拉曼光譜分析

拉曼光譜（Raman spectra），是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基於印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，並套用於分子結構研究的一種分析方法。

基本介紹

• 中文名：拉曼光譜分析
• 外文名：Raman spectra
• 性質：散射光譜
• 基礎：拉曼散射效應

現象介紹

拉曼散射的光譜。1928年C.V.拉曼實驗發現，當光穿過透明介質被分子散射的光發生頻率變化，這一現象稱為拉曼散射，同年稍後在蘇聯和法國也被觀察到。在透明介質的散射光譜中，頻率與入射光頻率υ0相同的成分稱為瑞利散射；頻率對稱分布在υ0兩側的譜線或譜帶υ0±υ1即為拉曼光譜，其中頻率較小的成分υ0－υ1又稱為斯托克斯線，頻率較大的成分υ0+υ1又稱為反斯托克斯線。靠近瑞利散射線兩側的譜線稱為小拉曼光譜；遠離瑞利線的兩側出現的譜線稱為大拉曼光譜。

瑞利散射線的強度只有入射光強度的10-3，拉曼光譜強度大約只有瑞利線的10-3。小拉曼光譜與分子的轉動能級有關，大拉曼光譜與分子振動-轉動能級有關。拉曼光譜的理論解釋是，入射光子與分子發生非彈性散射，分子吸收頻率為υ0的光子，發射υ0－υ1的光子，同時分子從低能態躍遷到高能態（斯托克斯線）；分子吸收頻率為υ0的光子，發射υ0+υ1的光子，同時分子從高能態躍遷到低能態（反斯托克斯線）。

分子能級的躍遷僅涉及轉動能級，發射的是小拉曼光譜；涉及到振動-轉動能級，發射的是大拉曼光譜。與分子紅外光譜不同，極性分子和非極性分子都能產生拉曼光譜。雷射器的問世，提供了優質高強度單色光，有力推動了拉曼散射的研究及其套用。拉曼光譜的套用範圍遍及化學、物理學、生物學和醫學等各個領域，對於純定性分析、高度定量分析和測定分子結構都有很大價值。

含義

光照射到物質上發生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分,非彈性散射的散射光有比激發光波長長的和短的成分, 統稱為拉曼效應。

原理

拉曼效應起源於分子振動（和點陣振動）與轉動，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能級(點陣振動能級)與轉動能級結構的知識。用虛的上能級概念可以說明了拉曼效應：

（圖）原理

設散射物分子原來處於聲子基態，振動能級如圖所示。當受到入射光照射時，激發光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為聲子躍遷到虛態（Virtual state），虛能級上的聲子立即躍遷到下能級而發光，即為散射光。設仍回到初始的聲子態，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，後者稱為拉曼線。在拉曼線中，又把頻率小於入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大於入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。

附加頻率值與振動能級有關的稱作大拉曼位移，與同一振動能級內的轉動能級有關的稱作小拉曼位移：

拉曼光譜

大拉曼位移：（為振動能級帶頻率）

小拉曼位移：（其中B為轉動常數）

簡單推導小拉曼位移：利用轉動常數

套用

分析物質性質

通過對拉曼光譜的分析可以知道物質的振動轉動能級情況，從而可以鑑別物質，分析物質的性質。

天然雞血石和仿造雞血石的拉曼光譜有本質的區別：前者主要是地開石和辰砂的拉曼光譜，後者主要是有機物的拉曼光譜，利用拉曼光譜可以區別二者。

天然雞血石“地”的主要成分為地開石，天然雞血石樣品“血”既有辰砂又有地開石，實際上是辰砂與地開石的集合體。仿造雞血石“地”的主要成分是聚苯乙烯-丙烯腈，“血”與一種名為PermanentBordo的紅色有機染料的拉曼光譜基本吻合。

鑑別毒品

常見毒品均有相當豐富的拉曼特徵位移峰，且每個峰的信噪比較高，表明用拉曼光譜法對毒品進行成分分析方法可行，得到的譜圖質量較高。由於雷射拉曼光譜具有微區分析功能，即使毒品和其它白色粉末狀物質混和在一起，也可以通過顯微分析技術對其進行識別，得到毒品和其它白色粉末分別的拉曼光譜圖。

利用拉曼光譜可以監測物質的製備：擔載型硫化鉬、硫化鎢催化劑是由相應的擔載型金屬氧化物在H2和H2S氣氛下程式升溫製得的，在工業上主要用作加氫精制催化劑。在這樣的工業條件下，二維表面金屬氧化物轉變為二維或三維金屬硫化物。與負載金屬氧化物相比，負載金屬硫化物的拉曼光譜研究相對較少，這是由於黑色的硫化物相對可見光的吸收較強，導致信號較弱。然而拉曼光譜能較易檢測到小的金屬硫化物微晶。

在380和450cm-1處出現兩個歸屬為晶相和的譜峰，而擔載型晶相硫化鉬的譜峰比晶相硫化鉬的譜峰寬得多。鈷助劑的加入導致硫化鉬的譜峰發生位移，強度減弱，這是由於相以及黑色的相的形成造成的。

監測水果表面殘留農藥

不同種類的水果表面滴加植保博士後得到的拉曼譜

在處理好的水果表面撕取一小片果皮,在水果表面分別滴上一滴不同的農藥,農藥就會浸潤到果皮上。用吸水紙擦拭果皮上的農藥液體,然後把殘留有農藥的果皮壓入鋁片的小槽中,保證使殘留農藥的果皮表面呈現在鋁片小槽的外面,然後把壓出來的汁液用吸水紙擦拭乾淨。

不同種類的水果表面滴加植保博士後得到的拉曼譜。很明顯,除了水果原本的拉曼峰外,植保博士的特徵峰為993cm-1、1348cm-1、1591cm-1都出現了由於實驗中模擬農藥噴灑的方式比實際噴灑時的農藥量少得多,儘管如此,農藥的殘留仍然清晰地顯示出來,這表明這一方法是靈敏而適用的。定量地分析農藥殘留可以從農藥特徵譜線和水果特徵譜線的相對強度比獲得。