RESOURCES
● 拉曼光譜原理
拉曼散射光譜是用于研究物質結構的分子光譜技術，已有將近九十年的歷史。早在1923年，史梅耳（A. Smekal）便從理論上預言了入射單色光照射物質的光波頻率發生改變的現象的存在。1928年，印度物理學家拉曼在研究液體苯的散射實驗時，發現散射光頻率改變現象，并用分子振動能級與虛能級對這種散射現象進行解釋，因而稱為拉曼散射。拉曼光譜是通過散射光的頻移量來獲得分子振動、轉動情況，從而分析分子的結構、對稱性、電子環境和分子結合情況，是定量和定性分析物質結構的一種強有力的分析技術。
圖 拉曼及瑞利散射能級示意圖
拉曼光譜是由于光學模晶格振動、電荷密度起伏、自旋密度起伏、電子躍遷以及它們的耦合等因素引起的。當以一定頻率的光源激發樣品時，會產生彈性和非彈性散射現象。大部分分子發生彈性碰撞，光子的頻率沒有改變或者說波長與能量沒有任何改變，不進行能量轉移；小部分分子發生非彈性碰撞，由于勵磁或失活的分子振動使光子可能會失去或增加一些能量，頻率發生改變。當入射光波在分子中傳播擴散時，以下三種類型的現象可能發生，如圖所示：
首先，當一束光線照射分子時，它可以與其進行能量交換，但分子的凈能量交換 為零，所以散射光頻率與入射光相同，即
，這個過程被稱為瑞利散射。
第二，入射光能夠與分子進行能量交換而且凈交換能量是一個分子的振動能量。如果這種相互作用使光子獲得振動能量，則散射光頻率與入射光相比變高，即 ，稱為反-斯托克斯散射。
第三，如果光與分子相互作用使分子獲得能量，而光子失去能量，則光子的頻率會降低，散射光與入射光相比能量降低，即 ，這個過程被稱為斯托克斯拉曼散射。
從拉曼散射形成機理可以確認，拉曼散射光能量等于入射光能量加上或減去分子振動能級的能量差，即拉曼散射光的頻率取決于激發光的入射頻率。
拉曼散射現象雖然在20世紀20年代就被理論預言并被實驗證實，但是，拉曼光譜儀卻是隨60年代激光的問世、計算機的普遍使用，70年代引進激光探針之后才成為實用的、商業化的光譜分析儀器。從20世紀末到本世紀初，陷波濾波、探測器和微機械等技術應用在拉曼光譜領域之后，拉曼光譜儀發展成為具備高分辨率、高靈敏度、高響應速度的分子結構分析儀器。
在30年代拉曼光譜以汞弧燈作為光源，主要應用于分子結構研究。拉曼光譜由于光譜強度極其微弱，應用受到了限制。特別是40年代以后，紅外光譜得到迅猛發展，拉曼光譜也因此停滯不前。
上世紀60年代，激光出現并投入生產，光電轉換器件也逐漸發展壯大，拉曼光譜分析技術逐漸蓬勃發展起來。激光光源具有能量高、單色性好以及相干性好等優勢，極大的保障了拉曼光譜的分辨率與實用性。與此同時，光柵光譜儀，高靈敏度光電接收系統等也相繼研制成功，拉曼光譜儀也開始與計算機聯機使用。
70年代中期，多譜線輸出激光器和可調諧連續譜線激光器投入生產，使得拉曼探測方法的一個分支-共振拉曼技術得以實現。激光拉曼探針也在同時期誕生，主要用于樣品微區分析、表面均勻性檢測等。
90年代初，拉曼光譜分析技術發展日益完善。例如：光纖測量遠距離樣品，聲光調制器(Acoustic-optic modulator，AOM)作為分光器件測量物體等。英國Reinshow公司和美國Spex公司相繼推出了共焦激光拉曼光譜儀。Dilor公司結合拉曼技術推出多測點在線工業，光纖長度高達200m，從而使拉曼光譜的應用領域更加廣泛。
從20世紀末到本世紀初，隨著紫外與紅外激光光源的工業使用，探測技術的提高、光纖耦合技術以及微機械技術的發展，拉曼光譜儀已被廣泛應用在生命科學、醫學、法醫學、考古學、結晶學等各個領域。
在線拉曼光譜分析系統的基本結構如圖所示，主要由五個部分組成，包括激發光源、拉曼探頭、光譜儀、檢測器和拉曼分析軟件。首先由激光器產生單色光經激光光路傳輸后照射于被測樣品激發散射光，散射光收集光路聚焦后經收集進入分光系統-光譜儀，光譜儀內部須設置濾光片以濾除強瑞利散射，經濾波后的拉曼散射光由檢測器記錄，并轉換為數字信號進入計算機，*終由分析軟件根據所獲得的光譜數據得出分析結果。在這個過程中光源、光譜儀、檢測器的選擇對所獲得的拉曼光譜質量有著重要影響，而*終在計算機上所運行的分析模型決定了樣本待測屬性分析結果的正確性。下面就光源、光譜儀、檢測器和光譜分析模型四個方面做一簡單討論。
激發光源：使用頻率較高的激發光源時，往往會產生較強的熒光干擾背景。若使用紫外激發時，所產生的熒光與拉曼信號頻段相隔較遠，因此不會有熒光干擾；用近紅外波長激發，熒光信號弱，因此熒光干擾也較小。能量較高的激發光源可能會導致樣品受損，如紫外激發能量高，容易使樣品受到損傷；而近紅外激發熱效應大，容易使樣品受熱分解。
光譜儀：拉曼光譜儀按分光的原理可分為傅立葉變換拉曼和色散型拉曼兩種。傅立葉變換拉曼光譜儀中*主要的部件是雙光束干涉儀，通過測量它所產生的光干涉圖，再對干涉圖進行傅里葉積分變換來獲得拉曼光譜信號。色散型光譜儀中*重要的部件是單色儀，單色儀采用光柵結構對入射光進行色散分光。
絕大部分FT拉曼光譜儀都采用l064nm的半導體激光器作為激發光源，減少了激光誘導產生的熒光信號。同時由于原理上的優勢，更易于和FT-IR紅外光譜儀聯用，并且具有較高的光譜分辨率和優良的波長準確度。但體積較大，測量時間長，且樣本顏色較深時，會產生較大的測量噪聲等缺點限制了FT拉曼的在線應用。
色散型拉曼光譜儀通常采用532nm或785mn半導體激光器作為激發光源。由于色散型拉曼采用的CCD檢測器具有更低的暗噪聲和更高的量子效率。因此，同FT拉曼相比，色散型拉曼具有更好的靈敏度和更低的檢測下限；同時光柵色散的原理優勢使得數據獲取時間遠遠小于FT拉曼.
探測器：早期的拉曼分析系統中使用光電二極管(PD)和光電倍增管(PMT)作為檢測器來記錄拉曼光譜。自二十世紀80年代后期，電荷耦合元件(CCD)開始被應用于拉曼光譜系統。CCD陣列檢測器結合了光電二極管和倍增的優勢，同時具有光譜響應范圍寬、分辨率高、功耗低和尺寸小等優點。
計算機分析系統：基于光譜數據的分析過程可概括為三個步驟，包括光譜預處理、建立回歸模型、利用回歸模型對待測樣本進行分析。從光譜儀獲得的拉曼光譜除了包含被測物的拉曼信號，還包含干擾信息，如熒光背景、檢測器噪聲、激光器功率波動等。通常情況下，設備的改進并不能完全消除以上干擾。因此在建立回歸模型之前需要利用某種數學方法消除光譜中的各類干擾因素，突出被測物質的特征信號。建立校正模型是以訓練集合中標定的樣本分析值和預處理后的拉曼光譜為基礎，通過某種算法構建兩者之間的數學關系。*終將待測物的拉曼光譜輸入給分析模型，得到分析結果。
13810146393
在線咨詢
