拉曼光谱化学分析

拉曼光谱利用光的散射来收集所研究材料特有的分子信息。

当光照射到分子上时，大部分能量没有被吸收，而是以与入射光相同的能量散射。然而，一小部分散射辐射出现在与入射辐射不同的能量上。

这些能量变化对应于分子的振动状态，可用于识别、量化和检查被分析样品的分子组成。

本视频将介绍该技术背后的理论，演示在实验室中执行相同作的程序，并介绍该方法在当今工业中的应用方式。

辐射与样品的相互作用可以被认为是光子和分子之间的碰撞。

入射光子将分子激发到短暂的虚拟激发态，然后它会迅速衰变回基态并发射散射光子。当没有发生能量交换时，散射光子与入射光子具有相同的波长，这称为弹性瑞利散射。

拉曼散射表示由于与光子的非弹性相互作用而发生振动激发或弛豫的分子。如果分子从基态上升到虚拟激发态，然后下降到更高能量的振动状态，那么它就从光子那里获得了能量。这也称为斯托克斯散射。

如果振动能量较高的分子获得能量并下降到较低的基态，那么该分子已经失去了对光子的能量，从而产生反斯托克斯散射。在室温下，基态的分子数量高于处于较高能量态的分子数量，导致斯托克斯散射比反斯托克斯散射更强烈，也更常被检查。

由这些与入射光子的相互作用引起的分子振动和旋转包括对称和不对称拉伸、剪刀、摇摆、摇摆和扭曲。

这些分子振动不仅用于拉曼光谱，还与其他技术（如红外光谱）一起使用。当振动引起其电子云的极化率或失真量发生变化时，它是"拉曼活性"的，或者可以通过拉曼光谱检测到。当振动引起其偶极矩的变化时，它是红外主动的。

例如，对称拉伸（如二氧化碳中的膨胀）会导致电子从原子核中移开并变得容易极化，但不会改变偶极矩。另一方面，不对称拉伸会导致偶极矩发生变化，但极化率不会发生变化。由于这些原因，拉曼光谱和红外光谱被视为化学分析的互补方法。

拉曼光谱是通过将强单色激光照射在样品上来实现的。收集样品发出的辐射，并过滤掉激光波长。散射光通过光栅发送到 CCD 检测器。在显微拉曼光谱中，激光在到达样品之前会穿过显微镜，从而实现微米级的空间分辨率。

样品的拉曼光谱是散射辐射强度与入射辐射波数变化的函数关系图。峰形和峰强度可以指示分子结构、对称性、晶体质量和材料浓度。

现在您已经了解了该方法背后的理论，让我们探索一种对样品进行拉曼显微光谱分析的方案。

要开始该过程，请打开所需的激光器，并根据所使用的波长选择正确的光学元件。在开始实验之前，给激光器 15 分钟预热。同时，打开计算机并加载仪器软件。

为使用的激光选择正确的波长。对拉曼光谱仪进行所需的校准。这可以使用放置在显微镜载物台上的硅晶片来完成，但这里使用的是内部硅参考样品。拉曼光谱是使用适当的曝光能量和时间获得的。硅应在 520 个波数左右产生一个强大的峰值。

校准后，将样品放在显微镜下方并聚焦在感兴趣的层上。暗外壳用于去除杂散光。确保激光的路径没有被光吸收层或拉曼活性层阻挡，以获得干净的光谱。

选择单色器应扫描的波数范围。选择可产生足够信号但不损坏待研究材料的激光强度。这可以通过对同一点进行两次成像来检查。如果光谱发生变化，则可能已经发生损坏。

如果样品位于完全黑暗的外壳中，则不需要背景扫描。获取样品的光谱。

使用适当的软件并与现有文献进行比较来调查数据。宇宙射线表现为必须去除的尖锐而强烈的峰值。激光对某些基材或污染物的干扰会导致基线，通过对预计不包含来自样品的拉曼峰的光谱区域拟合适当的曲线来消除基线。对于某些材料，不同的拉曼峰重叠到可能需要峰去卷积的程度。

经过这些步骤后，所得光谱将代表样品中存在的物种的定性和定量数据。

在这里，我们将研究碳纳米管的拉曼光谱，碳纳米管是非常小的空心单层或多层石墨烯片卷。这里显示了使用 514 nm 激光器从多壁碳纳米管中提取的拉曼光谱。

因为碳纳米管由晶格表示，所以它们的振动由集体振动模式表示?.?1,582 个波数处的 G 型峰与任何石墨材料中都可以找到的 sp2 杂化碳-碳键有关。还有一个突出的 D 峰 1,350 波数代表散射，由晶格中的无序引起。G 和 D 模式的强度比值量化了纳米管的结构质量。

激光和计算机技术的发展使曾经乏味的拉曼光谱成为化学分析中使用最广泛的技术之一。

固体氧化物燃料电池 （SOFC） 有可能在未来几十年内成为低排放能源的主要来源。这些电池的工作原理是将燃料和氧化剂（在本例中为固体氧化物）的能量电能转化为电能。原位表征燃料电池材料的电化学机理仍然存在一些困难。然而，拉曼光谱现在越来越多地用于绘制阳极处复杂的化学反应机制。

对艺术品进行光谱检查，以揭示它们的年龄、成分并优化保护条件。拉曼显微光谱的非破坏性使其非常适合此目的。通过将激光聚焦在艺术品样本上并绘制非弹性散射光的强度，可以获得艺术家颜料、粘合介质或清漆的光谱。拉曼光谱甚至用于识别艺术品的伪造。

您刚刚观看了 JoVE 对用于化学分析的拉曼光谱的介绍。您现在应该了解拉曼效应背后的原理及其如何应用于拉曼光谱，如何在实验室中进行自己的拉曼分析，以及它在当今工业中的一些令人兴奋的应用方式。

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