093858 张亚辉
一.实验目的
1、了解拉曼光谱的基本原理，掌握显微共焦激光拉曼光谱仪的使用方法。
2、测量一些常规物质和复杂样品的拉曼光谱。
二.实验原理
当用波长比试样粒径小得多的频率为υ的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。散射光中除了存在入射光频率υ外，还观察到频率为υ±△υ的新成分，这种频率发生改变的现象就被称为拉曼效应。υ即为瑞利散射，频率υ+△υ称为拉曼散射的斯托克斯线，频率为υ-△υ的称为反斯托克斯线。△υ通常称为拉曼频移，多用散射光波长的倒数表示，计算公式为
式中，λ和λ0分别为散射光和入射光的波长。△υ的单位为cm-1。
由于拉曼谱线的数目、频移、强度直接与分子振动或转动能级有关。因此，研究拉曼光谱可以提供物质结构的有关信息。自从激光问世以来，拉曼光谱的研究取得了长足进展，已广泛应用于物理、化学、生物以及生命科学等研究领域。
CCD检测器
光栅
狭缝
双瑞利滤光片
显微镜
样品
扩束器
激光
图1显微共焦激光拉曼光谱仪结构
三、实验仪器和试剂
1. 显微共焦激光拉曼光谱仪 Renishaw inVia（英国雷尼绍公司）
Renishaw显微共焦激光拉曼光谱仪原理：
本系所用的是英国雷尼绍显微共聚焦激光拉曼光谱仪（图2），它具有诸多优势如：高稳定性、高重复性高重复光谱，重复性：≦±0.2波数；激光阻挡水平高 (杂散光抑制水平高)；高灵敏度 (贯穿于整个仪器设计中)：各激发光波长配以各自的引入光学元件（反射镜等）, 使到达样品的激光功率最大。透射式光谱仪设计，以避免散焦缺陷。并对各激发光波段配以相应的透镜, 使每激光谱段分别都达到最佳透过效率,获得最高的通光效率。
2. 粉碎机、载玻片、盖玻片、胶头滴管
3. 测试样品
常规物质：CCl4，KNO3
复杂样品：不同淀粉类作物
自备样品：不同材料的小挂件
四.实验步骤
1. 打开主机和计算机电源，同时打开激光器后面的总电源开关，将仪器预热20分钟左右。
2. 自检.
静态取谱（Static），中心520 Raman Shift cm-1, Advanced -> Pinhole 设为 in。使用硅片，用50 倍物镜，1 秒曝光时间，100%激光功率取谱。使用曲线拟合（Curve fit）命令检查峰位，检验仪器状态。
3．样品拉曼光谱的测定
将样品放置在载玻片上,盖上盖玻片，置于显微镜的载物台上，调节显微镜载物台的高度使得显微镜能够清晰地观察到样品表面（上2，下1）。选择Measurement->New->Spectral acquisition进行实验条件设置，再将白光照明光路切换到激光照明光路（上1，下2），即选择激光照射，选择Measurement->Run运行实验，等待实验运行，直到窗口中出现红色的光谱曲线，采集光谱结束，保存扫描结果。
五．数据处理
用仪器自带软件WiRE2.0或Excel绘制拉曼光谱。纵坐标是散射强度，可用任何单位表示，横坐标是拉曼位移，通常用相对于瑞利线的位移表示其数值，单位为波数cm-1。
1.CCl4的拉曼光谱图
1）CCl4的标准拉曼光谱图
2）实验测得的CCl4的拉曼光谱图
3）上图0—500cm-1处的拉曼光谱图
从上图可看出，，正的218，,314,460cm-1处得到反斯托克斯线，与CCl4的标准拉曼光谱图在218，314，459cm-1处得到反斯托克斯线相近，可判断所测的标样为四氯化碳溶液。
2.KNO3的拉曼光谱图
3.大米的拉曼光谱图
4.乌玉的拉曼光谱图
. 上图0—1200 cm-1的拉曼光谱图
5.白玉的拉曼光谱图
上图0—1200 cm-1的拉曼光谱图
6.玉石的拉曼光谱图
上图0—1200 cm-1的拉曼光谱图
比较乌玉、白玉与玉石的拉曼光谱图，他们的特征峰相同，故可判断三者为同一物质。
7.玛瑙的拉曼光谱图
8.翡翠的拉曼光谱图
1）翡翠的标准拉曼光谱图
2）实验测得翡翠的拉曼光谱图
3）上图0—1400 cm-1的拉曼光谱图
该图呈现的特征峰与翡翠的标准拉曼光谱图呈现的特征峰相近故可判断此为真翡翠。
六、讨论与思考：
1. 比较红外光谱与拉曼光谱的异同。
红外光谱与拉曼光谱同属分子振动光谱。红外光谱是分子对红外光的吸收，强度由分子偶极矩决定；拉曼光谱是分子对激光的散射，强度由分子极化率决定。
对有对称中心的分子，其分子振动对红外和拉曼之一有活性；而无对称中心的分子，其分子振动对红外和拉曼都有活性。
拉曼光谱范围40-4000 cm-1，水可作为溶剂，样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器中直接测定，固体样品可直接测定；红外光谱范围400-4000 cm-1，水不能作为溶剂，不能用玻璃容器测定，固体必要时要研磨压片。
每一种分子都有其特征的拉曼光谱，拉曼效应存在于一切分子中：气体、固体、或液体；每一分子的拉曼频率位移与入射光频率无关；拉曼谱线一般较窄、并成对出现斯托克斯线与反斯托克斯线。
拉曼散射光谱对于样品制备没有特殊要求;对于样品数量要求比较少,可以是毫克甚至微克的数量级拉曼散射最突出的优点是采用光子探针,对于样品是无损伤探测,尤其适合对那些稀有或珍贵的样品进行分析,甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物质。拉曼光谱的缺点之一是会产生荧光干扰,样品一旦产生荧光,拉曼光谱会被荧光所湮灭检测不到样品的拉曼信号。二是检测灵敏度低。
2. 一般的拉曼散射有斯托克斯线和反斯托克斯线两种，为什么实验中记录的拉曼光谱常取斯托克斯线？
按照统计分布率，分子数再热平衡下按能量的分布为玻耳兹曼分布。布局在较高能级上的分子数要少于较低能级上的，使得频率增加的散射谱线（反斯托克斯）强度比频率减少的散射谱线（斯托克斯先）弱一些。
3.拉曼光谱的发展及应用。
1）拉曼光谱的发展
拉曼光谱又称拉曼效应,是起用发现者印度人C. V. Raman命名的。德文文献中常称之为迈克尔- 拉曼( Smekal - Raman)效应,而苏联前若干年的文献中则称之为联合散射,是拉曼于1919年从水分子散射现象中发现的。拉曼光谱最初用的光源是聚焦的日光,后来使用汞弧灯。由于它强度不太高和单色性差,了拉曼光谱的发展。60年代激光技术的兴起,以及光电讯号转换器件的发展才给拉曼光谱带来新的转机。70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注入活力。80年代以来,一些公司相继推出了拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪,入射光的功率可以很低,灵敏度得到很大的提高。这些性质使拉曼光谱的应用无论在广度和特异性等方面都得到了空前发展。
2）拉曼光谱在不同研究领域的应用
拉曼光谱技术最近几年发展很快,已大量出现在很多研究领域,它涉及材料、石油、化工、环保生物、医学、地质等,尤其是拉曼技术在考古、文物保护等领域的应用,到目前为止是所有其他研究领域最为优越的。
2. 1 在无机材料中的应用
拉曼光谱法是一种研究物质结构的重要方法,特别是对于研究低维纳米材料,它已经成为首选方法之一。利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构分析、键态特征分析和定性鉴定等。纳米材料中的晶界结构比较复杂,与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及热处理过程等因素均有密切的关系,拉曼频率特征可提供有价值的结构信息。李灿等人利用拉曼光谱可以定量的计算出每一种相的含量,得到的值与X射线衍射计算值相吻合。
2. 2 在矿床学中的应用
沉积有机质或有机碳质物的研究。在大多数沉积岩中,有机质通常只是一种次要成分,然而,在各种类型的沉积物中有机质都不同程度的存在。不同类型的沉积有机质其拉曼光谱的振动频率强度、谱峰的半高宽及两谱峰的形状的相对变化趋势存在差别。由于拉曼光谱对沉积有机质的热蚀变结果的反应非常敏感,表现在有机质的拉曼光谱在其不同演化阶段中具有系统性的变化规律。据此,在对沉积有机质的研究时,可以通过对有机质的拉曼谱图进行分析研究,建立有机质拉曼谱参数的回归方程,以达到推测源岩的埋藏历史、沉积环境以及综合评价其生油、气潜力的研究目的。
3）拉曼光谱技术及应用新进展
3. 1 表面增强拉曼光谱技术
自1974年Fleischmann等人发现吸附在粗糙化的Ag电极表现的吡啶分子具有巨大的拉曼散射现象,加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制,使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高,这种表面增强效应被称为表面增强拉曼散射(SERS) 。SERS技术是一种新的表面测试技术,可以在分子水平上研究材料分子的结构信息,如银纳米粒子,银胶体粒子上的联喹啉等。迄今为止的研究主要集中在探讨表面增强的理论模型,寻找新的体系和实验方法以及进行表面增强拉曼光谱的应用研究。作为一门分析测试技术,今后一段时间内, SERS的研究仍将集中在提高SERS稳定性、重视性和拓展分析应用范围。
3. 2 高温拉曼光谱技术
高温激光拉曼技术被用于冶金、玻璃、地质化学、晶体生长等领域,用它来研究固体的高温相变过程,熔体的键合结构等。然而这些测试需在高温下进行,必须对常规拉曼仪进行技术改造。通过对谱峰频率、位移、峰高、峰宽、峰面积及其包络线的量化解析,可以获取极为丰富的微结构信息,从而为材料结构和相变研究以及热力学性质的计算提供可靠的实验依据。
3. 3 共振拉曼光谱技术
激光共振拉曼光谱(RRS)产生激光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时,这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104～106倍,并观察到正常拉曼效应中难以出现的、其强度可与基频相比拟的泛音及组合振动光谱。与正常拉曼光谱相比,共振拉曼光谱灵敏充高,结合表面增强技术, 灵敏度已达到单分子检测。
3. 4 共焦显微拉曼光谱技术
显微拉曼光谱技术是将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种应用技术。与其他传统技术相比,更易于直接获得大量有价值信息,共聚焦显微拉曼光谱不仅具有常规拉曼光谱的特点,还有自己的独特优势。辅以高倍光学显微镜,具有微观、原位、多相态、稳定性好、空间分辨率高等特点,可实现逐点扫描,获得高分辨率的三维Ra2man图像,近几年共聚焦显微拉曼光谱在肿瘤检测、文物考古、法学等领域有着广泛的应用。
3. 5 傅立叶变换拉曼光谱技术
傅立叶变换拉曼光谱是上世纪90年代发展起来的新技术, 1987年, Perkin Elmer公司推出第一台近红外激发傅立叶变换拉曼光谱(N IR FT - R)仪,采用傅立叶变换技术对信号进行收集,多次累加来提高信噪比,并用10mm的近红外激光照射样品,大大减弱了荧光背景。从此, FT - Raman在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力。
3. 6 拉曼光谱与其他仪器联用技术
近两年,实现拉曼与其它多种微区分析测试仪器的联用,其中有:拉曼与扫描电镜联用(Raman -SEM) ;拉曼与原子力显微镜/近场光学显微镜联用(Raman - AFM /NSOM) ;拉曼与红外联用(Raman -FTIR) ;拉曼与激光扫描共聚焦显微镜联用(Raman- CLSM) ,这些联用的着眼点是微区的原位检测。通过联用可以获得更多的信息,并提高可靠度。因此,国外的一些研究单位已经开始关注拉曼光谱仪和这些不同仪器的联用。这无疑开拓新的发展方向,推动科学研究工作向更深更广的方面发展。
4）拉曼光谱仪及其技术应用新进展
随着激光技术的不断发展,拉曼光谱仪性能越来越完善。例如:三级光栅拉曼系统,具有极高的光谱分辨率。此外,大光谱测量范围的应用具有抑制杂散光的能力,宏观大光路和共焦显微镜等多种取样途径。随着光纤耦合拉曼光谱仪的研发成功,拉曼光谱仪可以进行工业在线和远距离原位在线分析。总之,拉曼光谱仪的发展可以提供更多的信息,对于各学科的发展提供了强有力的研究手段。
附录
和田白玉的特征峰: 678 、1068 cm-1
京白玉的特征峰：132、210、468 cm-1
汉白玉的特征峰：160.、282、714、1090 cm-1
绿软玉的特征峰：124、170、226、376、678、1038、1068 cm-1
岫玉的特征峰：230、382、686、1054 cm-1下载本文
