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什么是拉曼散射?

我们讲解了拉曼效应的原理,以及C.V. Raman教授是如何发现拉曼效应的。

科学家使用拉曼光谱来了解物质的化学成分和结构。我们将单一波长的激光聚焦到样品上。少量的光会与物质的化学键相互作用并在散射过程中改变颜色。我们可以使用拉曼光谱仪来测量非弹性散射光并获得样品的相关信息。我们还介绍了显微拉曼光谱仪的各个部件,以及每个部件对于采集良好光谱的重要性。

什么是光谱技术?

我们使用光谱技术来测量光与物质相互作用后的颜色和相对强度。光谱技术可以告诉我们物质的化学组成及物理或电子结构。

光与物质以不同的方式相互作用,光会透射通过某些物质,而在其他物质上会发生反射或散射。这种相互作用受到物质及光的颜色(波长)的影响。

可见光谱的哪些部分进入我们的眼睛决定了我们会感知到哪些颜色。例如,如果物质吸收了光谱的红色部分,则该物质可能会呈现蓝色。只有可见光谱的蓝色部分被反射或散射到我们的眼睛中。

光与物质相互作用的过程中产生的几种基本现象 光与物质相互作用的过程中产生的几种基本现象。

谁发现了拉曼光谱?

拉曼散射过程以发现者 — 著名的印度物理学家、爵士Chandrasekhara Venkata Raman教授的名字命名。C.V.Raman教授和他的学生K.S.Krishnan揭示了,光穿过透明物质时会发生颜色变化。光通过与分子振动相互作用而改变颜色和能量。这就是非弹性拉曼散射过程。当时,其他科学家将拉曼效应视为量子理论最具说服力的证明之一。C.V.Raman教授因为这一伟大发现获得了1930年诺贝尔物理学奖。

C.V.Raman教授于1928年就发现了拉曼效应。然而,直到几十年后,激光、探测器和计算技术的进步才促进了高效拉曼系统的发展。拉曼光谱仪现在是实验室和制造领域中必不可少的工具。

下载电子书:拉曼光谱详解

此内容现仅提供英文版。

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  • 什么是拉曼效应?
  • 什么是拉曼光谱?
  • 拉曼成像能够告诉您什么?
  • 拉曼光谱的优势
  • 显微拉曼光谱仪的部件
  • 讲解光致发光
 

如何检测拉曼效应?

您可以使用拉曼光谱仪测量拉曼效应。第一步是用单色光(例如激光)照射样品。如果您将蓝光照射到某种物质上,您可能认为只会看到它反射的蓝光。大部分散射光的能量保持不变(“瑞利散射”)。

只有大约千万分之一的散射光会发生拉曼散射。使用拉曼光谱仪,您可以检测出颜色和频率发生变化的拉曼散射光。在散射过程中,光与分子振动相互作用,因而发生频率改变。发生拉曼散射是因为光子(光的粒子)和物质中的分子振动交换了一部分能量。

拉曼光谱仪如何测量振动模式?

拉曼光谱仪通过分析散射光来测量振动模式之间的能量差。当光子作用于分子,导致其电子云极化并暂时提升至一个“虚拟”能级状态时,便产生了散射现象。如果光子在散射过程中改变能量,就会发生拉曼散射。这种现象的原因在于,受激分子通过能量松弛过程,过渡到了一个与原始状态相比,能量更高或更低的振动能级。

拉曼散射是非弹性的,因为光子通过与分子振动能级相互作用来改变能量。当散射光失去能量时,拉曼散射被称为“斯托克斯”。当散射光获得能量时,拉曼散射被称为“反斯托克斯”。当分子从基态因吸收能量而暂时跃迁至一个虚拟能级,随后降落至一个能量高于初始基态的振动能级时,便产生了斯托克斯拉曼散射现象。当分子处于振动激发态时,它可以吸收光子并跃迁到一个更高的虚拟能量状态,随后该分子释放能量,从虚态回落至基态。在这个过程中,即发生反斯托克斯拉曼散射。我们很少使用反斯托克斯拉曼光,因为它的强度不如斯托克斯拉曼光。然而,它确实代表了分子的等效振动信息。

与之相反,当分子返回到基态时,就会发生瑞利散射。它释放出与入射光子能量相同的光子。因此,瑞利散射光与入射光的频率和颜色相同。瑞利散射光的强度约为拉曼散射光的107倍。现代光谱仪使用高效滤光片来去除瑞利散射光,以便成功检测拉曼散射。

显示瑞利散射和拉曼散射的能量图
Jablonski能级图显示了瑞利和拉曼散射过程中的能量变化。S0、S1、S2是典型的电子能级,带有更高的振动能级。

拉曼散射的机制类似于红外 (IR) 吸收光谱,但适用不同的选择规则。在振动过程中需要改变分子极化率,才会发生拉曼散射。某些振动在拉曼光谱中可以看到,但在红外光谱中看不到,反之亦然。例如,与红外吸收光谱不同,拉曼光谱可以分析金刚石中的碳键。

拉曼频移能告诉您什么?

拉曼频移是入射激光与散射光之间的能量差。能量的改变取决于分子中原子的振动频率。通过研究分子振动,我们可以发现物质的化学和结构组成。

如果拉曼频移或能量变化较大,则表示分子的振动频率很高。这是由于轻原子通过强键结合在一起。相反,如果拉曼频移或能量变化较小,则表示分子的振动频率很低。这是由于重原子通过弱键结合在一起。

显微拉曼光谱仪的部件

典型显微拉曼光谱仪的前端是光学显微镜。它连接到激发激光器、瑞利滤光片、光谱仪和探测器。拉曼效应非常微弱;仅大约千万分之一的散射光会因为频移而发生颜色变化。这种效应太微弱,不能通过裸眼观察,所以我们需要借助高灵敏度拉曼光谱仪观察这部分散射光。

雷尼绍的inVia™显微拉曼光谱仪由以下部件组成:

1. 单个或多个激光器,从紫外 (UV 244 nm) 到红外 (IR 1064 nm),单击即可切换

2. 高质量物镜,将激光聚焦到样品上。其中包括100倍高度共焦、长工作距离和浸入式选项

3.瑞利滤光片,用于过滤反射光和散射光,从而只采集拉曼光

4. 马达驱动光谱仪透镜,针对每种激光波长自动优化

5. 具有高色散能力和长使用寿命的主衍射光栅,分离出拉曼光的组成颜色

6. 稳定灵敏的热电冷却 (-70 ˚C) CCD探测器

7. 用于自动化系统控制、数据采集和分析的计算机

典型Qontor示意图

inVia™共焦显微拉曼光谱仪的典型光学布局

什么是拉曼光谱?

欢迎继续了解拉曼和光致发光 (PL) 光谱。我们将竭诚为您解答有关显微拉曼光谱技术、快速拉曼成像、数据分析、荧光和补充分析技术的各种问题。

讲解拉曼光谱