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行业知识

什么是拉曼光谱?

作者: 发布时间:2019-12-21 23:20:29点击:18

什么是拉曼光谱?

拉曼光谱是一种分子光谱技术,利用光与物质之间的相互作用深入了解材料的构成或特性,例如:FTIR。 拉曼光谱提供的信息源自于光散射过程,而红外光谱则依靠的是光吸收。 拉曼光谱可提供关于分子内和分子间振动的信息, 并且可增强对反应的了解。 拉曼与FTIR光谱均可提供体现分子特定振动特点的光谱(分子指纹),对于识别物质很重要。 但是,拉曼光谱可提供关于体现晶格与分子主链结构的较低频率模式与振动的更多信息。 

拉曼光谱原理

当光与气体、液体或固体中的分子相互作用时,绝大多数光子会以与入射相同的能量被分散或散射。 这称为弹性散射或瑞利散射。 在这些光子中,少量光子(约为千万分之一)将以不同于入射光子的频率散射。 这一过程称为非弹性散射或拉曼效应,它以 发现这种现象,并且因此获得1930年物理学诺贝尔奖的Sir C.V. Raman命名。 自那时起,从医学诊断,到材料科学与反应分析,拉曼被广泛用于多种应用。 拉曼可使用户收集分子的振动特征、组合方式以及与周围其他分子相互作用的方式。

拉曼光谱.png 

拉曼散射过程

量子力学对拉曼散射过程的描述是:当光子与分子相互作用时,分子可能迁跃至更高能量的虚能态。 这种高能态可能引发若干不同的后果。 一种后果将是:分子驰豫至不同于其初始状态的振动能级,并产生不同能量的光子。 入射光子的能量与散射光子的能量之间差异称作拉曼位移。

当散射光子的能量变化小于入射光子时,则散射称作斯托克斯散射。 一些分子一开始可能处于振动激发态,当它们迁跃至更高虚能态时,可能会驰豫至能量低于初始激发态的最终能态。 这种散射称作反斯托克斯。 

拉曼光谱基本原理

拉曼光谱的工作原理?

与分析偶极矩变化情况的FTIR光谱不同,拉曼分析的是分子键极化性的变化情况。 光与分子的相互作用会导致电子云形变。 这种形变称作极化度变化。 分子键具有特定的能量迁跃,在此期间极化度会发生变化,从而产生拉曼活性。  例如,含有同核原子之间键(例如:碳-碳、硫-硫与氮-氮键)的分子会在光子与其相互作用时,造成极化性发生变化。 这些是产生拉曼活性光谱带的化学键示例,然而在FTIR中不能或者很难看到这些。

由于拉曼效应本身比较弱,因此必须对拉曼光谱仪的光学组件进行良好匹配与优化。 此外,由于在使用较短波长辐射时有机分子更容易发出荧光,因此通常使用较长波长单色激发源,例如:产生785 nm光的固态激光二极管。  

拉曼光谱的主要应用

拉曼光谱在行业中用于多种用途,例如:

· 结晶 过程

· 多晶型物识别

· 聚合反应

· 氢化反应

· 化学合成

· 生物催化与酶催化

· 流动化学

· 生物过程监测

· 合成反应

 

拉曼或FTIR光谱

比较

尽管拉曼与FTIR光谱提供互补信息,并且通常可互换,但是有些实际的差异会影响到选择哪种方法更适合某个实验需求。 大多数分子的对称性可以同时具备拉曼与红外活性。 如果分子中含有一个对称中心,则属于一种特殊情况。 在包含一个对称中心的分子中,拉曼光谱带与红外光谱带相互排斥,即:化学键要么具有拉曼活性,要么具有红外活性,但是不会两者兼具。 一个通用规则是:偶极变化大的官能团在红外方面强,而偶极变化弱或者对称度高的官能团将更容易在拉曼光谱中被发现。

在下列情况下选择拉曼光谱:

· 重点研究脂肪族和芳香族环中的碳键

· FTIR中难以发现的键(即:0-0S-HC=SN=NC=C等)

· 研究溶液中的颗粒很重要,例如:多晶型物

· 较低频率模式很重要(例如:无机氧化物) 

· 研究水介质中的反应

· 仅能通过反应窗才能更容易且更安全的进行观察的反应(例如:高压催化反应、聚合)

· 对研究较低频率晶格模式感兴趣

· 研究双相与胶体反应的开始、终点与产物稳定性

在下列情况下选择FTIR光谱:

· 研究液相反应

· 反应物、试剂、溶剂与反应物种发出荧光的反应

· 偶极变化强的键很重要(例如:C=OO-HN=O

· 试剂与反应物浓度低的反应

· 溶剂光谱带在拉曼中强并且可覆盖关键组分信号的反应

· 形成的中间体具有红外活性的反应

 

拉曼光谱仪

 

现代化紧凑型拉曼光谱仪由多个基本组件构成,其中包括一台用作诱发拉曼散射的激发源的激光器。 固态激光器通常在现代化拉曼光谱仪中使用,常见波长为532 nm785 nm830 nm1064 nm。 较短波长激光器具有较高的拉曼散射横截面,因此产生的信号较强,不过当波长较短时,荧光的影响也会增加。 因此,许多拉曼系统采用785 nm激光器。 使用光纤电缆向样品传送和从样品采集激光能量。 陷波滤波器或边带滤波器用于消除瑞利和反斯托克斯散射,剩余的斯托克斯散射光被传递至色散元件(通常为全息光栅)。 CCD探测器捕光,从而生成拉曼光谱。 由于拉曼散射信号较弱,因此在拉曼光谱仪中使用高质量、光学完美匹配的组件极为重要。 

窗体顶端

窗体底端


拉曼光谱分析软件

当在实验过程中不断采集光谱时,它可以展示一个分子视频,其中提供关于反应期间动力学、机理与形态变化的关键信息。 以往,这种分析一直由光谱学家进行,他们利用专业知识寻找重点关注领域,不断对这些波数进行趋势分析。 但是,随着软件技术的进步实现了这种专业技能的自动化,不论是专家还是非专家,均可轻松和快速提取重要信息,以便于快速和自信地作出决定。


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