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关于拉曼光谱你应该知道的

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实验与分析


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什么是拉曼光谱?


拉曼光谱是一种无损的分析技术,它是基于光和材料内化学键的相互作用而产生的。拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度以及分子相互作用的详细信息。


拉曼是一种光散射技术。激光光源的高强度入射光被分子散射时,大多数散射光与入射激光具有相同的波长(颜色),不能提供有用的信息,这种散射称为瑞利散射。然而,还有极小一部分(大约1/109)散射光的波长(颜色)与入射光不同,其波长的改变由测试样品(所谓散射物质)的化学结构所决定,这部分散射光称为拉曼散射。


一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成,每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动,其中既包括单一的化学键,例如C-C, C=C, N-O, C-H等,也包括由数个化学键组成的基团的振动,例如苯环的呼吸振动,多聚物长链的振动以及晶格振动等。


拉曼光谱能提供什么信息?

拉曼光谱对于分子键合以及样品的结构非常敏感,因而每种分子或样品都会有其特有的光谱“指纹”。这些“指纹”可以用来进行化学鉴别、形态与相、内压力/应力以及组成成份等方面的研究和分析。


拉曼光谱能够探测材料的化学结构,它提供的信息包括:

  • 化学结构和化学鉴别;

  • 相和形态;

  • 应力;

  • 污染物和杂质;

一般而言,拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹,能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱,通过快速搜索,找到与被分析物质相匹配的光谱数据,即可鉴别被分析物质。


如图所示分别是甲醇(methanol)和乙醇(ethanol)的拉曼光谱,二者有着显著的区别,可以用于区分这两种液体物质。


当与拉曼成像系统相结合时,可以基于样品的多条拉曼光谱来生成拉曼成像。这些成像可以用于展示不同化学成分、相与形态以及结晶度的分布。


如图所示是一粒药片的拉曼光谱成像,由图中可以看出阿司匹林(红色)、咖啡因(绿色)和扑热息痛(蓝色)成分在药片中的分布情况。


拉曼光谱能够用于分析什么样的样品?

拉曼光谱可以用来分析很多不同类型的样品,通常包括以下种类:

  • 固体、粉末、液体、胶体、软膏、气体;

  • 无机材料、有机材料、生物材料;

  • 纯物质、混和物、溶液;

一般来说,拉曼不适合分析以下样品:

  • 金属及其合金。


目前拉曼光谱应用的典型例子包括:

  • 艺术品和考古——颜料、陶瓷以及宝石的表征与鉴定;

  • 碳材料——碳纳米管的结构与纯度、缺陷/无序度表征;

  • 化学——结构、纯度、反应监控;

  • 地质学——矿物鉴别和分布、包裹体、相变;

  • 生命科学——单个细胞或组织表征,药物、疾病诊断;

  • 药学——药物成分均匀性和组分分布;

  • 半导体——纯度、掺入成分、应力。


Q&A

一、请教哪些样品容易测得拉曼信号?

1. 拉曼光谱的信号非常微弱,大致是瑞利散射的10e-61 ~1 0e-8的级别,普通的设计取得拉曼信号非常困难,所以需要加上较好的陷波滤波片尽量的消减瑞利散射。这样,拉曼信号依然和背景大致相当,甚至更低,还需要考虑光谱仪本身的杂散光阻挡能力,使用何种探测器,样本是否有荧光干扰等等。

2. 最好先确定实验要求:

1)需要自建组合系统

2)使用商业成套设备,可以根据实验要求选择设备等。

3. 用准直透镜收集光本身不会增加光通量,反而会降低光通量。因为准直透镜主要是收集平行光并将其耦合入光纤,其数值孔径反而没有光纤大,当光从四周散射过来时,光纤反而能收集到更大角度上的光。因此不推荐采用准直透镜来收集光。另外如果做拉曼建议还是采用专用的光纤拉曼探头。


二、最近学习拉曼光谱有一点不明白,拉曼光谱采用的是激光,不是单波长光吗,那谱图上怎么会有波长选择范围的呢?

激发光源用单色光-激光,激发出的拉曼信号可能分布在一个很宽的范围内,会同时激发出不同波长的拉曼信号。

1.激发光用的是单色的激光,如常用的488.0nm 514.5nm 785nm 1064nm,正因为激光的单色性好、准直性好、强度强等特点才用它;

2.由于不同的基团与激发光作用后产生不同的拉曼位移,这么频移有个范围,即一般拉曼信号在4000~200cm-1范围内;

3.使用不同的激发光源对于同一个基团而言,产生的拉曼位移位置不会变,只是强度不同而已。激发光源及其功率大小的选择要考虑:是否会损伤(烧掉、降解)样品;能否得到拉曼信号,也就是拉曼信号强弱问题。如RRS就是从选择激发光源来增强拉曼信号的;另外还要避免荧光的干扰,可以用FT-Raman或使用Scissors(SSRS技术)。


三、用激光粒度仪做固体样品时,应该怎样制备样品?

1. 为使颗粒处于单体状态,在进行粒度测试前要对样品进行分散处理。分散的方法有润湿、搅拌、超声波振动、分散剂等,有时这些方法可同时使用。

2. 我们现在是用的磁力搅拌加分散剂的方法。发现测大颗粒的时候搅拌时间过长会影响粒径的大小,测出的结果偏小。

3. 干样如果采用湿法分散测量粒度的话需要将样品放入装有溶剂(一般是水)的分散池中通过搅拌、超声等方式分散。而干样如果采用干法分散测量粒度的话可通过干法分散系统直接测量。


四、激光拉曼光谱仪应该可以实现快速的定量分析,但经过前段时间一些咨询,使我对其是否可进行快速分析颇存疑问,尤其是气体分析。请问,一般来说分析一次样品(气体或固体)的时间是多长。

1. 分析速度取决于仪器的灵敏度和样品本身。通常分析一个样品,强信号几秒钟即可,若信号较弱,则需几分钟。

2. 做定量分析,仪器本身所需的时间很短,秒级。

3. 我用拉曼光谱测过白酒,但是光谱的重现性很差,而且检测限不是很好。采样软件上有自带的基线扣除功能。对于一个样品,如果我要测定三次。如果每次都扫描了本底,然后测光谱,那么三条光谱的重现性就比较差,如果说只测定一次本底,然后扫描三次样品,那么样品的重现性就比较好。总体做下来,拉曼的定量效果肯定是不如近红外,但是拉曼光谱到底能否应用于定量,有待进一步验证,我做的是低档的白酒,几乎都是勾对的,所以定量的时候预测的效果还可以,采用原始光谱预测标准差可达到86%。不知换了其他样品的效果如何,有待进一步研究。


五、我是搞量化的,想通过拉曼来验证我计算的准确性。问了很多人:拉曼和红外的区别,他们大概的意思就是这2者之间的原理一样,只是波长不一样。请教高手,是这样么?

1.这两者都是振动光谱,从这一点上面来说,原理是一样的。但是红外是吸收光谱,而拉曼是散射光谱。

2.至于波长,拉曼采用的是激光作为激发源,波长范围可以从紫外-可见-红外都可以,最常见的是可见光和NIR的。而红外只能选择红外光作为光源,包括从远红外到近红外,平时最常用的是中红外,100000px-1到10000px-1。

3.从选择法则上面来说,也就是什么样的振动是红外活性的,什么样的振动是拉曼活性的,也是不一样的。红外活性(也就是可以被红外检测到的振动)必须是分子偶极矩发生变化,而拉曼活性的振动必须是有分子的极化性发生改变才能被检测到。

4. 从信号强度来说,拉曼的信号很弱,通常10的6次方-8次方才有一个拉曼散射的光子。而相对来说,红外的信号要强!所以在实际应用中,红外更广泛一些!

5. 两者的光谱可以作为互补来确定分子的结构。



(文章来源:本文由实验与分析整理 转载请注明出处)



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