器，50-9400cm-1 ；

2)使用氦氖激光器，100-5800cm-1 ；

3)使用二極管激光器，100-3200cm-1 ；

最小測試面積：1平方微米；

分辨率：1-2cm-1（隨選用的光柵不同而不同）。

該儀器可對固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的有機(jī)或無機(jī)樣品進(jìn)行非破壞性分析，如用于巖石礦物組成、礦物固液氣相包裹體、寶玉石、高聚物、無機(jī)非金屬材料等的鑒定。

a.拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)；

b. 在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側(cè), 這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個(gè)振動量子的能量。

c. 一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強(qiáng)度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。2100433B

除常規(guī)的拉曼光譜外，還有一些較為特殊的拉曼技術(shù)。它們是共振拉曼，表面增強(qiáng)拉曼光譜， 拉曼旋光，相關(guān)-反斯托克拉曼光譜，拉曼增益或減失光譜以及超拉曼光譜等。其中，在藥物分析應(yīng)用相對較多的是共振拉曼和表面增強(qiáng)拉曼光譜法。

共振拉曼光譜法

當(dāng)激光頻率接近或等于分子的電子躍遷頻率時(shí)，可引起強(qiáng)列的吸收或共振，導(dǎo)致分子的某些拉曼譜帶強(qiáng)度急劇增強(qiáng)數(shù)百萬倍，這就是共振拉曼效應(yīng)。

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS)

SERS現(xiàn)象主要由金屬表面基質(zhì)受激而使局部電磁場增強(qiáng)所引起。效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于與光波長相對應(yīng)的表面粗糙度大小，以及和波長相關(guān)的復(fù)雜的金屬電介質(zhì)作用的程度。

拉曼光譜的優(yōu)點(diǎn)在于它的快速，準(zhǔn)確，測量時(shí)通常不破壞樣品（固體，半固體，液體或氣體），樣品制備簡單甚至不需樣品制備。譜帶信號通常處在可見或近紅外光范圍，可以有效地和光纖聯(lián)用。這也意味著譜帶信號可以從包封在任何對激光透明的介質(zhì)，如玻璃，塑料內(nèi)，或?qū)悠啡苡谒蝎@得。現(xiàn)代拉曼光譜儀使用簡單，分析速度快（幾秒到幾分鐘），性能可靠。因此，拉曼光譜與其他分析技術(shù)聯(lián)用比其他光譜聯(lián)用技術(shù)從某種意義上說更加簡便（可以使用單變量和多變量方法以及校準(zhǔn)。

激光拉曼光譜定性鑒別

拉曼光譜可提供任何分子中官能基團(tuán)的結(jié)構(gòu)信息。因此可用來鑒別試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)解析。多晶現(xiàn)象可以參照紅外的處理。

激光拉曼光譜定量測定

拉曼譜帶的強(qiáng)度與待測物濃度的關(guān)系遵守比爾定律： I V = KLCI 0 其中I V是給定波長處的峰強(qiáng)，K代表儀器和樣品的參數(shù)，L是光路長度，C是樣品中特定組分的摩爾濃度，I 0是激光強(qiáng)度。實(shí)際工作中，光路長度被更準(zhǔn)確的描述為樣品體積，這是一種描述激光聚焦和采集光學(xué)的儀器變量。上述等式是拉曼定量應(yīng)用的基礎(chǔ)。

激光拉曼光譜影響因素

最主要的干擾因素是熒光、樣品的熱效應(yīng)和基質(zhì)或樣品自身的吸收。在拉曼光譜中，熒光干擾表現(xiàn)為一個(gè)典型的傾斜寬背景。因此，熒光對定量的影響主要為基線的偏離和信噪比下降，熒光的波長和強(qiáng)度取決于熒光物質(zhì)的種類和濃度。與拉曼散射相比，熒光通常是一種量子效率更高的過程，甚至很少量不純物質(zhì)的熒光也可以導(dǎo)致顯著的拉曼信號降低。使用更長的波長例如785nm或1064nm的激發(fā)光可使熒光顯著減弱。然而，拉曼信號的強(qiáng)度與λ-4成比例，λ是激發(fā)波長。通過平衡熒光干擾、信號強(qiáng)度和檢測器響應(yīng)可獲得最佳信噪比。 測量前將樣品用激光照射一定時(shí)間，固態(tài)物質(zhì)的熒光也可得以減弱。這個(gè)過程被稱為光致漂白，是通過降解高吸收物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。光致漂白作用在液體中并不明顯，可能是由于液體樣品流動性，或熒光物質(zhì)不是痕量。

樣品加熱會造成一系列的問題，例如物理狀態(tài)的改變（熔化），晶型的轉(zhuǎn)變或樣品的燒灼。這是有色的、具強(qiáng)吸收或低熱傳導(dǎo)的小顆粒物質(zhì)常出現(xiàn)的問題。樣品加熱的影響通常是可觀察的，表現(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi)拉曼光譜或樣品的表觀變化。除了減少激光通量，有許多種方法可用來降低熱效應(yīng)，例如在測量過程中移動樣品或激光，或者通過熱接觸或液體浸入來改善樣品的熱傳導(dǎo)。 基質(zhì)或樣品本身也可吸收拉曼信號。在長波傅里葉變換拉曼系統(tǒng)中，拉曼信號可以與近紅外的泛頻吸收重疊。這種影響與系統(tǒng)的光學(xué)以及樣品的形態(tài)有關(guān)。裝填和顆粒大小的差異而引起的固體散射的可變性與這種效應(yīng)有關(guān)。然而，由于在拉曼光譜中樣品的有限穿透深度和相對狹窄的波長范圍，所有這些效應(yīng)的大小都沒有近紅外光譜嚴(yán)重。

定量拉曼光譜與許多其它的光譜技術(shù)不同，它是單光束零背景測量。謹(jǐn)慎地進(jìn)行樣品測定以及使用設(shè)計(jì)合理的儀器可以使這種變異減到最小，但是并不能全部消除。所以，絕對的拉曼信號強(qiáng)度很難直接用于待測物的定量。變異的潛在來源是樣品的不透明性和樣品的不均勻性、照射樣品的激光功率的變化以及光學(xué)幾何學(xué)或樣品位置的變化。這些影響可以通過能重復(fù)的或有代表性的樣品處置方式予以減小。

由于拉曼信號絕對強(qiáng)度的波動，使用內(nèi)標(biāo)是最普通和有效的減少可變性的方法。內(nèi)標(biāo)方法有幾種變通選擇?？梢杂心康牡丶尤胍环N內(nèi)標(biāo)，該內(nèi)標(biāo)應(yīng)具有與待測物互不干擾的獨(dú)特譜帶以便檢測。在溶液中，也可利用溶劑的獨(dú)特譜帶，因?yàn)槿軇╇S樣品不同將相對保持不變。另外，在制劑中，如果賦形劑量大大超過待測組分，則可以使用該賦形劑的峰。在假設(shè)激光和樣品定位的改變將會同等地影響全光譜的前提下，全光譜同樣可以用作參比。

樣品測定中需考慮的重要因素還有光譜的污染。拉曼是一種可以被許多外源影響掩蔽的弱效應(yīng)。普通的污染源包括樣品支持物（容器或基質(zhì)）和周圍光線。通常，這些問題可以通過細(xì)致的實(shí)驗(yàn)方法來識別和解