拉曼光谱简介
当单色光照射到样品上时,光与样品发生某些形式的相互作用。它可以按照一定方式被反射、吸收或者散射。其中出现的散射光可以告诉拉曼光谱学家一些关于样品分子结构的信息。
分析散射光的频率(波长)可以发现,其中不仅存在与入射光波长相同的成分(瑞利散射),而且还存在有少量的波长改变了的散射光(斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射),拉曼散射光强度大约是总散射光强度的10-7 。正是这些波长改变了的拉曼散射光能够给我们提供有关样品的化学成分和结构信息.
来自分子的散射光有几种成分:瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射.在分子体系中,这些频率主要是位于分子转动、振动以及电子能级跃迁相关的范围内。散射光沿着所有方向辐射,伴随波长的变化,其偏振方向也有变化。
1. 散射光频率不发生改变的散射过程称为瑞利散射,就是Lord Rayleigh用来解释天空之所以呈现为蓝色的那种过程。
2. 散射光频率(波长)发生改变的散射过程称为拉曼散射,拉曼光子的能量与入射光子能量相比可以增大,也可以变小, 取决于分子的振动态。
3. 斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射中,前者散射光子的能量较之入射光子变低(失去能量,波长红移),而它的散射强度更大一些,这是因为在室温下分子中大多数电子主要布居在振动基态(参见上图所示)
4. 分子中少量电子布居在较高的振动能级上,因此散射光子的能量可以大于入射光子,(获得能量,波长蓝移)这就是强度相对弱很多的反斯托克斯拉曼散射.
5. 入射光子和样品分子相互作用,光子能量的改变量(得到或者失去能量)取决于每个化学键(振动)的特性。并非所有的振动都能在拉曼光谱上反映出来,这取决于分子的对称性。但是可以获得足够的信息,用来对分子结构进行相当精确的表征。因此,C-H键对应的能量改变不同于 C-O对应的能量改变,也不同于金属和氧之间成键的能量改变。通过测量散射光中这些不同波长成分,可以探测到与这些不同波长相对应的不同的键和振动.
拉曼光谱能够探测材料的化学结构,它提供的信息包括:
1. 化学结构和化学鉴别;
2. 相和形态;
3. 应力;
4. 污染物和杂质;
一般而言,拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹,能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱,通过快速搜索,找到与被分析物质相匹配的光谱数据,即可鉴别被分析物质。
如图所示分别是甲醇(methanol)和乙醇(ethanol)的拉曼光谱,二者有着显著的区别,可以用于区分这两种液体物质。
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