拉曼光谱Raman全解析

拉曼光谱的工作原理

一、 基本原理

1. 拉曼散射效应
当一束单色激光（频率为 ν₀）照射到样品上时，大部分光子会发生弹性散射（频率不变），即瑞利散射。但有大约 1/10⁶ – 1/10⁹ 的光子会与分子发生非弹性碰撞，发生能量交换，这就是拉曼散射。
拉曼散射主要分为：
– 斯托克斯线：光子将能量传递给分子，散射光频率降低 (ν₀ – Δν)，对应于分子从基态被激发到振动激发态。这是拉曼光谱中最常用的信号。
– 反斯托克斯线：光子从分子获得能量，散射光频率升高 (ν₀ + Δν)，对应于分子从振动激发态回到基态。其强度通常低于斯托克斯线。

拉曼位移：散射光频率与入射光频率之差 Δν 称为拉曼位移（单位：cm⁻¹）。它的值与入射光频率无关，只由分子的振动能级决定，是表征分子特定化学键或基团的特征值。

2. 拉曼光谱图
一张拉曼光谱图是强度随拉曼位移变化的曲线。
– 横坐标：拉曼位移 (cm⁻¹)
– 纵坐标：散射光强度
– 谱峰：每一个峰对应一种特定的分子振动模式（如C-C键伸缩、O-H键弯曲等）。峰的位置是定性分析的基础，峰的强度可用于定量分析。

二、 拉曼光谱仪的组成

1.  激光光源：提供单色性好、功率稳定的激发光（常见波长：325nm, 455nm, 514nm, 532nm, 633nm, 785nm, 1064nm）。波长选择取决于样品，以避免荧光干扰。
2.  样品装置：根据样品形态（固体、液体、粉末）有不同的样品池和载物台。可搭配显微镜进行微区分析（
3.  光谱仪：核心部件，将散射光分光并探测。
    – 光栅：将不同频率的光色散开。
 – 探测器：通常是CCD探测器，将光信号转换为电信号。
4. 计算机系统：控制仪器、采集数据、进行谱图处理和数据库比对。

拉曼光谱的测试目的及应用

拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术，其信号来源与分子的振动和转动。

一、拉曼光谱的分析方向

1. 分子结构与化学信息
– 官能团识别：通过特征拉曼位移（波数，cm^-1）识别分子中的特定化学键（如C=O、C=C、C–H、S–S等）。
– 分子的对称性：拉曼散射对分子对称性敏感：对称振动模式（如中心对称分子的对称伸缩振动）易产生强拉曼峰，而非对称振动模式则拉曼峰较弱（或无峰）。
– 分子骨架与异构体区分：即使分子式相同的异构体（如顺反异构体、同分异构体），因分子骨架的空间构型不同，振动模式存在差异，拉曼峰的峰位、峰形会显著不同。

2. 化学组成与定量分析
– 化学组成：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。将未知样品的拉曼光谱与标准物质的拉曼光谱库对比，可快速确定样品的化学组成。
– 定量分析：在一定浓度范围内，拉曼峰的峰面积/峰高与样品中对应组分的浓度呈线性关系（朗伯-比尔定律的延伸），通过校准曲线可定量计算各成分的含量。根据物质对光谱的吸光度的特点，可以对物质的量有很好的分析能力。

3. 分析晶体结构与物相信息
– 晶格振动与物相识别：晶体的晶格振动（如原子在晶格中的伸缩、弯曲）会产生特定的“晶格拉曼峰”（通常波数^-1），不同晶相（即使是同一种元素/化合物）的晶格峰差异显著。
– 晶格缺陷及应力状态：晶体中的缺陷会破坏晶格的完整性，导致晶格振动频率偏移（峰位移动）或峰宽增加；此外，晶体受到外部应力时，晶格间距变化也会引起拉曼峰位偏移。通过分析峰的位置可分析晶格缺陷或所处的应力状态。

二、拉曼光谱在各个领域的应用

1.  材料科学：拉曼光谱在材料科学中用于材料表征和质量控制。它可以分析材料的均匀性、晶体质量以及相互作用。
 – 碳材料：完美区分石墨、石墨烯（层数）、碳纳米管、金刚石。
 – 高分子与聚合物：鉴别塑料种类、分析结晶度、取向度、应力分布。
 – 半导体：测量应力/应变、组分、结晶质量。

2.  化学与药学：主要用于结构鉴定和分子相互作用的研究。它能够提供分子键的振动信息，帮助识别特定的化学结构和官能团。
 – 反应监测：实时监控化学反应的进程和中间产物。
 – 药物分析：原料药和多晶型的鉴定、药物在载体中的分布（化学成像）。

3.  生命科学与医学：它可以用于细胞和组织的病理分析，通过分析拉曼光谱图像来区分正常与病变组织。此外，拉曼成像技术能够提供分子的化学成分和空间信息，帮助研究细胞的生物化学特性。 
 – 细胞生物学：无标记检测细胞内的蛋白质、核酸、脂质分布（拉曼光谱成像）。
 – 医学诊断：用于癌症的早期诊断（如皮肤癌、胃癌）、细菌鉴定、动脉粥样硬化斑块分析。

4. 环境监测与工业应用：
– 环境监测：能够快速检测水质、空气质量等环境样品的化学成分。
– 工业领域：拉曼光谱被用于食品安全检测、药物分析和珠宝鉴定等方面。它能够快速识别样品中的成分，确保产品的质量和安全性。

拉曼光谱与红外光谱

一、拉曼光谱的优势与局限性

1. 优势
①无损检测：通常不破坏样品，可用于珍贵样品。可无损无接触分析和鉴别各类天然和人工合成毒品。即便它们以液体混合，也能轻松分析和鉴别；可分析包埋在透明样品内部的异物和杂质。
②样品制备简单：无需复杂制样，可以实现检测过程对样品零损耗，可直接测量固体、液体、气体、凝胶。
③可含水测量：水是弱拉曼散射体，水峰对拉曼光谱的干扰小，非常适合测量水溶液中的样品。
④空间分辨率高：光谱范围可以覆盖6000cm^-1至50 cm^-1，能发现红外光谱不能轻易探索到的一些物质信息，比如无机矿物，氧化物，含碳材料，颜料等。与显微镜联用，可实现微米甚至纳米尺度的化学成分成像。
⑤可进行原位分析：可通过玻璃、石英窗口测量，适合高温、高压、电化学等原位实验。

2. 局限性
①荧光干扰：样品或杂质产生的强烈荧光会淹没微弱的拉曼信号。
②信号微弱：拉曼散射截面小，灵敏度相对较低。不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响。
③热效应：高功率激光可能烧毁对热敏感的样品（如某些有机物、生物材料）。
④定量分析挑战：强度易受实验条件影响，定量需谨慎校准。
⑤杂质影响：任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。
⑥分析：在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题。

二、拉曼 vs. 红外光谱

拉曼光谱和红外光谱是分子振动光谱的“两大支柱”，它们都能提供分子的指纹信息，但原理和应用上各有侧重，具有很强的互补性。许多振动模式是既具有红外活性又具有拉曼活性的，但强度不同。将两种技术结合使用，可以获取关于分子结构的更完整、更可靠的信息。在解析复杂未知物结构时，同时拿到拉曼和红外谱图进行对比分析，是非常强大的手段。

具体对比如下：

拉曼光谱数据分析

一、分析流程

1. 分析峰位：不同的分子/官能团对应的拉曼峰也不同，可以将拉曼峰的顶点对应的波数（峰的位置）与标准谱库或参考文献进行对比来确认样品成分；同时也可以根据峰位的偏移来分析样品的结构变化或环境影响。

2. 分析峰强：拉曼峰的高度（或峰面积）与分子的极化率变化、浓度、激光作用效率相关，可以通过分析拉曼峰的相对强度，判断样品的主要成分；同时在标准曲线校准下，峰面积与样品浓度呈线性关系（需满足“无荧光干扰、样品均匀”条件），可以通过峰强来反馈样品浓度。

3. 分析峰形：可以通过拉曼峰的宽度（半高宽FWHM）、对称性、分裂情况分析样品的结构有序性、缺陷程度或晶型。

4. 峰的相对强度对比（常用的辅助指标）：如通过分析ID/IG比值（D峰与G峰的强度比）来反馈碳材料的缺陷（如边缘缺陷、杂原子掺杂）情况。

二、具体分析步骤

1. 基线校准：基线校准是拉曼分析中的首要步骤，因为在测试过程中，拉曼光谱中会包含背景噪声和荧光干扰，这些干扰的存在会影响谱图的最终分析结果，因此必须通过基线校准对图谱进行处理。基线校准主要包括：线性基线校正、多项式拟合法和高斯基线校正处理等，需要根据实际情况选择核实的方法。
下面以多项式拟合法为例介绍一下基线拟合的主要步骤：
（1）首先选择光谱中不包含任何特征峰的几个基线点；
（2）接着通过多项式函数拟合这些基线点，得到一条拟合曲线；
（3）将原始光谱减去这条拟合曲线，即得到校正后的光谱。

2. 峰识别：在完成基线校准后，可以对谱图中的峰进行识别。常用的峰识别方式包括手动识别和自动化软件识别，通过峰识别可以确定光谱中特征峰的位置及强度。

3. 峰拟合：峰拟合是指将识别出来的特征峰进行数学模型拟合，从而获得更加精确的峰参数。常用的拟合模型有：高斯拟合、洛伦兹拟合和Viogt拟合等，不同拟合模型对应着不同的峰形。其中，高斯拟合一般适用于对称峰，洛伦兹拟合适用于非对称峰，而Viogt则适用于更加复杂的峰型。
下面为常见的峰拟合步骤：
（1）根据识别出的特征峰，估计峰的初始参数，如峰位、强度和宽度；
（2）选择合适的拟合算法，如最小二乘法或非线性拟合方法；
（3）通过迭代计算，优化峰的参数，使得拟合曲线与实际光谱的误差最小。

4. 峰归属：峰归属是将识别并拟合出的特征峰与具体的化学键或分子结构进行对应。通过峰归属，我们可以确定样品中的具体成分和结构信息。可以通过将拟合出的峰与参考文献或者拉曼数据库进行匹配进而确定峰的具体信息。

5. 定量分析：定量分析是通过拉曼光谱数据对样品中的成分进行量化。常用的定量分析方法包括标准曲线法和内标法等。标准曲线法通过测量一系列已知浓度的标准样品，绘制浓度与光谱强度的关系曲线，从而实现对未知样品的定量分析。内标法则通过加入已知浓度的内标物，利用内标物的光谱强度作为参照，对样品中的成分进行量化。

拉曼光谱样品准备方法

1. 块体样品：大体平整(起伏

2. 薄膜样品：膜厚建议≥30 nm。

3. 粉末样品：粉末量要求10mg以上，装在1.5ml塑料离心管中，请勿使用密封袋存放样品。

4. 液体样品：液体要求必须无毒无挥发性、无腐蚀性，需要2mL以上的体积量，浓度越高越好，有悬浮物最佳。

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