雷射拉曼光譜儀

雷射拉曼光譜儀是一個集合了雷射光譜學、精密機械和微電子系統的綜合測量體系。其最終結果是獲得散射介質在一定方向上具有一定偏振態的散射光強隨頻率分布的譜圖。

雷射拉曼光譜儀分析是一種非破壞性的微區分析手段，液體、粉末及各種固體樣品均不需特殊處理即可用於拉曼光譜的測定。拉曼光譜可以單獨，或與其他技術（如X衍射譜、紅外吸收光譜、中子散射等）結合起來套用，方便地確定離子、分子種類和物質結構。其套用主要是對各種固態、液態、氣態物質的分子組成、結構及相對含量等進行分析，實現對物質的鑑別與定性。

基本介紹

• 中文名：雷射拉曼光譜儀
• 外文名：laser Raman spectrometer
• 原理：拉曼散射效應
• 套用：物質鑑定、分子結構研究

原理

雷射拉曼光譜法是以拉曼散射為理論基礎的一種光譜分析方法。

拉曼散射：當激發光的光子與作為散射中心的分子相互作用時，大部分光子只是發生改變方向的散射，而光的頻率並沒有改變，大約有占總散射光的10^-10-10^-6的散射，不僅改變了傳播方向，也改變了頻率。這種頻率變化了的散射就稱為拉曼散射。

拉曼散射的基本原理

對於拉曼散射來說，分子由基態E₀被激發至振動激發態E₁，光子失去的能量與分子得到的能量相等為△E，反映了指定能級的變化。因此，與之相對應的光子頻率也是具有特徵性的，根據光子頻率變化就可以判斷出分子中所含有的化學鍵或基團。

這就是拉曼光譜可以作為分子結構的分析工具的理論基礎。

主要部件

雷射拉曼光譜儀的主要部件有：雷射光源、樣品池、單色器、光電檢測器、記錄儀和計算機。

雷射拉曼光譜儀示意圖

雷射光源：多用連續式氣體激發器，有主要波長為632.8nm的He-Ne雷射器和主要波長為514.5nm和488.0nm的Ar離子雷射器。

樣品池：常用微量毛細管以及常量的液體池、氣體池和壓片樣品架等。

單色器：雷射拉曼光譜儀的心臟，可以最大限度地降低雜散光且色散性能好。常用光柵分光，並採用雙單色器以增強效果。

檢測系統：對於可見光譜區的拉曼散射光，可用光電倍增管作為檢測器。以光子計數器進行檢測，它的測量範圍可達幾個數量級。

技術設計要求

（1）體積小、重量輕、能耗低；

（2）堅固、抗震，能耐溫度和壓力的驟然變化；

（3）在惡劣環境（大溫度，低真空，高輻射）下正常工作；

（4）低噪音、高輸出、礦物鑑定靈敏；

（5）完善的波數校正標準。

主要套用：

雷射拉曼光譜法的套用有以下幾種：在有機化學上的套用、在高聚物上的套用、在生物方面上的套用、在表面和薄膜方面的套用。

在有機化學上的套用

拉曼光譜在有機化學方面主要是用作結構鑑定的手段，拉曼位移的大小、強度及拉曼峰形狀是確定化學鍵、官能團的重要依據。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為順反式結構判斷的依據。

在高聚物上的套用

拉曼光譜可以提供關於碳鏈或環的結構信息。在確定異構體（單體異構、位置異構、幾何異構和空間立現異構等）的研究中拉曼光譜可以發揮其獨特作用。電活性聚合物如聚毗咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光譜為工具，在高聚物的工業生產方面，如對受擠壓線性聚乙烯的形態、高強度纖維中緊束分子的觀測，以及聚乙烯磨損碎片結晶度的測量等研究中都採用了拉曼光譜。

在生物方面上的套用

拉曼光譜是研究生物大分子的有力手段，由於水的拉曼光譜很弱、譜圖又很簡單，故拉曼光譜可以在接近自然狀態、活性狀態下來研究生物大分子的結構及其變化。拉曼光譜在蛋白質二級結構的研究、DNA和致癌物分子間的作用、視紫紅質在光循環中的結構變化、動脈硬化操作中的鈣化沉積和紅細胞膜的等研究中的套用均有文獻報導。利用FT-Raman消除生物大分子螢光干擾等，有許多成功的示例。

在表面和薄膜方面的套用

拉曼光譜已成CVD（化學氣相沉積法）製備薄膜的檢測和鑑定手段。另外，LB膜的拉曼光譜研究、二氧化矽薄膜氮化的拉曼光譜研究都已見報導。

儘管拉曼散射很弱，拉曼光譜通常不夠靈敏，但利用工振或表面增強拉曼技術就可以大大加強拉曼光譜的靈敏度。表面增強拉曼光譜學（SERS）已成為拉曼光譜研究中活躍的一個領域。

主要優勢

（1）對樣品無接觸、無損傷，樣品不需要製備；

（2）快速分析鑑別各種材料的特性與結構；

（3）能適合黑水和含水樣品，可在高、低溫及高壓條件下準確測量。