拉曼光谱在生物化学中应用

[ 上一篇 ] [ 目录 ] [ 下一篇 ]

拉曼光谱在生物化学中的应用

张文静

拉曼光谱是一种散射光谱。在30年代，拉曼散射光谱曾是研究分子结构的主要手段。自1960年激光问世并将这种新型光源引入拉曼光谱后，拉曼光谱的弱点（主要是拉曼效应太弱）被攻克。拉曼光谱出现了崭新的局面。目前激光拉曼光谱已广泛应用于有机、无机、高分子、生物、环保等各个领域，成为重要的分析工具。它不仅与红外光谱相配合，可以更完整地研究分子的振动和转动能级，更好地解决有机结构的分析问题。而且由于它的一些特点，如水和玻璃的散射光谱极弱，因而在水溶液、气体、同位素、单晶等方面的应用具有突出的特长。近几年来又发展了傅里叶变换拉曼光谱仪、表面增强拉曼光谱仪、超拉曼、共振拉曼、时间分辨拉曼等新技术，激光拉曼光谱在高分子结构研究中的作用正在与日俱增。

作为生物化学主要研究对象的生物大分子多是处在水溶液环境中，研究它们在水溶液中的结构对于了解生物大分子的结构与性能的关系是很重要的。目前关于水溶液中生物大分子的结构（构性，构象）资料还比较少。生物大分子溶于水时结构上是否会发生变化？pH、离子强度、温度和溶剂等环境条件对生物大分子的结构会有什么影响？这些问题都有待我们去研究。由于水的红外吸收很强，因此用红外光谱发研究生物体系有很大局限性，而水的拉曼散射很弱，干扰小，而且拉曼效应对于分子构象的变化比较灵敏。此外，对生物大分子结构有重要影响的—S—S—键在红外光谱中吸收很弱，又处于低波数区（550~430ｃｍ-1），因而测定很困难，但它在拉曼光谱中却显示强峰。在激光拉曼光谱的测定中，样品用量很少，可低至数微克，这对生物化学体系也是非常重要的。由于上述原因，再加上激光拉曼光谱仪本身的不断改进，使激光拉曼光谱已成为一种能够快速，详尽提供有关水溶液中生物大分子结构信息的新技术。

生物大分子中，蛋白质、核酸、磷脂等是重要的生命基础物质，研究它们的结构、构象等化学问题以阐明生命的奥秘是当今极为重要的研究课题。应用激光拉曼光谱除能获得有关组分的信息外，更主要的是它能反应与正常生理条件（如水溶液，温度，酸碱度等）相似的情况下的生物大分子的结构变化信息，同时还能比较在各相中的结构差异，这是用其它仪器难以得到的成果。

多肽和蛋白质的分子链是同种或异种α－氨基酸头尾相连的肽链。这种酰胺键的振动状态有九种，如表1所示。其中酰胺Ａ，Ｂ常被ＣＨ伸缩振动和水分子振动所掩盖。酰胺Ⅱ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ的拉曼线很弱，故它们都无应用价值。而酰胺Ⅰ的拉曼先强而宽，且为单线，对各种蛋白质分子差别不大，故参考价值不

大。酰胺Ⅲ很少受其它振动模式的干扰，且具有强拉曼效应，是分析鉴定结构的可靠模型。

表1 酰胺链的拉曼频率和归属

多肽，蛋白质结构的拉曼信息是较丰富的。主链酰胺Ⅰ，Ⅲ特征振动能精确地描述它们的二级结构。许多的拉曼线归属与芳香环的氨基酸残基和Ｓ－Ｓ、Ｃ－Ｓ键振动的特征频率，它们的状态与蛋白质的几何构型和性能关系很为密切。多肽和蛋白质的二级结构是指主链构型为α－螺旋、β－褶板的不规则状或它们的混合态。利用酰胺基伸缩振动频率与二级结构关系通则，可以进行定量计算。

核糖核酸（ＲＮＡ）是磷酸与核糖相互连结并在核糖的１`位接上腺嘌呤（Ａ）、尿嘌呤（Ｕ）、鸟嘌呤（Ｇ）或胞嘧啶（Ｃ）等核酸碱基。去氧核酸（ＤＮＡ）在核糖的２`位上是ＣＨ２基，碱基由５－甲基尿嘧啶，即胸腺嘧啶（Ｔ）代替。在多聚的核酸链中，碱基相互排列组成了一级结构。二级结构通常指碱基相对与主链的方向位置以及碱基是由氢键配对或一个堆积在另一上面。核酸的二级结构包括有序和无序构型。核酸的主链状态发生变化可由－Ｏ－Ｐ－Ｏ－基拉

曼线强度的变化来测定。根据实验－ＰＯ２?的对称伸缩振动（1100ｃｍ?1）不依赖于主链构型，将它作内标，求得814ｃｍ-1和1100ｃｍ-1谱线的强度比，

能定量的说明有序（分子呈螺旋状）和无序构型的程度，当强度比在1.64±0.04时为100%的有序型，当比值等于０时则为完全无序型。如大肠菌甲酰甲硫氨转

移核糖核酸在中性常温水溶液中的比值为1.37，它的二级结构中就含有84％的有序型，16％属无序型。

二级结构的内容还包括碱基成对还是堆积型。碱基的构型状态取决于环振动和氢键的变化。例如PolyA2PolyU在32°C时呈双股状，其碱基的成对拉曼线

在1668cm-1。当加温至85°C，它离解为单股时，就出现了不成对的拉曼线1661 cm-1,这两条线的强度比能反映主链中A2U的成对程度。

拉曼光谱在引入激光光源及光电探测技术之后得到了迅速的发展。然而，人们仍常常为样品本身或样品中杂质的荧光干扰而困惑。80年代末期发展了傅里叶变换拉曼（FT-Raman）技术，这一技术能有效地消除荧光干扰。由于高聚物样品或其中杂质的干扰，普通激光拉曼只能检测其中一小部分样品。而引入

FT-Raman技术后，已能成功地检测80％以上的合成和天然高聚物，生物大分子及其它样品。

FT-Raman技术能避免荧光干扰，从而大大拓宽了Raman光谱的应用范围。FT-Raman采用1.064μm近红外区激光激发以抑制电子吸收,这样既阻止了样品的光分解又抑制了荧光的产生。同其它在拉曼光谱中减少荧光问题的方法相比，近红外激发的傅里叶变换拉曼谱的魅力在它的抑制荧光的能力，它的现场检测特性及它的对多种复杂样品的适用性。FT-Raman技术可大大提高光谱仪的测量精度。在分光扫描系统中，光谱测量精度主要由机械扫描精度决定，很难在长程扫

描中保持0.5 cm-1以上的精度，两次扫描之间重复精度也差。在FT-Raman系

统中，由于是干扰计量，以稳频He-Ne激光波长为标准，对拉曼位移的测量可

达10-3 cm-1，并且重复性好。另外，FT-Raman光谱仪能消除瑞利谱线，瑞利

谱线的存在所引起的噪音会影响整个拉曼谱图，使相对较弱的拉曼线变得模糊。FT-Raman光谱仪所具有的滤光系统能够消除瑞利谱线。

生物物质组成高度复杂，通常在可见及紫外区对激光照射产生强荧光。反射红外光谱法被广泛用来研究“Intact”生物物质，但它的光谱分辨率很差且受到生物

组织中水的吸收干扰。拉曼光谱受水的影响很小，但在用它对眼睛晶状体及植物的研究时，都遇到严重的荧光干扰，相比而言，用近红外激发可以成功地得到这些生物物质的无荧光干扰的傅里叶变换拉曼光谱。

眼球晶状体中蛋白质含量较之身体其它器官都高大约占质量的33%，如此

高的蛋白质含量对把光聚焦在视网膜上起很重要的作用。晶状体中蛋白质的物理化学排布对其透明性影响很大，由意外事件造成的晶状体不透明都可能导致视力模糊甚至全部失明。老年性白内障是人眼睛里最常见的疾病之一。作为一种非破坏性技术的拉曼光谱已被广泛地用来在分子水平上研究晶状体的病变结构变化。但对普通拉曼光谱来讲，老年人眼睛中色素沉淀的晶状体的荧光性物质是一个严

重的干扰问题。用FT-Raman光谱却可免受其害。

植物是由两种主要细胞构成：一组负责新陈代谢，另一组为非新陈代谢，负责输送液体或起支撑作用。细胞壁的存在是植物细胞区别与动物细胞的特征之一。细胞壁的主要组成是植物纤维物质和木质素。传统的研究植物细胞壁的方法

需对其进行离析，这样就破坏了它的形态。FT-Raman技术可用来研究细胞壁。

研究三种不同木质组织的光谱图，它们分别是南方松树、竹子和枸杞。在枸杞的

近红外FT-Raman光谱图上标出了主要的拉曼位移：其中2898 cm-1和1098 cm-1的拉曼谱线是由植物纤维物质的单独振动产生；1655和1608 cm-1处的谱线是由木质素单独贡献的。同时在1455，1384，1339及905 cm-1处还可以检

测到植物纤维物质和木质素的重叠模式。从这三种不同物质的光谱上可以看出：竹子的化学组成名显异与松树和枸杞。FT-Raman光谱技术既是一种可获得丰富信息又是一种实施方便的分析植物组织化学组成的先进技术。

综上所述，拉曼光谱（包括激光拉曼光谱和傅里叶变换拉曼光谱）是一种灵敏度高、不需特殊制样、不破坏样品并可对样品物质进行检测的崭新技术，随着激光技术、计算机技术等相关技术的不断地发展，拉曼光谱技术必将不断改进创新，将在生物化学中发挥更大的作用。

[参考书目]：

1.薛奇《高分子结构研究中的光谱方法》高等教育出版社1995年5月

2.许存义左健《紫外拉曼散射及其应用》《物理》1999年第28卷第4期万

方数字资源系统数字化期刊

3.孙志贤《现代生物化学理论与研究技术》军事医学科学出版社1995年4月

4.中国科学院科技政策局《走向21世纪的生物学未来生物学（1991~2020年）预测》

华夏出版社1992年4月

[ 上一篇 ] [ 目录 ] [ 下一篇 ]

红外与拉曼光谱在生物学中的应用

09811031 生化系曹建

结构化学是研究原子、分子和晶体的微观结构，研究原子和分子的运动规律，研究物质的结构和性能关系的科学，是化学的一个重要分支。它包含许多有用的概念和知识，许多重要的规律和原理，并且发展和改进许多研究方法和实验手段。同时随着生物学进入分子生物学时代，对于一个生物科学工作者来说，对结构化学知识的了解已经成为不可缺少的了。以下我将通过对光谱技术中红外与拉曼光谱的学习和了解，表达我对本学科的一些认识和看法。

数十年来化学家已经利用光谱技术来研究化合物的结构和反应，这些技术的主要优点是它们一般不会损伤所研究的分子，并且容易精确化和自动化，这些优点对于生物学家也是重要的。在有机结构的分析中，红外光谱与拉曼光谱是相互补充的。红外光谱谱图解析主要是在掌握影响振动频率的因素及各类化合物的红外特征吸收谱带的基础上，按峰区分析，指出某谱带可能属于哪个峰区，结合其它峰区的相关峰，确定其归属。在此基础上，再仔细归属指纹区的有关谱带，综合分析，提出化合物的可能结构。必要时查阅标准图谱或与其它谱（1H NMR，13C NMR，MS）配合，确证其结构。与其它谱比较，红外光谱谱图的解析更具有经验性、灵活性。而在拉曼光谱中，谱带频率与功能团之间的关系与红外光谱基本一致。不同的是有些功能团的振动，在红外光谱中能观测到，在拉曼光谱中很弱甚至不出现；而另一些基团的振动，红外光谱中很弱甚至不出现，在拉曼光谱中则可能是强带，这是由于两者的选律不同，所以在有机结构分析中，两者可以相互补充。在拉曼光谱中，振动谱带的叠加效应较小，谱带清晰，对整个分子的骨架振动的表示比较有特征性。另外，拉曼光谱还可以测定分子的退偏度比，利于弄清分子的对称性等。

一、红外光谱的应用

纯的转动光谱发生在微波区，其能量较低，对生物大分子的研究价值不大。一个生物大分子中有数目巨大的振动模式，完全的红外光谱非常复杂。但是人们在总结大量红外光谱实验资料的基础上，发现在不同的化合物中，同一种化学键或基团，往往表现出大致相同的吸收峰位置，这些就是我们常利用的特征振动频率，它可以帮助我们判断有无某种化学键或基团，从而帮助判断分子结构。

例如在研究血液中存在的胆固醇时，有时需区分自由胆固醇和被脂肪化的胆固醇，此时可利用两分子的红外光谱加以区别：

自由胆固醇的红外光谱应有OH基吸收峰而无羰基吸收峰。它的脂化产物恰相反。我们在课堂上了解到 OH吸收峰在3500cm-1附近而羰基吸收峰在1700cm-1附近。这样我们可以根据这两者的谱图，发现其中一谱图在1730cm-1附近有强吸收，因而可判断为被脂肪化了的胆固醇（原图为胆固醇醋酸脂与自由胆固醇，此处未标出）。

以上只是红外光谱在鉴别上的部分应用，其对于化合物的性质测定也有一定的价值。以下是一个近期在报刊上发表的例子。

近年来，有关天蚕的饲育、基础理论和开发利用等研究备受关注。几位科学工作者用红外光谱法测定了桑蚕茧、柞蚕茧、龙蚝天蚕茧、东北天蚕茧和河南天蚕茧丝蛋白结构，其谱图及研究结论如下：

由谱图1-5和谱图6可见，被测定蚕茧样品均为丝蛋白结构。根据蛋白质特征吸收峰的归属可知，3300cm-1谱峰为酰胺 A NH伸缩振动和OH伸缩振动，

1650-1660cm-1谱峰为酰胺Ⅰ CO伸缩振动，1530cm-1谱峰为ⅡCN伸缩振动和NH面内变形振动，1230-1240cm-1谱峰为酰胺Ⅲ CN伸缩振动和NH面内变形振动，600-700cm-1谱峰为酰胺Ⅴ NH面外变形振动。由谱图1—5可见：(1)960cm-1谱峰，独有桑蚕茧不出现；(2)1320cm-1和770cm-1两谱峰，只有东北和河南天蚕茧出现，且河南天蚕茧相对强度明显强于东北天蚕茧；(3)1650cm-1和

1530cm-1这对谱峰其相对强度桑蚕茧、柞蚕茧和龙蚝天蚕茧均相差不大，而东北和河南天蚕茧都相差较大，特别是河南天蚕茧相差更大，即1530cm-1谱峰强度特低；(4)龙蚝天蚕茧和柞蚕茧虽然红外光谱相似，但它们的谱峰之间相对强度却不尽相同；(5)600-700cm-1谱峰也有明显差别。

为了验证两种蚕茧1530cm-1谱峰强度降低的原因，1320cm-1和770cm-1两谱峰的来源，以及前面归属的正确性。本文测定了氧化后的柞蚕茧层红外光谱(图6)，由图6可见，1530cm-1谱峰相对强度降低，同时出现了1320cm-1和770cm-1两个新谱峰，并且随着1530cm-1谱峰的降低，1320cm-1和770cm-1两谱峰相对强度在增加，呈现出与东北及河南天蚕茧红外光谱相似这一现象。该实验表明，这种对东北及河南天蚕茧红外光谱1530cm-1、1320cm-1和770cm-1谱峰的归属和解释是合理的。

通过上述红外光谱研究，我们可以发现东北及河南天蚕茧层均被某种程度氧化，酰胺中亚氨基部分被氧

化成硝基化合物，且河南天蚕茧比东北天蚕茧氧化的更严重些。同时也证明了东北及河南天蚕茧1530cm-1谱峰低的原因和1320cm-1、770cm-1两谱峰的由来，为不同种类的蚕丝及它们的织品的物证检验及鉴定提供了较好的方法。

但红外光谱对水溶液的研究遇到了重大障碍，因为溶剂水对红外光有强的吸收，使光谱完全被水的吸收所遮蔽。但红外光谱可研究从生物体系萃取的物质。例如微生物和病毒的溶剂萃取物具有其特征的红外光谱，可用于检测它们。毒物学家用红外光谱检测已死器官中所存在的毒物。病理学家常用红外光谱研究尿与血液。对溶液的红外光谱研究可用有机溶剂。对固体样品常与KBr粉末混合和压成薄片，或分散在石油中进行测定。

二、拉曼光谱的应用

水的红外吸收十分强烈，而它的拉曼散射极弱，拉曼光谱是同红外光谱相接近的方法，但又补充了红外光谱在生物高分子研究上的弱点。拉曼光谱不仅水没有影响，而且用量仅几微克。（红外光谱用量在100微克以上）生物高分子中的烯键、炔键、硫桥键、碳-碳键在红外光谱上是弱信号，而在拉曼光谱上的信号很强。生物高分子的结构是螺旋体或平面折叠型，因此偏振和退偏度的测定具有指导意义。由于这些特点，拉曼光谱被越来越广泛地应用于研究各种生物高分子的结构及它们在水溶液中受外界环境（温度、离子强度、pH等）的影响。

以下是拉曼光谱在生命科学中应用的一些范畴及实例。

1. 多肽及蛋白质构型的探讨

多肽及蛋白质有两种主要的构型，即α-螺旋体构型及β-折叠构型。α-构型聚-L-丙氨酸Ⅰ--Ⅲ带为1654（s），1549（w,b），1331和1310（s）cm-1，聚-L-赖氨酸的酰氨Ⅰ、Ⅲ带为1652(s)、1320（s）cm-1.而β-构型聚-L-丙氨酸和聚-L-赖氨酸的酰氨Ⅰ带为1663cm-1和1668cm-1，酰氨Ⅱ带很弱，不易识别，酰氨Ⅲ带前者为1268、1250、1237cm-1，后者为1235cm-1，故可大致把1230及1235cm-1两带作为判断β-构型的依据。

2. 核酸的组成及结构的探讨

在1967年前后已经有了关于核酸碱基的激光拉曼光谱的报道，在这些碱基、核糖和磷酸的衍生物中确定了1500----1800cm-1区域内各基团归属。如共轭C=O 的基频为1655---1670cm-1；非共轭C=O的基频为1695 cm-1附近；环内的C=C及C=N伸缩振动频率为1550---1650 cm-1。C=O的偏振性很强，而C=C及C=N的偏振性较弱。在1200---1500 cm-1区域内出现的环内C C及C N伸缩振动的偏振性为中等。800 cm-1以下的一些谱线具有较强的偏振性。由于N H，NH

2

，ND，OH的变形频率都是很弱的，故核苷及核苷酸以及核糖只有很弱的谱峰。

为了研究核酸的构型，核酸的模型化合物只能用核糖磷酸基与某种碱基合成。此种模型化合物称为聚核苷酸。当聚核苷酸以水为介质时它们会形成一系列特殊的构型及自身作用成有序构型。其中以双螺旋结构为最重要。

核酸的双螺旋结构有A、B、Z三种构型。在激光拉曼光谱中以810---815cm-1处的谱线表征，并认为此谱线是有序排列的核酸所具有的特征谱线，它是有磷酸核糖脊骨的振动产生的，它的位移反映核酸分子构型的变化。例如，比较小牛胸腺DNA与酵母t RNA的2.5%水溶液的激光拉曼光谱，可以看到前者无814 cm-1线，而后者有814 cm-1线。表明在水溶液中RNA常以A式存在，而DNA常以B式存在。比较810---815 cm-1谱线与磷酸基伸缩振动线（约1100 cm-1）的强度，其比值可以作为核酸A式构型含量的量度。

以下是一则应用红外光谱和激光拉曼光谱共同测定配合无分子的材料：

稀土配合物的性能及其应用一直广泛吸引着人们的研究兴趣。上海师范大学

化学系的一位在职研究生杨海峰合成了Nd(Pro)

3(Phen)Cl

3

.2H

2

O三元固体配合物

(Pro=脯氨酸，Phen=邻啡罗啉)。文献上未发现该三元固体配合物的振动光谱数据，本文报道了在本实验室中所测得的此配合物的FTIR光谱(4000-400cm-1)和Raman光谱(3700-100cm-1)。通过检索分子振动归属校正表和对比脯氨酸、邻啡

罗啉的光谱数据，对固体三元配合物Nd(Pro)

3(Phen)Cl

3

.2H

2

O的振动频率作了归

属。根据FTIR光谱和Raman光谱，初步讨论了配体与Nd(Ⅲ)的配位方式。其具体的研究结论及图谱如下:

配合物在3056cm-1(Raman)的峰由芳香环上的C—H伸缩振动引起。

2985cm-1(Raman)、2983cm-1（IR)是吡咯的C—H伸缩振动(羧酸基环境)。2935cm-1(Raman)、2884cm-1(Raman)对应亚甲基的反对称和对称伸缩振动。2746cm-1(IR)是典型的N-亚甲基C—H伸缩振动。

配合物的3077cm-1(Raman)是吡咯NH吸收带的泛频峰，而在脯氨酸的Raman 光谱中，由于分子内氢键的存在而观察不到该峰。频率1623cm-1(IR)、

1622cm-1(Raman)来自N—H的面内变形振动。711cm-1由N—H的面外变形振动产生。据此，可推断脯氨酸的吡咯环上的氮未参与配位。

配合物的1520cm-1(Raman)、1413cm-1(Raman)分别是COO-的反对称和对称伸缩振动(Δν=107cm-1)，与配体脯氨酸的COO-振动1576cm-1(Raman)、

1396cm-1(Raman)(Δν=180cm-1)相比较可知，钕与羧酸根的氧原子以双齿配位形成四员螯环［3，4］。红外光谱的结果与Raman光谱一致。

配合物的CN伸缩振动分别在1592cm-1(Raman)、1452cm-1(Raman)附近，与配体邻啡罗啉的CN振动带1617cm-1(Raman)、1579cm-1(Raman)、

1557cm-1(Raman)、1489cm-1(Raman)相比有较大位移，表明邻啡罗啉通过两个吡啶环上的氮与钕配位形成五员螯环。

在分子振动光谱研究中，红外光谱和Raman光谱是强有力的工具，但其振动模的选择定则不同，光谱数据呈互为补充及佐证的关系。红外光谱是当分子的振动及转动使分子的永久偶极矩发生改变时对入射光（红外光）中具有特定波长的光的不同程度的吸收。而拉曼光谱测量的是散射光频率相对激发光频率的位移与散射光强度的关系。因此，凡是能使分子的偶极矩（极化率）发生改变的振动、转动称为具有红外（拉曼）活性。对于任何分子，其中不同类型的振动、转动是否具有红外或拉曼活性，一般可用①相互排斥规则②相互允许规则③相互禁阻规则等来判别。同时对分子低频振动区的观察则Raman光谱更有其优势，这主要是Raman光谱仪在技术上容易得到“全”振动光谱(3700-10cm-1)，而远红外光谱分析对仪器要求比较高。总的来说，红外光谱与拉曼光谱是互为补充的，由它们得到的有关分子结构的信息是一致的。

一切概念和原理都来源于实践，而所得的理论的正确性又要由实践来检验。我们应当努力掌握好本学科（结构化学）的原理知识，令其成为我们日后研究工作中强有力的辅佐工具，并争取对结构化学这门学科做更为深入的研究、发现、探讨。

[参考文献]:

1.沈报恩著《生命科学中的物理化学》1991年10月第一版P222---227。

2.潘家来著《激光拉曼光谱在有机化学上的应用》1986年4月第一版P117---135。

3.程虎民著《结构化学与结构分析基础》1997年12月第一版P253---254 、P238。

4.《光谱实验室》1999年第16卷第2期刘莉萍等《红外光谱法测定无蚕茧层丝蛋

白结构》

表1 酰胺链的拉曼频率和归属

C(protein)I1632

protein =fαIα

1632

+fβIβ

1632

+f R I R

1632

C(protein)I1660

protein =fαIα

1660

+fβIβ

1660

+f R I R

1660

fα+fβ+f R=1

拉曼光谱的原理及应用.doc

拉曼光谱的原理及应用 拉曼光谱由于近几年来以下几项技术的集中发展而有了更广泛的应用。这些技术是：CCD检测系统在近红外区域的高灵敏性,体积小而功率大的二极管激光器,与激发激光及信号过滤整合的光纤探头。这些产品连同高口径短焦距的分光光度计,提供了低荧光本底而高质量的拉曼光谱以及体积小、容易使用的拉曼光谱仪。 （一）含义 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长的和短的成分, 统称为拉曼效应 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时,大部分的光会按原来的方向透射,而一小部分则按不同的角度散射开来,产生散射光。在垂直方向观察时,除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外,还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线,这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目,位移的大小,谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此,与红外吸收光谱类似,对拉曼光谱的研究,也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定,分子结构的研究谱线特征 （二）拉曼散射光谱具有以下明显的特征： a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同,但对同一样品,同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关； b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上,斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。 c. 一般情况下,斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布,处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 （三）拉曼光谱技术的优越性 提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析,它无需样品准备,样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外 1 由于水的拉曼散射很微弱,拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。 2 拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间,可对有机物及无机物进行分析。相反,若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器 3 拉曼光谱谱峰清晰尖锐,更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中,独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。 4 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且,拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小,可分析更小面积的样品。 5 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动,这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。（四）几种重要的拉曼光谱分析技术 1、单道检测的拉曼光谱分析技术 2、以CCD为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术 3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术 4、共振拉曼光谱分析技术 5、表面增强拉曼效应分析技术 (五) 拉曼频移,拉曼光谱与分子极化率的关系 1、拉曼频移：散射光频与激发光频之差,取决于分子振动能级的改变,所以它是特征的,与入射光的波长无关,适应于分子结构的分析 2、拉曼光谱与分子极化率的关系 分子在静电场E中,极化感应偶极矩P为静电场E与极化率的乘积 诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子的极化率 分子中两原子距离最大时,极化率也最大 拉曼散射强度与极化率成正比例 （六）应用激光光源的拉曼光谱法 应用激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性,与表面增强拉曼效应相结合,便产生了表面增强拉曼光谱。其灵敏度比常规拉曼光谱可提高104~107倍,加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制,使分析的信噪比大大提高。已应用于生物、药物及环境分析中痕量物质的检测。共振拉曼光谱是建立在共振拉曼效应基础上的另一种激光拉曼光谱法。共振拉曼效应产生于激发光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时,这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104~106倍,有利于低浓度和微量样品的检测。已用于无机、有

拉曼光谱原理及应用简介

拉曼光谱原理及应用简介 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的发现透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究。 应用激光光源的拉曼光谱法。应用激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性，与表面增强拉曼效应相结合，便产生了表面增强拉曼光谱。其灵敏度比常规拉曼光谱可提高104~107倍，加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制，使分析的信噪比大大提高。已应用于生物、药物及环境分析中痕量物质的检测。共振拉曼光谱是建立在共振拉曼效应基础上的另一种激光拉曼光谱法。共振拉曼效应产生于激发光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104~106倍，有利于低浓度和微量样品的检测。已用于无机、有机、生物大分子、离子乃至活体组成的测定和研究。激光拉曼光谱与傅里叶变换红外光谱相配合，已成为分子结构研究的主要手段。

1. 激光拉曼光谱法的原理是拉曼散射效应 拉曼散射：当激发光的光子与作为散射中心的分子相互作用时，大部分光子只是发生改变方向的散射，而光的频率并没有改变，大约有占总散射光的10-10-10-6的散射，不光改变了传播方向，也改变了频率。这种频率变化了的散射就称为拉曼散射。对于拉曼散射来说，分子由基态E0被激发至振动激发态E1，光子失去的能量与分子得到的能量相等为△E反映了指定能级的变化。因此，与之相对应的光子频率也是具有特征性的，根据光子频率变化就可以判断出分子中所含有的化学键或基团。这就是拉曼光谱可以作为分子结构的分析工具的理论工具。 2. 拉曼光谱仪的主要部件有： 激光光源、样品室、分光系统、光电检测器、记录仪和计算机。 3. 应用 激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面上的应用，在表面和薄膜方面的应用。 有机化学：拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是判断化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依据。 高聚物：拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体（单休异构、位置异构、几何异构和空间立现异构等）的研究中

拉曼光谱原理及应用简介

拉曼光谱由于近几年来以下几项技术的集中发展而有了更广泛的应用。这些技术是：CCD检测系统在近红外区域的高灵敏性，体积小而功率大的二极管激光器，与激发激光及信号过滤整合的光纤探头。这些产品连同高口径短焦距的分光光度计，提供了低荧光本底而高质量的拉曼光谱以及体积小、容易使用的拉曼光谱仪。（一）含义 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长的和短的成分,统称为拉曼效应 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征 （二）拉曼散射光谱具有以下明显的特征： a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关； b.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧,这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的 能量。

c.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 （三）拉曼光谱技术的优越性 提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外 1由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。 2拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器3拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。4因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。5共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。 （四）几种重要的拉曼光谱分析技术 1、单道检测的拉曼光谱分析技术

拉曼光谱及其生物学应用

拉曼光谱及其生物学应用 朱加旺 20105450 一、拉曼光谱 1、拉曼光谱基本原理：拉曼散射属于光的散射，单色光子与分子发 生相互作用且发生非弹性碰撞时，二者之间有能量交换，此时， 光子不仅要改变运动方向，而且频率也会发生改变，这种散射称 为拉曼散射。在这种散射中，光子一部分能量转移到分子中，或 者分子的振动和转动能量传递给了光子，从而改变光子频率。 2、拉曼光谱的解释及研究意义 2.1 以经典理论解释拉曼散射时,认为分子以固有频率vi振动，极化率（见电极化率）也以vi为频率作周期性变化，在频率为v0的入射光作用下，v0与vi两种频率的耦合产生了v0、v0+vi和v0-vi3种频率。频率为v0的光即瑞利散射光，后两种频率对应拉曼散射谱线。拉曼散射的完善解释需用量子力学理论，不仅可解释散射光的频率差，还可解决强度和偏振等一类问题。 2.1.1特征拉曼频率：拉曼光谱中的振动频率是由原子团和化学键确定的，我们称之为特征拉曼频率。分子振动时，键长和键角要同时发生双变，当分子中的某个集团与分子中与其邻近的基团无耦合作用时，其振动的

频率和强度所反映的就是该基团独有的特征。由于分子是一个整体，其内部任何基团的振动都不可能完全独立的，手工同化学环境的影响，任意基团的振动频率都会发生微小的位移，这种频率位移的大小和方向就是基团化学环境变化的证据。因此，我们根据特征频率及其位移即可判定各种基团的存在与否及其化学环境的变化情况。特征拉曼频率在拉曼光谱分析中非常有用，现已总结出各类化学物的特征拉曼频率表，以供我们需要是比对和查找。 2.1.2共振拉曼散射：当一个化合物被入射光激发且及发现的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，会使得某些拉曼普线的强度陡然增加，这个现象被称为共振拉曼散射。 2.1.3表面增强拉曼散射：当物质分子吸附在一些特定的金属表面时，分子的拉曼散射强度得到大大提升。表面增强拉曼散射有如下特点：SERS 具有很强的增强因子；SERS具有金属选择性，出现SERS现象的金属材料只有少数几种，分别是币族金属金，银，铜；碱性金属锂，钠，钾；部分过度金属铁，钴，镍；SERS要求金属表面有一定粗糙度，不同金属出现最大SERS效应的粗糙度不一样。关于SERS的增强机理目前提出了两大类理论模型：物理增强模型和化学增强模型。物理增强模型认为SERS 效应起源于金属表面局域电场的增强（又成为电磁增强）金属基底和被吸附分子之间的相互作用相对较弱。表面等离子模型，天线共振子模型和镜像场模型等均属于物理增强机制，但他们对于导致居于电磁场增强的原因的解释是不用的。化学增强模型认为，拉曼散射信号的增强是由于吸附在粗糙金属表面的物质分子极化率改变而引起的。主要的理论模

拉曼光谱的应用

拉曼光谱的应用 拉曼光谱技术由于信息丰富，制样简单，水干扰小等独特优点，在化学、材料、物理、高分子、生物、医药、地质等领域有广泛的应用。 1、拉曼光谱在化学研究中的应用 拉曼光谱在有机化学方面主要用作结构鉴定和分子相互作用的手段，它与红外光谱互为补充，可以鉴别特殊的结构特征或特征基团。拉曼位移大小、强度及拉曼峰形状是鉴定化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为分子异构体判断的依据。 在无机化合物中金属离子和配位体中的中心元素相结合的阴离子或中性分子，如含有孤对电子的卤素元素、氨，天然水体中主要的配位体有无机的和有机的两类，前者有CH-、CO 3 2-、 OH-、 SO 42-和PO 4 3-等，后者有腐殖质、氨基酸等。许多废水中也含有可与金属络合的配位体， 如含氰废水中，CN-能与金属形成很稳定的络合物配位体。利用不同的络合配位体可对水体中金属离子进行测定、分离以及研究其形态和物理、化学特性等。另外，许多无机化合物具有多种晶型结构，它们具有不同的拉曼活性，因此用拉曼光谱能测定和鉴别红外光谱无法完成的无机化合物的晶型结构。 在催化化学中，拉曼光谱能够提供催化剂本身以及表面上物种的结构信息，还可以对催化剂制备过程进行实时研究。同时，激光拉曼光谱是研究电极/溶液界面的结构和性能的重要方法，能够在分子水平上深入研究电化学界面结构、吸附和反应等基础问题并应用于电催化、腐蚀和电镀等领域。 2、拉曼光谱在高分子材料中的应用 拉曼光谱可提供聚合物材料结构方面的许多重要信息。如分子结构与组成、立体规整性、结晶与取向、分子相互作用以及表面和界面的结构等。从拉曼峰的宽度可以表征高分子材料的立体化学纯度，如无规立场试样或头-头，头-尾结构混杂的样品，拉曼峰是弱而宽，而高度有序样品具有强而尖锐的拉曼峰。研究内容包括： （1）化学结构和立构性判断：高分子中的C＝C、C-C、S-S、C-S、N-N等骨架对拉曼光谱非常敏感，常用来研究高分子的化学组份和结构。 （2）组分定量分析：拉曼散射强度与高分子的浓度成线性关系，给高分子组分含量分析带来方便。 （3）晶相与无定形相的表征以及聚合物结晶过程和结晶度的监测。 （4）动力学过程研究：伴随高分子反应的动力学过程如聚合、裂解、水解和结晶等。相应的拉曼光谱某些特征谱带会有强度的改变。 （5）高分子取向研究：高分子链的各向异性必然带来对光散射的各向异性，测量分子的拉曼带退偏比可以得到分子构型或构象等方面的重要信息。 （6）聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究。 （7）复合材料应力松弛和应变过程的监测。 （8）聚合反应过程和聚合物固化过程监控。 3、拉曼光谱技术在材料科学研究中的应用 拉曼光谱在材料科学中是物质结构研究的有力工具，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多工作。包括： （1）薄膜结构材料拉曼研究：拉曼光谱已成化学气相沉积法制备薄膜的检测和鉴定手段。拉曼可以研究非晶硅结构以及硼化非晶硅、氢化非晶硅、金刚石、类金刚石等层状薄膜的结构。 （2）超晶格材料研究：可通过测量超晶格中的应变层的拉曼频移计算出应变层的应力，根据拉曼峰的对称性，知道晶格的完整性。

拉曼光谱技术综述

拉曼光谱技术综述 摘要：本文从拉曼散射原理出发，介绍了拉曼技术的特征，以及拉曼技术的优势和不足，从激光技术和纳米技术出发介绍了当前拉曼技术的广泛发展和应用。综述了近年来了曼技术的主要的分析技术。涉及拉曼光谱技术的发展简史，发展现状和最新研究进展等方面。 关键字：光谱分析、拉曼散射、激光、光子 1、拉曼光谱的发展简史 印度物理学家拉曼于1928年用水银灯照射苯液体,发现了新的辐射谱线:在入射光频率ω0的两边出现呈对称分布的,频率为ω0-ω和ω0+ω的明锐边带,这是属于一种新的分子辐射,称为拉曼散射,其中ω是介质的元激发频率。与此同时,前苏联兰茨堡格和曼德尔斯塔报导在石英晶体中发现了类似的现象,即由光学声子引起的拉曼散射,称之谓并合散射。然而到1940年,拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱(约为入射光强的),人们难以观测研究较弱的拉曼散射信号,更谈不上测量研究二级以上的高阶拉曼散射效应。并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期,红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。1960年以后,红宝石激光器的出现,使得拉曼散射的研究进入了一个全新的时期。由于激光器的单色性好,方向性强,功率密度高,用它作为激发光源,大大提高了激发效率。成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低,目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用,越来越受研究者的重视。 70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注人活力。80年代以来,美国Spex公司和英国Rrin show公司相继推出,拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪,由于采用了凹陷滤波器(notch filter)来过滤掉激发光,使杂散光得到抑制,这样入射光的功率可以很低,灵敏度得到很大的提高。Di l o公司推出了多测点在线工业用拉曼系统,采用的光纤可达200m,从而使拉曼光谱的应用范围更加广阔。 2、拉曼光谱简介：

激光拉曼光谱分析.doc

第 11 章激光拉曼光谱分析 第十一章激光拉曼光谱分析 （L aser Raman Spectroscopy， LRS） 教学要求 1.理解拉曼散射的基本原理 2.理解拉曼光谱和红外光谱与分子结构关系的主要差别 3.了解拉曼光谱仪器结构 4.了解激光拉曼光谱的应用 重点：拉曼光谱原理；拉曼光谱与红外光谱的关系 难点：拉曼光谱与红外光谱的关系 课时安排： 1.5 学时 §11-1 拉曼光谱原理 一、拉曼光谱 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。 在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。 由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分 子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。 拉曼光谱和红外光谱一样同属于分子振动光谱 ,可以反映分子的特征结构。但是拉曼散射效应是个非常弱的过程 ,一般其光强仅约为入射光强的 10-10。 1、瑞利散射 虚拟态 当光子与物质的分子发生弹性碰撞时， hυ0hυ0 没有能量交换，光子仅改变运动方向，这种散射称瑞利散射。入射光与散射光的频率相同，如图中 2、3 两种情况。 2、斯托克斯 (Stokes)散射 hυ0h(υ0-υ1) hυ0hυ0hυ0h(υ0+υ1) υ=1 υ=0 图 11-1 瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯散射示意图 当光子与物质的分子发生非弹性碰撞时，可以得到或失去能量，当受激分子

拉曼光谱

拉曼光谱 1.1引言 拉曼光谱和红外光谱都反映了分子振动的信息，但其原理却有很大差别：红外光谱是吸收光谱，而拉曼光谱是散射光谱。红外光谱的信息是从分子对入射电磁波的吸收得到的，而拉曼光谱的信息是从入射光与散射光频率的差别得到的。拉曼光谱的突出优点是可以很容易地测量含水的样品， 而且拉曼散射光可以在紫外和可见光波段量测。由于紫外光和可见光能量很强，因此其量测比红外波段要容易和优越得多。 拉曼光谱得名于印度物理学家拉曼(R a m a n)。1928年， 拉曼首先从实验观察到单色的入射光投射到物质中后产生的散射，通过对散射光进行谱分析，首先发现散射光除了含有与入射光相同频率的光外，还包含有与入射光频率不同的光。以后人们将这种散射光与入射光频率不同的现象称为拉曼散射。拉曼因此获得诺贝尔奖。 当一束入射光通过样品时，在各个方向上都发生散射。拉曼光谱仪收集和检测与入射光成直角的散射光。由于收集和检测的散射光强度非常低，因此拉曼光谱的应用和发展受到很大限制。六十年代激光开始广泛应用，拉曼光谱仪以激光作光源， 光的单色性和强度都大大提高，拉曼散射仪的信号强度因而大大提高，拉曼光谱技术得以迅速发展，应用领域遍及物理，材料，化学，生物等学科，并已成为光谱学的一个分支 拉曼光谱学。 2.1拉曼光谱原理 2.1.1光的散射 入射光通过样品后，除了被吸收的光之外，大部分沿入射方向穿过样品， 一小部分光则改变方向，发生散射。一部分散射光的波长与入射光波长相同， 这种散射称为瑞利散射(R a y l e i g h s c a t t e r i n g)。1899年，瑞利从实验中得出结论：晴天时天空呈兰色的原因是大气分子对阳光的散射。瑞利还证实：散射光的强度与波长的四次方成反比。这就是瑞利散射定律。由于组成白光的各种颜色的光中，兰光的波长最短，因而散射光强度最大。天空因而呈现兰色。 瑞利当时并没有考虑到散射光的频率变化。 他认为散射光与入射光的频率是相同的。所以后来把与入射光波长相同的散射称为瑞利散射，而把波长与入射光不同的散射称为拉曼散射。 2.1.2拉曼散射的产生 2.1.2.1机械力学的解释 光由光子组成，这是光的微粒性。光子与样品分子间的相互作用， 可以用光子与样品分子之间的碰撞来解释。 光照射样品时，光子和样品分子之间发生碰撞。如果碰撞时只是运动方向改变而未发生能量交换即发生了弹性碰撞，则光子的能量不变。由E=hν，能量不变频率也就不变。这就是瑞利散射产生的原因。如果光子和样品分子间发生非弹性碰撞， 即光子除改变运动方向外还有能量的改变，一部分能量碰撞时在光子和样品之间发生交换，光子的能量有所增减，则光的频率发生改变。 2.1.2.2从能级之间的跃迁来分析 光子和样品分子之间的作用也可以从能级之间的跃迁来分析。 样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要

拉曼光谱实验报告

拉曼光谱实验 姓名学号 何婷 李玉环 宋丹 [实验目的] 1、了解Raman光谱的原理和特点； 2、掌握Raman光谱的定性和定量分析方法； 3、了解Raman光谱的谱带指认。 4、了解显微成像Raman光谱。 [仪器和装置] 1、显光谱系统一套，拉曼光谱仪的型号为SPL-RAMAN-785 USB2000+的拉曼光谱仪，自带785nm激光； 2、带二维步进电机平移台一台（有控制器一台）； 3、PT纳米线样品； 4、光谱仪软件SpectraSuite； 5、步进电机驱动软件； 6、摄像头（已与显微镜集成在一起）。 [实验内容] 1、使用显系统及海洋光谱软件对单根或多根纳米线进行显光谱测量，对测量的图和标准图 进行比较，并通过文献阅读对PT纳米线Raman（测量和标准）的谱峰进行指认。 2、使用显微拉曼扫描系统进行二维样品表面拉曼信号收集，并生成样品表面特定波长处的 拉曼信号强度三维图，模拟样品表面拉曼表征。选择多个拉曼波长对样品形状进行观察。[实验结果及分析]

观察PbTiO3的拉曼散射谱并比对具体的拉曼散射光谱数据进行分析，可以找到以上10个拉曼散射峰，分别位于， nm， nm， nm， nm， nm， nm， nm， nm，附近，对应的Raman Shift分别是 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1。（通过Raman Shift=1/λ入射-1/λ散射计算得到） PT纳米线Raman测量的谱峰指认： 分析可知， cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1附近的9个振动模，分别对应于PbTiO3的A1（1TO），E（1LO），E（2TO），B1+E， A1（2TO）， E（2LO）+A1（2LO），E（3TO） A1（3TO）， A1（3LO）声子模。 位于 cm-1附近的模对应PbTiO3纳米线表面的TiO6八面体相对于Pb的振动；位于 cm-1附近的模分别对应于表面Ti-O或Pb-O键的振动；位于 cm-1附近的模对应于TiO6八面体中Ti-O键的振动。而位于 cm-1的振动模为静模。此外，在 cm-1处PbTiO3还具有额外的Raman 振动模，可能与该相中含有大量且复杂的晶胞结构有关。据报道，复杂钙钛矿结构中氧八面体的畸变或八面体内 B位离子的移动在某种程度上会破坏平移对称性，引起相邻晶胞不再具有相似的局部电场和极化率。 位于 cm-1处的拉曼峰强度增强，相比标准PbTiO3纳米线，其余拉曼峰强度均减弱。798nm处样品表面拉曼信号三维强度图：

拉曼光谱及其在现代技术中的应用

拉曼光谱及其在现代技术中的应用 1 拉曼光谱发展历史 印度物理学家拉曼于1928年用水银灯照射苯液体,发现了新的辐射谱线:在入射光频率ω 的两边出现呈对称分布的,频率为ω0-ω和ω0+ω的明锐边带,这是 属于一种新的分子辐射,称为拉曼散射,其中ω是介质的元激发频率。与此同时,前苏联兰茨堡格和曼德尔斯塔报导在石英晶体中发现了类似的现象,即由光学声子引起的拉曼散射称之谓并合散射。 到40年代中期,红外技术的进步和商品化使拉曼光谱的应用一度衰落。1960年以后,红宝石激光器单色性好,方向性强,功率密度高,用它作为激发光源,大大提高了激发效率，成为拉曼光谱的理想光源。70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注入活力。80年代以后,拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪由于采用了凹陷滤波器(notch filter)来过滤掉激发光,使杂散光得到抑制,就只需要采用单一单色器,使光源的效率大大提高,这样入射光的功率可以很低,灵敏度得到很大的提高，这使拉曼光谱的应用范围更加广阔。 2 拉曼光谱的原理 当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用时,大部分光子仅发生散射改变方向,其频率仍与激发光源一致,这种散射称为瑞利散射。但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向,而且也改变了光波的频率,这种散射称为拉曼散射。拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换改变了光子的能量。 2.1 拉曼散射 拉曼散射的产生可以从光子和样品分子作用时光子发生能级跃迁来解释。 样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。样品分子在吸收了光子后，被激发到较高的不稳定的能态（虚态）。当样品分子激发到虚态后又回到低能级的振动激发态，此时激发光能量大于散射光能量，散射光频率小于入射光。这时在瑞利散射线较低频率侧就会出现一根拉曼散射线，这条线称为Stokes线。

Raman 拉曼光谱原理及应用

拉曼光谱学 ——原理及应用HORIBA Jobin Yvon北京办事处

报告内容 ?1-什么是拉曼光谱? –简单介绍 ?2-拉曼光谱仪工作原理介绍 ?3-拉曼光谱在材料研究中的应用介绍?4-HORIBA Jobin Yvon拉曼光谱仪简介

1928年，印度科学家C.V Raman in首先在CCL 4光谱 中发现了当光与分子相互作用后，一部分光的波长 会发生改变（颜色发生变化），通过对于这些颜色 发生变化的散射光的研究，可以得到分子结构的信 息，因此这种效应命名为Raman效应。 时间 和发现人? Provided by Prof. D. Mukherjee, Director of Indian Association for the Cultivation of Science

λlaser λscatter >λlaser 瑞利散射λscatter = λlaser 拉曼散射 光散射的过程：激光入射到样品，产生散射光。 散射光弹性散射（频率不发生改变-瑞利散射） 非弹性散射（频率发生改变-拉曼散射）

2 0004 000 6 0008 00010 000I n t e n s i t y (c n t )400600Raman Shift (cm -1) 520不同材料的拉曼光 谱有各自的不同于其它材料的特征的光谱-特征谱 z 为表征和鉴别材料提 供了指纹谱 z 深入开展光谱学和材 料物性研究打下基础 1332 1580 20000 15000 10000 5000 100012001400160018002000 Wavenumber (cm-1)?组分信息?结构信息

激光拉曼光谱及其应用进展

山西大学学报(自然科学版)24(3):279～282,2001 Jour nal of Shanxi Univ ersity(Na t.Sci.Ed.) 文章编号:0253-2395(2001)03-0279-04 激光拉曼光谱及其应用进展 刘　玲 (西南师范大学化学化工学院,重庆400715) 摘　要:综述了近年来激光拉曼光谱的几种分析技术及其应用,涉及到的激光拉曼光谱有傅立叶变换拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、激光共振拉曼光谱、高温激光拉曼光谱、激光拉曼显微及激光拉曼遥测技术等。 关键词:激光拉曼光谱;应用 中图分类号:O652 文献标识码:A 从1928年起,拉曼光谱的发现距今已有70余年。激光技术的兴起使拉曼光谱成为激光分析中最活跃的研究领域之一。激光拉曼和红外光谱相辅相成,成为进行分子振动和分子结构鉴定的有利工具,被应用于纳米材料[1,2]、水中代谢物[3]、药物及药物成形剂[4]、植物有效成分[5]的结构分析。但传统拉曼光谱仪信号弱,灵敏度低,应用范围受到限制。为了提高激光拉曼光谱的信号强度,人们进行了大量卓有成效的研究工作,提出了一些新的激光拉曼分析技术及方法,本文就近五年来各种拉曼光谱技术在分析化学中的应用作一评述。 1　傅立叶变换拉曼光谱技术 1987年,Per kin Elmer公司推出第一台近红外激发傅立叶变换拉曼光谱(N I R F T-R)商品仪,它采用傅立叶变换技术对信号进行收集,多次累加来提高信噪比,并用1064m m的近红外激光照射样品,大大减弱了荧光背景。从此,N IR F T-R在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力。1996年,周光明等[6]就傅立叶变换拉曼光谱在无机、有机化合物、生物材料、高聚物等方面应用作过详尽综述。近几年来,化学工作者们对FT-Ra ma n光谱仍在不断探索。王斌等[7]采用F T-Raman光谱仪对蛋白质样品进行多次扫描,曲线拟合原始光谱图,以子峰面积表征对应二级结构含量,从而对蛋白质二级结构进行定量分析。可以根据人体正常组织和病变组织的F T-Ra ma n光谱差异从分子水平鉴别和研究病变的起因[8,9]。孙素琴首次利用F T-Raman光谱直接、准确、快速、无损地测定了23种常用植物生药材,并根据每种药材的光谱特征进行分类[10]。F T-Rama n光谱技术还应用在测定家兔体液中的葡萄糖含量[11]、亚麻油的组分[12]、棉织物上的有机染料[13]、碳酸钙的固相分析[14]以及共聚物[15]、金属有机化合物[16]的结构研究等等。 2　表面增强拉曼光谱技术 自1974年Fleischmann等人发现吸附在粗糙化的Ag电极表现的吡啶分子具有巨大的拉曼散射现象,后被Duy ne等人证实其表现增强因子可达106,加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制,使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高,这种表面增强效应被称为表面增强拉曼散射(Surface-Enha nce Ra man Scatte ring,简称SERS)。迄今为止的研究主要集中在探讨表面增强的理论模型,寻找新的体系和实验方法以及进行表面增强拉曼光谱的应用研究。关于表面增强效应产生的机理现已提出十余种理论模型,但普遍适用的完善模型尚在不断探索之中。随着表面增强拉曼光谱分析的深入,新的表面活性载体和具有表面增强效应的物质不断涌现,除了早期的金属电极外,目前最普遍的活性载体为金属溶胶、金属沉积岛状膜等。为了提高SERS的灵敏度、稳定性和重现性,氧化银溶液、氯化银溶胶等新的活性基质,激光烧蚀、酸蚀、掺银、涂银等活性载体制备技术也在开发应用中。SERS技术是一种新的表面测试技术,可以在分子水平上研究材料分子的结构信息,如银纳米粒 收稿日期:2001-02-15 作者简介:刘　玲(1973-),女,安徽石台人,西南师范大学化学化工学院研究生。主攻方向:化学发光与低压离子色谱。

激光拉曼光谱技术

激光拉曼光谱技术 摘要:论文综述了激光拉曼光谱的发展历史，拉曼光谱原理，其中有自发拉曼散射，相干反射托克斯拉曼散射光谱和受 激拉曼散射。 关键词:激光拉曼光谱原理自发反斯托克斯受激 正文 1．拉曼光谱的发展历史 印度物理学家拉曼于1928年用水银灯照射苯液体,发 现了新的辐射谱线:在入射光频率ω0的两边出现呈对称分 布的,频率为ω0-ω和ω0+ω的明锐边带,这是属于一种 新的分子辐射,称为拉曼散射,其中ω是介质的元激发频率。拉曼因发现这一新的分子辐射和所取得的许多光散射研究 成果而获得了1930年诺贝尔物理奖。与此同时,前苏联兰 茨堡格和曼德尔斯塔报导在石英晶体中发现了类似的现象, 即由光学声子引起的拉曼散射,称之谓并合散射。 法国罗卡特、卡本斯以及美国伍德证实了拉曼的观察 研究的结果。然而到1940年,拉曼光谱的地位一落千丈。 主要是因为拉曼效应太弱(约为入射光强的10-6),人们难以 观测研究较弱的拉曼散射信号,更谈不上测量研究二级以上 的高阶拉曼散射效应。并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期,红外技 术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。1960年 以后,红宝石激光器的出现,使得拉曼散射的研究进入了一 个全新的时期。由于激光器的单色性好,方向性强,功率密 度高,用它作为激发光源,大大提高了激发效率。成为拉曼 光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的 降低,目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱

得到了广泛的应用,越来越受研究者的重视。 70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注人活力。80年代以来,美国Spex公司和英国Rr i ns how公司 相继推出,位曼探针共焦激光拉曼光谱仪,由于采用了凹陷 滤波器(notch filter)来过滤掉激发光,使杂散光得到抑制,因而不在需要采用双联单色器甚至三联单色器,而只需要采用单一单色器,使光源的效率大大提高,这样入射光的功率 可以很低,灵敏度得到很大的提高。Di l o公司推出了多测点在线工业用拉曼系统,采用的光纤可达200m,从而使拉曼 光谱的应用范围更加广阔。 2拉曼光谱的原理 2.1自发拉曼散射 泵浦光注入光纤后，其部分能量转为拉曼散射光，当 泵浦光的强度小于阈值时，这时光纤分子的热平衡没有被 破坏，这种拉曼散射叫自发拉曼散射。拉曼散射的产生原 因是光子与分子之间发生了能量交换改变了光子的能量。2.2拉曼散射的产生 光子和样品分子之间的作用可以从能级之间的跃迁来 分析。样品分子处于电子能级和振动能级的基态,入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量,但又不足以将分子激发到电子能级激发态。这样,样品分子吸收光子后到达一种准激发状态,又称为虚能态。样品分子在准激发态时是不稳定的,它将回到电子能级的基态。若分子回到电子能级基态中的振动能级基态,则光子的能量未发生改变,发生瑞 利散射。如果样品分子回到电子能级基态中的较高振动能 级即某些振动激发态,则散射的光子能量小于入射光子的能量,其波长大于入射光。这时散射光谱的瑞利散射谱线较低频率侧将出现一根拉曼散射光的谱线,称为St okes线。如果样品分子在与入射光子作用前的瞬间不是处于电子能级 基态的最低振动能级,而是处于电子能级基态中的某个振动能级激发态,则入射光光子作用使之跃迁到准激发态后,该 分子退激回到电子能级基态的振动能级基态,这样散射光能量大于入射光子能量,其谱线位于瑞利谱线的高频侧,称为

无机盐晶体及水溶液的拉曼光谱检测

无机盐晶体及水溶液的拉曼光谱检测 实验时间：化学馆332,2013-4-15，杨磊（1153640） 一. 实验目的 1、了解拉曼光谱的基本原理，掌握显微共焦激光拉曼光谱仪的使用方法。 2、测量一些常规物质和复杂样品的拉曼光谱，并能了解简单的分析光谱图。 二、实验原理 拉曼光谱（Raman spectra ），是一种散射光谱。对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。所需要的光能量较低，需要测定的光的强度小。 当用波长比试样粒径小得多的频率为υ的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分υ0－υ1又称为斯托克斯线，频率较大的成分υ0+υ1又称为反斯托克斯线。△υ通常称为拉曼频移，多用散射光波长的倒数表示，计算公式为 1 1 λλ ν- = ? 式中，λ和λ 分别为散射光和入射光的波长。△υ的单位为cm -1。瑞利散射线 的强度只有入射光强度的10-3，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的10-3 。 拉曼由于提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析；此外由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具；常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到，所以拉曼发展迅速。 三. 实验仪器和试剂 1. 显微共焦激光拉曼光谱仪 Renishaw inVia （英国雷尼绍公司） 2. 粉碎机、载玻片、盖玻片、胶头滴管 3. 测试样品 常规物质：CCl 4，CH 2Cl 2、硫酸钠、VC 等 自备样品：不同材料的小挂件

拉曼光谱技术及其广泛应用

拉曼光谱技术及其在广泛应用 摘要：本文简单介绍了拉曼光谱的原理，常用的拉曼光谱技术，拉曼光谱技术的特征、优越性以及近年来拉曼光谱分析技术在考古、医学、文物、宝石鉴定、林业和法庭科学等领域的最新进展。并对其未来的应用前景进行了展望。 引言：1928 年，印度科学家Raman 发现了拉曼散射效应，拉曼光谱最初用的光源是聚焦的日光，后来使用汞弧灯，由于它强度不太高和单色性差，限制了拉曼光谱的发展，直到使用激光作为激发光源的激光拉曼光谱仪问世以及傅立叶变换技术的出现，拉曼光谱检测灵敏度才大大增加，其应用范围也在不断地扩大。目前，拉曼光谱已广泛应用于考古、医学、文物、宝石鉴定、石油化工、林业和法庭科学等领域。 1 、拉曼光谱原理 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长的和短的成分, 统称为拉曼效应 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征

2 、常用的拉曼光谱技术常用的拉曼光谱技术主要有：显微共焦拉曼光谱技术、傅里叶变换拉曼光谱技术、共振增强拉曼光谱技术和表面增强拉曼光谱技术。 3、拉曼散射光谱具有以下明显的特征： a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关； b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。 c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 4、拉曼光谱技术的优越性 提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外 1、由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合

拉曼光谱技术与应用

2010年9月第17卷第27期 研究进展 中国当代医药CHINA MODERN MEDICINE 拉曼光谱是一种散射光谱[1]。拉曼光谱常采用激光作为单色光源，当一束频率为ν0的单色光照射到试样上会出现透射、吸收、散射3种情况。散射光中的大部分频率与入射光相同（ν=ν0），而一小部分频率发生偏移（ν=ν0±νν）。这种频率发生偏移的光的光谱就是拉曼光谱。一般讨论的拉曼散射是指斯托克斯散射（ν=ν0+νν），光谱中常常出现一些尖锐的峰，是试样中某些特定分子的特征。 1拉曼光谱技术 1.1常规拉曼光谱技术 1.1.1傅里叶变换拉曼光谱技术傅立叶变换拉曼光谱技术 使用傅立叶变换的干涉仪型光谱仪。来自试样的拉曼散射光通过干涉仪进入探测器，获得一干涉图，随后进行傅里叶变换得到拉曼光谱。此技术针对荧光强、颜色深的样品更适用。这种技术克服了荧光干扰，具有测量波段宽、热效应小、光谱频率精度高及灵敏度高等优点，且具有多通路的特点，能同时测定所有频率[2]。乔惠君等[3]介绍傅立叶变换近红外拉曼光谱技术是现代激光光谱技术中的一种，对其基础理论进行评价、综述。邓学良等[4]利用傅立叶变换红外光谱法，直接、快速地测定了不同参片样品。 1.1.2显微拉曼光谱技术显微拉曼光谱技术通常是指装备有显微镜系统的拉曼光谱仪。采用了低功率激光器，高转换效率的全息CCD 技术，具有检测灵敏度高、时间短、所需样品量小、样品无需制备等优点。柯惟中等[5] 采用显微激光拉曼谱仪对各类司法文件作了无损检测。证明此技术用于检测、鉴定司法文件是切实可行的，鉴定的结果可以为法庭提供科学依据。 1.1.3光声拉曼技术光声拉曼光谱术是通过光声方法来直 接探测样品中因相干拉曼过程而存储的能量的一种非线性光谱技术。邹文栋[6]运用准平衡模型以及热弹理论，对固体样品中光声拉曼效应进行理论分析，导出了脉冲激光泵浦下光声拉曼信号的解析表达式，并总结分析了固体中光声拉曼效应的一些原理。 1.1.4高温高压原位拉曼光谱技术高温高压原位拉曼光谱技术能揭示试样的微观结构及其在高温高压下的物理化学反应，光谱既能得到反应物和产物的结构信息，还可获取反应中间体及其变化过程的信息。贾茹等[7]在一套高温高压原 位拉曼散射测量系统中描述了一套利用激光加热技术等成功搭建起来的高温高压原位拉曼散射、布里渊散射的光学测量系统。 1.2增强拉曼光谱技术 增强拉曼光谱技术能够克服散射信号强度弱、检测灵敏度低，低浓度试样分析难以得到检测，尤其在微量和痕量分析时发生困难的弱点。增强拉曼光谱术分为两种： 1.2.1表面增强拉曼光谱技术表面增强拉曼散射是指在金属胶粒和粗糙金属(如银、金、铜等)表面作用下,试样的拉曼散射强度会增加104～106倍。刘鹏等[8]采用表面增强拉曼光谱 技术以对样本检测快速、灵敏、无破坏性等众多优点，在分析生化样本成分方面有着非常重要而广泛的应用。秦维等[9]采用机械粗糙、电化学氧化还原、化学刻蚀等方法对纯钛电极表面进行粗糙，在钛基底上获得了表面增强拉曼光谱信号。陈伟炜等[10]测试分析了白术煎剂及其在银胶中的拉曼光谱，并对其进行初步谱峰归属。可能为白术煎剂或其他中药煎剂提供一种准确、直接、快速的检测方法。 1.2.2共振增强拉曼光谱技术当激发光波长与分子的电子 跃迁波长相等时将发生共振拉曼散射。拉曼散射强度比常规拉曼散射要高出约104～106倍，可用于低浓度和微量试样的检测，特别适用于生物大分子试样检测。姜永恒等[11]测量了 CCl 4和CS 2分子的Raman 光谱。用Bertran 理论和群论等相 关理论对其光谱强度进行了分析，获得了发生费米共振分子的拉曼光谱强度的特殊规律。董晓慧等[12]采用共振拉曼光谱技术和量子化学计算研究了苯甲酰苯胺在甲醇和乙腈溶液中的短时光化学动力学行为。结果表明，苯甲酰苯胺的非平面反式结构为最稳定结构。 2拉曼光谱的应用方向 分析拉曼光谱的目标是探测试样元素、成分、分子取向、结晶状态以及应力和应变状态等信息。这些信息隐含在拉曼光谱各拉曼峰的峰高、宽度、面积、位置（频移）和形状中。分析内容通常有3部分：确定拉曼中含有欲测信息的那部分光谱；将有用的拉曼信号从光谱的其他部分（噪声）中分离出来；确立将拉曼信号与试样信息间相联系的数学关系（或化学计量关系）。 拉曼光谱具有定性分析并对相似物质进行区分的功能。由于拉曼光谱的峰强度与相应分子的浓度成正比，拉曼光谱也能用于定量分析，故拉曼光谱的分析方向有两种： 拉曼光谱技术与应用 杨芳 （湖南省常德市药检所，湖南常德 415000） [摘要]本文介绍了拉曼光谱的理论，综述了人们采用常规及其增强两种拉曼光谱分析技术应用于定性和定量研究 方向的应用进展，同时对其应用前景做出了展望。 [关键词]拉曼光谱；傅里叶变换拉曼光谱技术；表面增强拉曼光谱技术[中图分类号]R318.51[文献标识码]A [文章编号]1674-4721（2010）09（c ）-012－02 [作者简介]杨芳（1976-），女，民族：汉；毕业院校：成都中医药大学药学院；学历：大学本科；从事工作：药品检验；职称：主管药师。 12