激光拉曼光譜儀的原(yuán)理你了解嗎?
發布時間:2019-01-09 10:00:23 來源:濟南科(kē)盛試驗設備有限公司 瀏覽:次
激光拉(lā)曼光譜儀(yí)是一(yī)個集合了激光光譜學、精密機械和(hé)微電子係(xì)統的綜合測量體係。其終結果(guǒ)是(shì)獲得(dé)散(sàn)射介質在(zài)一定方向上(shàng)具有一(yī)定偏振態(tài)的散射光強隨頻(pín)率分(fèn)布(bù)的譜圖。應用主要是對各種固態、液態、氣態(tài)物質(zhì)的分子組成、結構及相對含量等進行分析,實現對物質的鑒別與定性。要想在操作時不出現差錯,操作(zuò)者在操作之前應(yīng)該要了解一下激光拉曼光譜儀基本(běn)的知識(shí),激光拉曼光譜儀的原理你了解(jiě)嗎?
1、激光拉曼光譜儀基本原(yuán)理(lǐ)
當一束(shù)頻率(lǜ)為(wéi)v0的單色光照射到樣品上(shàng)後,分子可以使入射光(guāng)發生散射。大部分光隻是(shì)改變方向發生散射,而(ér)光的(de)頻率仍與激發光的頻率相同,這(zhè)種散射稱為(wéi)瑞利散射;約占總散射光強度的 10-6~10-10的散射,不(bú)僅改變(biàn)了光的傳播方向,而且散射光的頻率也改變了,不(bú)同於激發光的頻率,稱為拉曼(màn)散射。拉曼散射中頻率減少的稱為斯托克斯散射,頻率增加的散射稱為反斯(sī)托克(kè)斯散射,斯托克(kè)斯散射通(tōng)常要比反斯托克(kè)斯散射強得多,拉曼光譜儀通常測定的大多是斯托克斯散射,也統稱為拉曼散射。
散(sàn)射光與入射光之間的頻率差v稱為拉(lā)曼位(wèi)移,拉曼位移與入(rù)射光頻率(lǜ)無關,它隻與散射分子本身的結構有關(guān)。拉曼散射是由於分子極化率的改變而產生的。拉曼位移取決於分子振動(dòng)能及的變(biàn)化,不(bú)同化學鍵或基團有特征的分子振動,ΔE反映了指定能級的變化,因此與之對應的拉曼位移也是特征的。這是(shì)拉(lā)曼光譜可(kě)以作為分子結構定性分析的依據。
二、激光拉曼光譜儀應用
拉曼光譜技術以其信(xìn)息豐(fēng)富,製(zhì)樣簡單(dān),水的幹擾小等獨(dú)特的優點,在化學、材料、物理、高(gāo)分子、生物、醫(yī)藥、地質等領域有廣泛的應用。
1、拉(lā)曼光譜在化(huà)學研究(jiū)中的應用
拉曼光(guāng)譜在有機化學方麵主要是用(yòng)作結構鑒定和分子相互作用(yòng)的手段,它(tā)與紅外光譜互為補充,可以鑒別特殊的結構特征或(huò)特征基團(tuán)。拉曼位(wèi)移的大小、強度及拉曼峰形(xíng)狀是鑒定化(huà)學鍵、官(guān)能團的重要依據。利用偏振特性,拉曼光譜還可以作為(wéi)分子異構體判斷的依據。在無機化合物(wù)中金屬離(lí)子和(hé)配位體(tǐ)間的共價鍵常具有拉曼活性,由(yóu)此拉曼光譜可(kě)提供有關配位化合物的組成、結(jié)構(gòu)和穩定(dìng)性(xìng)等信息(xī)。另外,許多無機化合物具有多種晶型(xíng)結構,它們具有不同的拉曼活性,因此用拉曼光譜(pǔ)能測定和鑒別紅外光(guāng)譜(pǔ)無法完成的無機(jī)化合物(wù)的晶型結構。
在催化化學中,拉曼光譜能夠提供催化劑本(běn)身以及表麵上物種的(de)結(jié)構信息(xī),還可以對催化劑製備過程(chéng)進行實時研究。同時,激光拉曼光譜是研究電極/溶液界麵的(de)結構和性能的重(chóng)要方(fāng)法,能夠在分子水平上深入研究電化(huà)學界麵(miàn)結構(gòu)、吸附和反應等(děng)基礎問題並應用(yòng)於電催化(huà)、腐蝕和電(diàn)鍍等領域。
2、拉(lā)曼光譜在高分子材料中的應用
拉曼(màn)光譜可提(tí)供聚合物材料結構方麵的(de)許多重要信息(xī)。如分子結構與組成、立體規整性、結晶與去向、分子相互作用,以(yǐ)及表麵和界麵的結構等。從(cóng)拉曼峰的寬度可以表征高分子材料的立體化學純度。如無規立場試樣或頭-頭,頭-尾結構混雜的樣品,拉曼峰是弱而寬,而高度有序樣品具有強而尖銳的拉曼峰。研究內容包括:
(1)化學結構和立構(gòu)性判斷:高分子中的C=C、C-C、S-S、C-S、N-N等骨架(jià)對拉曼光譜非常敏感,常用(yòng)來研究高分子(zǐ)的化學組份和結構(gòu)。
(2)組(zǔ)分定量分(fèn)析:拉曼散射強度與高分子的濃(nóng)度成線性關(guān)係(xì),給高分子組分含(hán)量分析帶來(lái)方便。
(3)晶相(xiàng)與無定形(xíng)相的表征以及聚合(hé)物結晶過程和(hé)結晶度的監測。
(4)動力學過程研究:伴隨高分子反應(yīng)的動(dòng)力學過程如聚合(hé)、裂解、水解和結晶等。相應的拉曼光譜某(mǒu)些(xiē)特征譜帶會有強度的改變。
(5)高分子取向研究:高分(fèn)子鏈的各向異性(xìng)必然帶來對光(guāng)散射的各向異性,測量分子的拉曼帶退偏比可以得到分子構型或(huò)構象等方麵的重要信息。
(6)聚合(hé)物共(gòng)混物的相容(róng)性以及(jí)分子相互作用研究。
(7)複合材料應力鬆弛和(hé)應變過程的監測。
(8)聚合反應過程和(hé)聚(jù)合物固化過程監控。
3、激光拉曼光譜儀在材(cái)料科學研究中的應(yīng)用
拉曼(màn)光譜在材料(liào)科學中是物質(zhì)結構研究的有力工具,在相組成界麵、晶界等課題中可以做很多工作。包括:
(1)薄膜結構材料拉曼研究(jiū):拉曼光譜已成CVD(化學氣相沉積法)製備薄膜的檢測和鑒(jiàn)定手段。拉(lā)曼可以研究單、多、微和非晶(jīng)矽結構以及硼化(huà)非晶矽、氫化非晶矽、金剛石、類金剛石等層狀薄膜的結構。
(2)超晶格材料研究:可通過測量超晶格中的應變層(céng)的拉曼頻移計算出(chū)應變層的應力,根據拉曼峰的對稱性,知道晶格的完整(zhěng)性。
(3)半導體材料(liào)研究:拉曼光譜可測出經離(lí)子注入後的半導體損傷分布,可測出半磁半導體的組分,外延層的質量,外(wài)延層混品(pǐn)的組分載流子(zǐ)濃度。
(4)耐高溫材料的相結構拉曼研究。
(5)全碳分子的(de)拉曼研究。
(6)納米材料的量子尺寸效應研究。
4、拉曼光(guāng)譜在生物學研究中的應用
拉曼光譜是研究生物大分子的有力手(shǒu)段,由於水的拉曼光譜很(hěn)弱、譜圖又很簡單,故拉曼光譜可(kě)以在接(jiē)近自然狀態、活性狀態下來研究生物大分子的(de)結構及其變化。
生物大分子(zǐ)的拉曼光譜可以同時得(dé)到(dào)許多寶貴的信息:
(1)蛋白質二級結構:α-螺旋、β-折(shé)疊、無規卷曲及(jí)β-回轉
(2)蛋白質主鏈(liàn)構像:酰胺Ⅰ、Ⅲ,C-C、C-N伸縮振動
(3)蛋白質側鏈(liàn)構像:苯丙氨酸、酪氨(ān)酸、色氨酸的側鏈和後二(èr)者(zhě)的構像及存(cún)在(zài)形式隨其(qí)微環境的變化(huà)
(4)對構像(xiàng)變化敏感的羧基、巰基、S-S、C-S構像變化(huà)
(5)生物膜的(de)脂肪(fáng)酸碳氫鏈旋轉異構(gòu)現象。
(6)DNA分子結構以及和(hé)DNA與其他分子間(jiān)的作用。
(7)研究脂類和生物膜的相互作用、結(jié)構、組分等。
(8)對生物膜中蛋白質(zhì)與脂質相互作用提(tí)供重要信息。
5、拉曼光(guāng)譜在中草藥研究中的應用
各種中草藥因所含化學成分的不同而反映出拉曼光譜的差異,拉曼光譜在中草(cǎo)藥研究中的應用包括:
(1)中草藥化學成分分析
高效(xiào)薄層(céng)色(sè)譜(TLC)能對中草藥進行(háng)有效分離但無法獲得(dé)各組份化合物的結構信息(xī),而表麵增強拉曼光譜(SERS)具有峰形(xíng)窄、靈敏(mǐn)度高、選擇性好的優點,可對中草(cǎo)藥化學(xué)成分進行高靈敏度(dù)的檢測。利用TLC的分離技術和SERS的指紋性鑒定結合,是一種在TLC原位分析中草藥成分的(de)新方法。
(2)中草藥的無損鑒(jiàn)別
由於拉曼光譜分析,無需破壞(huài)樣品,因此能對中草藥樣品進行無損鑒別,這對名貴中中草藥的研究特別重要。
(3)中草藥的穩定性研究
利用拉曼光(guāng)譜動態跟蹤中草藥的變質過程,這對中草藥的(de)穩定性預測、監控藥材的質量具有直接的指導作用。
(4)中藥(yào)的優化
對於中草藥及中(zhōng)成藥(yào)和複方(fāng)這一(yī)複雜的混合物(wù)體係,不(bú)需任何(hé)成(chéng)分分離提取直接與細菌和細(xì)胞作用,利用拉(lā)曼光譜無損采(cǎi)集細菌和(hé)細胞的光譜圖,觀察細菌和細胞的損傷程度,研究其藥理作用,並進行中(zhōng)藥材、中成藥和(hé)方劑的優化研究。
6、拉曼光譜技術在(zài)寶(bǎo)石研(yán)究中的應用
拉曼光譜技術已被成功地應用於(yú)寶石學研究和寶石(shí)鑒(jiàn)定領域。拉曼(màn)光譜技術可以準確地鑒定寶石(shí)內(nèi)部(bù)的包裹體,提供寶石的(de)成因及產地信息,並且可以有效、快速、無損和(hé)準確地鑒定寶石的類別(bié)--天然(rán)寶石、人工(gōng)合成寶石和(hé)優化處理寶石。
(1)拉曼光譜在寶石包(bāo)裹體研究中的應用
拉曼光譜可以用於寶石包裹體化學(xué)成分的定性、定量檢測,利用拉曼光譜技(jì)術研究礦物內的包裹(guǒ)體特征,可以獲得有關寶石礦物的成因及產地的信息。
(2)拉曼光譜在(zài)寶石鑒(jiàn)定中的應用
拉曼光譜測試的微區可(kě)達1-2um,在寶(bǎo)石鑒定中具有明顯的優勢,能夠探測寶石極其微小的雜質、顯微內(nèi)含(hán)物和人工摻雜物(wù),且能滿足(zú)寶石鑒定所必須的無損、快速的(de)要求。
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