拉曼光谱化学分析

Analytical Chemistry

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Overview

资料来源: 实验室的博士良一石原慎太郎 — — 代尔夫特科技大学

拉曼光谱是一种技术分析振动和其他低频率模式的系统中。它用于标识分子用他们的激光拉曼光谱的化学指纹图谱。在固态物理中它用于表征材料,具体而言,调查其晶体结构或结晶。相比其他方法对调查的晶体结构 (如透射电镜和 x 射线衍射) 显微拉曼光谱是非破坏性、 一般要求没有样品制备,和可以在小样本卷上执行。

用于执行拉曼光谱单色激光照在样品上。如果所需样品可以由一层透明的不是拉曼活性 (如,SiO2) 涂层或放置在去离子水。发出的电磁辐射 (通常在近红外,可见,或近紫外范围) 从样本收集、 激光波长过滤掉 (例如,通过缺口或带通滤波器),以及产生的光通过单色器 (例如,光栅) 发送到 CCD 探测器。用这个,非弹性散射光,源自拉曼散射,可以捕获并用于构造样品的拉曼光谱。

在拉曼显微光谱光穿过显微镜,在到达样品,允许它集中在面积小如 1 µ m2之前。这允许精确测绘的样品或共聚焦显微镜研究层堆栈。关怀已采取,然而,小和强烈激光光斑不损坏样品。

在这个视频中我们将简要地解释程序获得的拉曼光谱,并将给出实例的捕获从碳纳米管的拉曼光谱。

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JoVE Science Education Database. 分析化学精要. 拉曼光谱化学分析. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

拉曼光谱取决于拉曼散射,这是在系统中的原子或分子内的非弹性散射的光子与低频模式 (例如振动或旋转模式)。这是与红外光谱、 红外线吸收低频模式取决于系统中。这两种技术提供类似,但互补,信息。然而,这并不意味着振动特征是拉曼光谱和红外光谱 '积极',那就是,他们出现时进行了探讨。对于分子,振动是拉曼活性时,会造成变化的极化率,而用于红外光谱测定振动时,可见它引起中偶极矩的变化。这意味着,拉曼光谱没有永久偶极矩是必需。对于与对称中心的分子,这两种光谱方法是相互排斥。极性键通常给拉曼信号太弱,而中性债券通常是拉曼激烈,作为他们在振动过程中的极化率涉及大的变化。最后,两个画背的红外光谱是水不能用作溶剂和样品制备是更复杂。然而,拉曼光谱仪是更昂贵。

激发出来的光子散射后相比,有更低或更高频率的入射光,分别被称为斯托克斯和反斯托克斯散射。斯托克斯和反斯托克斯线有相同的变化在能源领域,但其规模而有所不同例如衬底温度。分子光子相互作用与债券和中分子的振动对使用的激光波长敏感。这将导致分子要进一个短的时间之后, 它漂移放出一个光子的虚拟能量状态退出。固态材料创建传入的光子和电子--空穴对,其中可以有声子晶体的晶格在散点图。声子是描述集体的量化震动的动作在晶格的原子或分子凝聚态物质中的准粒子。后此散射事件电子-空穴对衰变,并放出一个光子与转移的频率。

这些分散的光子的谱是入射光子的拉曼光谱,表现强烈的散射光子与频差 (衡量在波数与单位厘米-1)。如果在系统中的振动模式使用,激光波长对敏感,它们的强度和位置可以不同激光波长之间,峰只出现在拉曼光谱。通常情况下,峰属于范围的 500 — — 2,000 厘米-1,和较高的订单山峰可以发现周围一阶拉曼峰的波数的倍数。峰的强度取决于许多因素,包括激光、 焦点、 采集时间和散射的概率发生的权力。因此,强度谱之间不能直接比较和总是应该被转换为强度比值。全宽半最大值 (FWHM) 的峰值直接可以比较不同的度量标准。

Procedure

  1. 打开所需的激光并选择正确的光学波长使用。让热身要随着时间的推移稳定发射激光。
  2. 执行所需的拉曼光谱仪校准。这取决于该文书,但在这里内部寺参考示例用于校准拉曼位移到结晶硅拉曼峰的已知位置。寺常用的因为它给了强尖峰的一个已知的位置,这是对激光波长不敏感。首先,参照样品的拉曼光谱被获得使用适当曝光能量和时间。光谱的波数被相比值从文学 (在应遵守 520.7±0.5 厘米-1强高峰寺为例)。如果不相配,单色仪 (经常光栅) 对 CCD 的位置已经改变。大多数商业上可用的拉曼工具包括校准例程来实现这一目标。
  3. 示例下面的显微镜和焦点放层,必须要作调查。一般情况下,关闭能黑暗的围栏用来消除杂散光。确保激光的路径不受阻光吸收或拉曼活性层,为了获得干净的频谱。在拉曼光谱可以发现许多材料取自的文献中,这可以用于确定哪些材料可能会影响实验。如果未知的峰出现在已知起源于样品的峰旁边,他们可以通过宇宙射线 (这是一般只有几个波数宽和很强烈) 或干扰测量其他层。如果图层薄材料中激光的衰减长度相比,很可能也将探讨下面的基底。
  4. 选择波数,应由单色仪扫描的范围。这是高度样本依赖。一般文献中可以发现感兴趣的拉曼峰将出现在该区域。为完全未知样品范围广泛 (例如,执行 100 — — 2,000 厘米-1)测试扫描。扩展的扫描虽然会消耗更多的时间。选择一种激光强度产生充足的信号,但并不损害的调查材料的晶格 (例如,如果研究非晶矽高强度激光可以结晶样品)。这可以由成像同一地点两次,检查,如果频谱变化损害可能已经发生。如果信号太弱可以增加曝光时间。
  5. 获得样品的谱。这是一般由自动完成仪器同时扫描单色仪和读取 CCD 输出。没有背景扫描必须执行如果样品是在完全黑暗中的围墙,否则杂散光会影响测量。
  6. 调查数据使用适当的软件,利用文献。这可以包括: 取消的宇宙射线,显示为非常尖锐和激烈的线条,在光谱中,一般可以完全删除。承印物或污染物的干扰可以导致基线,可以删除由拟合谱的预计将是平坦的地区适当曲线 (例如,线性线或样条) (不包含来自样品的拉曼峰)。对于一些材料不同的拉曼峰可以出现所以接近出奇那峰反褶积可能是必要的为此检查文献材料。

拉曼光谱技术利用散射的光收集独特的分子信息向下调查材料。

当光照射一种分子时,大部分能量不吸收,但在相同的能量作为入射光的散射。然而,散射辐射的一小部分会出现不同的入射辐射的能量。

这些转变的能量对应的分子的振动状态,可以用来确定、 量化,并检查下分析样品的分子组成。

这个视频将介绍这项技术背后的理论、 证明程序来执行同样的操作在实验室里,和目前的一些方法,该方法被应用于工业今天。

辐射与样品的相互作用可以看作是光子与分子之间的碰撞。

传入的光子激发到从中它很快会回到其基态衰变和发出一个分散的光子短命的虚拟激发态分子。能源发生有没有交换时,分散的光子具有相同波长的入射光,作为,这就所谓的弹性瑞利散射。

拉曼散射代表分子经历振动激发或由于非弹性相互作用与光子的松弛。如果分子从地面状态提高到虚拟的激发的态和降回至一个更高的能量振动状态,然后得到了从光子的能量。这也被称为斯托克斯散射。

如果在更高的振动能量、 增益能源和滴回落到较低的基态分子,然后分子已经失去了能量的光子,引起反斯托克斯散射。在室温下,在基态分子的数量是高于那些在更高的能量状态导致斯托克斯散射要更强烈和更普遍被审查,比反斯托克斯散射。

分子的振动和旋转所产生的这些与入射光子的相互作用包括对称和不对称拉伸、 修剪、 摇,摇,扭曲。

这些分子的振动不仅用于喇曼光谱学、 但也沿着一边它与其他技术,如红外光谱。振动是"拉曼-主动",或用拉曼光谱探测出来时,会造成变化的极化率或失真,其电子云的数量。振动是红外主动当它诱导的改变,其偶极矩。

例如,对称的延伸,像在二氧化碳,扩张引起电子离开细胞核,变得容易极化,但不是改变偶极矩。非对称的拉伸,另一方面,结果在偶极矩的变化,但在极化率没有变化。出于这些原因,拉曼光谱和红外光谱法被视为补充化学分析的方法。

拉曼光谱是由强烈的单色激光照耀的示例执行的。收集了从该样本的辐射,和激光波长过滤掉。散射光通过单色仪发送到 CCD 探测器。在显微拉曼光谱,激光通过显微镜,才到达样品,允许在微米级的空间分辨率。

样品的拉曼光谱是一块作为功能发生转移的但在波数的入射辐射的散射辐射强度。峰的形状和强度可以表明分子的结构、 对称、 晶体质量和浓度的物质。

现在,您了解此方法背后的理论,让我们探索一项议定书,在样品上执行显微拉曼光谱。

开始执行程序,打开所需的激光并选择正确的光学波长使用。给激光 15 分钟开始实验前先热身。同时,在计算机上打开和加载仪器软件。

选择正确使用激光波长。执行所需的拉曼光谱仪校准。这可以使用硅片放置在显微镜舞台上,但在这里用内部硅的参考样品。拉曼光谱被获得使用适当曝光能量和时间。硅在大约 520 波数应峰很强。

一旦校准,将下面的显微镜和重点标本放在感兴趣的图层上。黑暗中的围墙用来消除杂散光。确保激光的路径不受阻光吸收或拉曼活性层,从而获得干净的频谱。

选择波数应由单色仪扫描的范围。选择激光强度产生足够的信号,但并不损害根据调查材料。这可以由同一地点两次成像检查。如果谱发生变化,可能发生损坏。

如果样品是在完全黑暗中的围墙,不是需要后台扫描。获得样品的谱。

调查数据使用适当的软件,通过与现有文献的比较。宇宙射线显示为尖锐和激烈的高峰,必须删除。激光干涉与某些底物或污染物可能会导致删除由频谱的预计不会包含来自样品的拉曼峰的地区适当的曲线拟合的比较基准。有些材料,不同的拉曼峰重叠程度,峰值反褶积方法可能有必要。

这些步骤完工后,由此产生的光谱将代表物种样本中存在的定性和定量数据。

在这里,我们将研究碳纳米管,这是非常小的拉曼光谱,单层或多层的空心辊的石墨烯薄片。示了取自使用 514 nm 激光的多壁碳纳米管的拉曼光谱。

因为碳纳米管由晶格表示,他们的振动被代表的集体振动"模式"。G 模式峰值在 1,582 波数被有关 sp2杂化的碳-碳键在任何石墨材料中可以发现。也是突出 D 峰 1,350 波数代表散射,在晶体点阵的障碍所致。强度比的 G 和 D 方式量化碳纳米管的结构质量。

激光和计算机技术的发展有一次乏味使拉曼光谱成为一个化学分析的最广泛使用的技术。

固体氧化物燃料电池或固体氧化物燃料电池,有可能在未来几十年成为低排放能源的主要来源。这些细胞工作由电化学将燃料和氧化剂,在这种情况下固体氧化物的能量转化为电能。仍然是在表征燃料电池材料原位的电化学机理方面有些困难。然而,拉曼光谱是现在日益被用来映射复杂化学反应机制在阳极。

艺术对象光谱研究了,透露自己的年龄,组成,和优化养护条件。非破坏性的显微拉曼光谱性质使得它非常适合用于此目的。通过激光侧重艺术样品和密谋漂移散射光的强度,可以获得光谱艺术家的颜料、 绑定媒体或清漆。拉曼光谱甚至用来识别伪造的艺术作品。

你刚看了朱庇特的简介拉曼光谱化学分析。你现在应该明白背后拉曼效应和它如何应用于拉曼光谱的原则如何在实验室里,和一些令人兴奋的方式,它被应用于行业今天执行您自己的拉曼分析。

谢谢观赏 !

Results

采取从使用 514 nm 激光的多壁碳纳米管的拉曼光谱如图 1所示。已删除直线基线和数据已经标准化,对周围 1,582 厘米-1的最强烈的功能。

几个高峰值可以被观察,起源于不同的样品的结晶特征。1,350 厘米-1 D 高峰起源形式双共振弹性声子散射与晶格中的缺陷。G-峰值 (1,582 厘米-1) 是 sp2杂化碳-碳键与可以在任何石墨材料中发现。这个强大的峰值实际上肩右侧有谱,这是 D' 峰值约 1,620 厘米-1。此峰又相关的缺陷。

在更高的波数可以观察几个其他山峰。G' (或 2D) 山顶周围 2,700 厘米-1是 D 乐队,言外之意,由两个非弹性声子散射过程引起的。因此它不需要缺陷和可以高结晶样品中发现。也是如此为 2D' 乐队约 3,240 厘米-1,这是 D 的泛音乐队。最后 D + G 周围 2,930 厘米-1是 D 和 G 带的组合的泛音。

Figure 1
图 1。多壁碳纳米管的拉曼光谱。谱用 514 nm 激光、 直线基线被拟合谱平坦区域和频谱归一 G 峰值。

Applications and Summary

拉曼光谱技术可以应用于广泛的领域,从 (生物) 化学到固态物理学。在化学,拉曼光谱可以用于调查化学键的变化,并通过使用其拉曼指纹识别特定的 (有机或无机) 分子。这可以在任一气体,液体,或固体阶段的材料。已有,例如,用于医学目的的活性成分的药物,和拉曼气体分析仪用于呼吸气体在手术过程中的实时监测。

在固态物理学拉曼光谱用于表征材料和确定其晶体取向、 组成、 应力、 温度和结晶度。它已被用于识别的矿物组成、 并可以用于痕迹鉴定证据分析。它也是可以帮助我们观察等离子体激元,和其他低频率激励下固体拉曼光谱。专门为石墨材料它已被用于调查样品的结晶度、 单、 双壁纳米管的直径和他们的手。对于石墨烯它可以也用于识别的石墨烯层数。

拉曼光谱在其他光谱的方法一大优势是,它通常需要没有样品制备如果您可以集中精力样品与显微镜下,可以分析 µ m 大小样本、 要求没有联络,和非破坏性。

  1. 打开所需的激光并选择正确的光学波长使用。让热身要随着时间的推移稳定发射激光。
  2. 执行所需的拉曼光谱仪校准。这取决于该文书,但在这里内部寺参考示例用于校准拉曼位移到结晶硅拉曼峰的已知位置。寺常用的因为它给了强尖峰的一个已知的位置,这是对激光波长不敏感。首先,参照样品的拉曼光谱被获得使用适当曝光能量和时间。光谱的波数被相比值从文学 (在应遵守 520.7±0.5 厘米-1强高峰寺为例)。如果不相配,单色仪 (经常光栅) 对 CCD 的位置已经改变。大多数商业上可用的拉曼工具包括校准例程来实现这一目标。
  3. 示例下面的显微镜和焦点放层,必须要作调查。一般情况下,关闭能黑暗的围栏用来消除杂散光。确保激光的路径不受阻光吸收或拉曼活性层,为了获得干净的频谱。在拉曼光谱可以发现许多材料取自的文献中,这可以用于确定哪些材料可能会影响实验。如果未知的峰出现在已知起源于样品的峰旁边,他们可以通过宇宙射线 (这是一般只有几个波数宽和很强烈) 或干扰测量其他层。如果图层薄材料中激光的衰减长度相比,很可能也将探讨下面的基底。
  4. 选择波数,应由单色仪扫描的范围。这是高度样本依赖。一般文献中可以发现感兴趣的拉曼峰将出现在该区域。为完全未知样品范围广泛 (例如,执行 100 — — 2,000 厘米-1)测试扫描。扩展的扫描虽然会消耗更多的时间。选择一种激光强度产生充足的信号,但并不损害的调查材料的晶格 (例如,如果研究非晶矽高强度激光可以结晶样品)。这可以由成像同一地点两次,检查,如果频谱变化损害可能已经发生。如果信号太弱可以增加曝光时间。
  5. 获得样品的谱。这是一般由自动完成仪器同时扫描单色仪和读取 CCD 输出。没有背景扫描必须执行如果样品是在完全黑暗中的围墙,否则杂散光会影响测量。
  6. 调查数据使用适当的软件,利用文献。这可以包括: 取消的宇宙射线,显示为非常尖锐和激烈的线条,在光谱中,一般可以完全删除。承印物或污染物的干扰可以导致基线,可以删除由拟合谱的预计将是平坦的地区适当曲线 (例如,线性线或样条) (不包含来自样品的拉曼峰)。对于一些材料不同的拉曼峰可以出现所以接近出奇那峰反褶积可能是必要的为此检查文献材料。

拉曼光谱技术利用散射的光收集独特的分子信息向下调查材料。

当光照射一种分子时,大部分能量不吸收,但在相同的能量作为入射光的散射。然而,散射辐射的一小部分会出现不同的入射辐射的能量。

这些转变的能量对应的分子的振动状态,可以用来确定、 量化,并检查下分析样品的分子组成。

这个视频将介绍这项技术背后的理论、 证明程序来执行同样的操作在实验室里,和目前的一些方法,该方法被应用于工业今天。

辐射与样品的相互作用可以看作是光子与分子之间的碰撞。

传入的光子激发到从中它很快会回到其基态衰变和发出一个分散的光子短命的虚拟激发态分子。能源发生有没有交换时,分散的光子具有相同波长的入射光,作为,这就所谓的弹性瑞利散射。

拉曼散射代表分子经历振动激发或由于非弹性相互作用与光子的松弛。如果分子从地面状态提高到虚拟的激发的态和降回至一个更高的能量振动状态,然后得到了从光子的能量。这也被称为斯托克斯散射。

如果在更高的振动能量、 增益能源和滴回落到较低的基态分子,然后分子已经失去了能量的光子,引起反斯托克斯散射。在室温下,在基态分子的数量是高于那些在更高的能量状态导致斯托克斯散射要更强烈和更普遍被审查,比反斯托克斯散射。

分子的振动和旋转所产生的这些与入射光子的相互作用包括对称和不对称拉伸、 修剪、 摇,摇,扭曲。

这些分子的振动不仅用于喇曼光谱学、 但也沿着一边它与其他技术,如红外光谱。振动是"拉曼-主动",或用拉曼光谱探测出来时,会造成变化的极化率或失真,其电子云的数量。振动是红外主动当它诱导的改变,其偶极矩。

例如,对称的延伸,像在二氧化碳,扩张引起电子离开细胞核,变得容易极化,但不是改变偶极矩。非对称的拉伸,另一方面,结果在偶极矩的变化,但在极化率没有变化。出于这些原因,拉曼光谱和红外光谱法被视为补充化学分析的方法。

拉曼光谱是由强烈的单色激光照耀的示例执行的。收集了从该样本的辐射,和激光波长过滤掉。散射光通过单色仪发送到 CCD 探测器。在显微拉曼光谱,激光通过显微镜,才到达样品,允许在微米级的空间分辨率。

样品的拉曼光谱是一块作为功能发生转移的但在波数的入射辐射的散射辐射强度。峰的形状和强度可以表明分子的结构、 对称、 晶体质量和浓度的物质。

现在,您了解此方法背后的理论,让我们探索一项议定书,在样品上执行显微拉曼光谱。

开始执行程序,打开所需的激光并选择正确的光学波长使用。给激光 15 分钟开始实验前先热身。同时,在计算机上打开和加载仪器软件。

选择正确使用激光波长。执行所需的拉曼光谱仪校准。这可以使用硅片放置在显微镜舞台上,但在这里用内部硅的参考样品。拉曼光谱被获得使用适当曝光能量和时间。硅在大约 520 波数应峰很强。

一旦校准,将下面的显微镜和重点标本放在感兴趣的图层上。黑暗中的围墙用来消除杂散光。确保激光的路径不受阻光吸收或拉曼活性层,从而获得干净的频谱。

选择波数应由单色仪扫描的范围。选择激光强度产生足够的信号,但并不损害根据调查材料。这可以由同一地点两次成像检查。如果谱发生变化,可能发生损坏。

如果样品是在完全黑暗中的围墙,不是需要后台扫描。获得样品的谱。

调查数据使用适当的软件,通过与现有文献的比较。宇宙射线显示为尖锐和激烈的高峰,必须删除。激光干涉与某些底物或污染物可能会导致删除由频谱的预计不会包含来自样品的拉曼峰的地区适当的曲线拟合的比较基准。有些材料,不同的拉曼峰重叠程度,峰值反褶积方法可能有必要。

这些步骤完工后,由此产生的光谱将代表物种样本中存在的定性和定量数据。

在这里,我们将研究碳纳米管,这是非常小的拉曼光谱,单层或多层的空心辊的石墨烯薄片。示了取自使用 514 nm 激光的多壁碳纳米管的拉曼光谱。

因为碳纳米管由晶格表示,他们的振动被代表的集体振动"模式"。G 模式峰值在 1,582 波数被有关 sp2杂化的碳-碳键在任何石墨材料中可以发现。也是突出 D 峰 1,350 波数代表散射,在晶体点阵的障碍所致。强度比的 G 和 D 方式量化碳纳米管的结构质量。

激光和计算机技术的发展有一次乏味使拉曼光谱成为一个化学分析的最广泛使用的技术。

固体氧化物燃料电池或固体氧化物燃料电池,有可能在未来几十年成为低排放能源的主要来源。这些细胞工作由电化学将燃料和氧化剂,在这种情况下固体氧化物的能量转化为电能。仍然是在表征燃料电池材料原位的电化学机理方面有些困难。然而,拉曼光谱是现在日益被用来映射复杂化学反应机制在阳极。

艺术对象光谱研究了,透露自己的年龄,组成,和优化养护条件。非破坏性的显微拉曼光谱性质使得它非常适合用于此目的。通过激光侧重艺术样品和密谋漂移散射光的强度,可以获得光谱艺术家的颜料、 绑定媒体或清漆。拉曼光谱甚至用来识别伪造的艺术作品。

你刚看了朱庇特的简介拉曼光谱化学分析。你现在应该明白背后拉曼效应和它如何应用于拉曼光谱的原则如何在实验室里,和一些令人兴奋的方式,它被应用于行业今天执行您自己的拉曼分析。

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