什么是拉曼光譜？
一、拉曼散射效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)
拉曼散射是一種散射光譜，它是基于印度物理學(xué)家C.V.拉曼在1928年首次發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)并命名的。1928年，印度物理學(xué)家C.V.拉曼發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光穿過透明介質(zhì)時(shí)，除了大部分光發(fā)生瑞利散射（彈性散射）外，還有一小部分光發(fā)生頻率變化的散射，即拉曼散射（非彈性散射）。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)具有重要意義。
二、拉曼光譜原理
拉曼光譜的原理基于拉曼散射效應(yīng)。當(dāng)入射光與物質(zhì)分子相互作用時(shí)，如果分子發(fā)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，入射光的能量會(huì)發(fā)生變化，并以散射光的形式輻射出來。這種散射光的頻率與入射光頻率不同，稱為拉曼散射。拉曼散射光的頻率變化與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)相關(guān)，因此通過分析拉曼光譜，可以獲得關(guān)于分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的信息。
當(dāng)光線照射到分子并且和分子中的電子云及分子鍵結(jié)產(chǎn)生相互作用，就會(huì)發(fā)生拉曼效應(yīng)。對(duì)于自發(fā)拉曼效應(yīng)，光子將分子從基態(tài)激發(fā)到一個(gè)虛擬的能量狀態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子放出一個(gè)光子后并返回到一個(gè)不同于基態(tài)的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)狀態(tài)。在基態(tài)與新狀態(tài)間的能量差會(huì)使得釋放光子的頻率與激發(fā)光線的波長(zhǎng)不同。
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如果最終振動(dòng)狀態(tài)的分子比初始狀態(tài)時(shí)能量高，所激發(fā)出來的光子頻率則較低，以確保系統(tǒng)的總能量守衡。這一個(gè)頻率的改變被名為Stokes shift。如果最終振動(dòng)狀態(tài)的分子比初始狀態(tài)時(shí)能量低，所激發(fā)出來的光子頻率則較高，這一個(gè)頻率的改變被名為Anti-Stokes shift。拉曼散射是由于能量透過光子和分子之間的相互作用而傳遞，就是一個(gè)非彈性散射的例子。
關(guān)于振動(dòng)的配位，分子極化電位的改變或稱電子云的改變量，是分子拉曼效應(yīng)必定的結(jié)果。極化率的變化量將決定拉曼散射強(qiáng)度。該模式頻率的改變是由樣品的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)狀態(tài)決定。
1.Rayleigh散射：彈性碰撞；無能量交換，僅改變方向；
2.Raman散射：非彈性碰撞；方向改變且有能量交換；
拉曼光譜原理的計(jì)算公式主要涉及到入射光頻率和散射光頻率之間的關(guān)系。當(dāng)一束光照射到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)中的分子會(huì)與該光發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射光。散射光中有一部分是拉曼散射光，其頻率與入射光頻率之間存在一定的差值，這個(gè)差值被稱為拉曼位移。
具體來說，拉曼光譜原理的計(jì)算公式可以表示為：
ω = ω0 ± ν
其中：
ω 表示散射光的頻率；
ω0 表示入射光的頻率；
ν 表示拉曼位移，即散射光與入射光之間的頻率差。
拉曼位移 ν 與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)直接相關(guān)，因此通過分析拉曼光譜中的拉曼位移，可以獲得關(guān)于分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的詳細(xì)信息。
三、拉曼光譜分析法
拉曼光譜分析法是一種通過測(cè)量和分析拉曼光譜來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的方法。這種方法無需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，可以直接對(duì)固體、液體、氣體等樣品進(jìn)行測(cè)量。通過比較不同樣品的拉曼光譜，可以確定分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式，進(jìn)而推斷出分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵信息，具體為一下幾種！
定性分析：不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進(jìn)行定性分析。
結(jié)構(gòu)分析：對(duì)光譜譜帶的分析,又是進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。
定量分析：根據(jù)物質(zhì)對(duì)光譜的吸光度的特點(diǎn),可以對(duì)物質(zhì)的量有很好的分析能力。
四、拉曼光譜特征
拉曼光譜具有一些獨(dú)特的特征，使得它在化學(xué)、物理、生物等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。首先，拉曼光譜可以提供分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的詳細(xì)信息，包括振動(dòng)頻率、振動(dòng)模式和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。其次，拉曼光譜對(duì)樣品的種類和狀態(tài)沒有嚴(yán)格的限制，可以適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)條件下的測(cè)量需求。此外，拉曼光譜還具有高分辨率和高靈敏度，能夠檢測(cè)到微弱的拉曼信號(hào)，還可以提供樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相和形態(tài)、結(jié)晶度及分子相互作用的詳細(xì)信息。
1. 對(duì)不同物質(zhì)拉曼位移不同；
2.對(duì)同一物質(zhì)Δν與入射光頻率無關(guān)；是表征分子振-轉(zhuǎn)能級(jí)的特征物理量；是定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)；
3.拉曼線對(duì)稱地發(fā)布在瑞利線兩側(cè)，長(zhǎng)波一側(cè)為斯托克斯線，短波一側(cè)為反斯托克斯線；
4.斯托克斯線強(qiáng)度比反斯托克斯線強(qiáng)；
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五、拉曼光譜儀
拉曼光譜儀是用于測(cè)量和分析拉曼光譜的專用儀器。它通常由光源、樣品室、單色器、探測(cè)器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。光源產(chǎn)生一束單色光照射到樣品上，樣品散射的光經(jīng)過單色器分離出不同頻率的光譜線，由探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。
六、拉曼光譜應(yīng)用
拉曼光譜在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在化學(xué)領(lǐng)域，它可以用于研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵類型，分析化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過程。在材料科學(xué)領(lǐng)域，拉曼光譜可用于表征材料的晶體結(jié)構(gòu)、相變過程以及缺陷和雜質(zhì)等。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，拉曼光譜可用于研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能，以及疾病的診斷和治療。此外，拉曼光譜還可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、文物保護(hù)等領(lǐng)域。
由拉曼光譜可以獲得有機(jī)化合物的各種結(jié)構(gòu)信息：
1 同種分子的非極性鍵S-S，C=C，N=N，C ≡C產(chǎn)生強(qiáng)拉曼譜帶， 隨單鍵到雙鍵再到三鍵譜帶強(qiáng)度增加。
2 紅外光譜中，由C ≡N，C=S，S-H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的譜帶一般較弱或強(qiáng)度可變，而在拉曼光譜中則是強(qiáng)譜帶。
3 環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(dòng)常常是最強(qiáng)的拉曼譜帶。
4.在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-這類鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)是強(qiáng)譜帶，反這類鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)是弱譜帶。紅外光譜與此相反。
5 C-C伸縮振動(dòng)在拉曼光譜中是強(qiáng)譜帶。
6 醇和烷烴的拉曼光譜是相似的：I. C-O鍵與C-C鍵的力常數(shù)或鍵的強(qiáng)度沒有很大差別。II. 羥基和甲基的質(zhì)量?jī)H相差2單位。 III.與C-H和N-H譜帶比較，O-H拉曼譜帶較弱。
七、拉曼光譜儀的優(yōu)缺點(diǎn)
拉曼光譜儀的優(yōu)點(diǎn)主要包括非破壞性測(cè)量、樣品適應(yīng)性強(qiáng)、高分辨率和高靈敏度等。它可以對(duì)多種類型的樣品進(jìn)行直接測(cè)量，無需復(fù)雜的預(yù)處理過程。然而，拉曼光譜儀也存在一些缺點(diǎn)，如拉曼散射面積；不同振動(dòng)峰重疊和拉曼散射強(qiáng)度容易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響、熒光現(xiàn)象對(duì)傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾；在進(jìn)行傅立葉變換光譜分析時(shí)；常出現(xiàn)曲線的非線性的問題；任何一物質(zhì)的引入都會(huì)對(duì)被測(cè)體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會(huì)對(duì)分析的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于某些樣品可能信號(hào)較弱，需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間；同時(shí)，儀器價(jià)格較高，維護(hù)成本也相對(duì)較高。
八、影響拉曼光譜的因素
影響拉曼光譜的因素主要包括樣品的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)條件以及儀器參數(shù)等。樣品的性質(zhì)如化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、分子間相互作用等都會(huì)影響拉曼光譜的特征。實(shí)驗(yàn)條件如溫度、壓力、氣氛等也會(huì)對(duì)拉曼光譜產(chǎn)生影響。此外，儀器參數(shù)如光源的波長(zhǎng)和功率、探測(cè)器的靈敏度等也會(huì)影響拉曼光譜的質(zhì)量和分辨率。
綜上所述，拉曼光譜是一種重要的分析工具，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過深入了解拉曼散射效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)、拉曼光譜原理、分析方法、特征、儀器、應(yīng)用以及影響因素等方面，可以更好地利用拉曼光譜技術(shù)服務(wù)于科研和實(shí)際應(yīng)用。
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