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拉曼光谱知识宝库:多个必备干货大放送!

2025-11-29

拉曼光谱与红外光谱的本质差异

红外光谱:它是吸收光谱,基于分子的振转吸收原理。当特定能量的光照射被测分子时,分子振动能级发生跃迁,由于振动能量高于转动能级,所以分子振动时必然伴随着转动。在此过程中,分子吸收了光的能量。

拉曼光谱:属于散射光谱。从量子力学角度来看,当一束光子撞击到被测分子上时,会发生两种碰撞情况。非弹性碰撞时,光子与分子相互作用,光子能量增加或减少,这就是拉曼散射;而完全弹性碰撞时,光子能量不变,这种情况并非拉曼散射,而是瑞利散射。从能级角度进一步分析,拉曼散射有两种情况:一是分子先吸收光子能量从基态跃迁到虚态,虚态不稳定,会从虚态返回到第一振动能级释放能量,此时放出的光子能量小于入射光子能量,称为斯托克斯散射;二是从第一振动能级跃迁到虚态后再返回到基态放出的能量大于入射光能量,这是反斯托克斯散射。

红外光谱:要求分子的偶极矩发生变化才能被检测到。

拉曼光谱:需要分子的极化性发生变化才可以检测。

 

拉曼光谱:需要分子的极化性发生变化才可以检测。

 

信号强度:红外光谱容易测量且信号较好,而拉曼光谱信号相对较弱。

波长范围:红外光谱主要使用红外光,尤其是中红外光,但很多光学材料不能穿透中红外光,这限制了其应用范围;拉曼光谱可选择的波长较为丰富,从可见光到近红外都能使用。

制样方面:红外光谱制样有时相对复杂、耗时长,还可能损坏样品;拉曼光谱制样则不存在这些问题。

大多数情况下,拉曼光谱和红外光谱是相互补充的,即红外信号强时拉曼信号弱,反之亦然。不过,也存在一些情况二者检测的信息是相同的,例如有些振动红外和拉曼都能检测到。

对于某些物质的检测具有独特性,像氧气、氮气等只能用拉曼检测;红外不能检测低于400波数的,且更适合用于有机物检测,拉曼更适合无机物检测,同时红外还容易受水的干扰。

拉曼光谱应用中的激光光源

氩离子激光器:是可见光激光器中应用最多的一种,可产生10种波长的激光,其中最强的是488纳米(蓝光)和514纳米(绿光)激光器,目前514纳米激光器性能十分稳定且最为常用。

 

其他可见光激光器:包括532纳米固体二极管泵浦激光器、632.8纳米(红光)、780纳米等。

近红外激光器:如785纳米二极管、830纳米近红外激光器。

特殊激光器:掺钕的钇铝石榴石(YAG)激光器被用作傅里叶变换拉曼光谱的光源,其激光波长为1064纳米(红外);染料激光器是目前较成熟、应用较为普遍的可调谐激光器,是共振拉曼研究时的理想光源。

一般来说,拉曼光谱与激光的波长无关,选择不同波长的激光主要取决于研究对象。

研究生物蛋白质、细胞等,需要波长较长的近红外光,以避免荧光对拉曼光谱的干扰。

对于一些深色、黑色粉末样品,由于近红外的热效应会使热背景干扰拉曼光谱,此时选择可见光区的激光更为合理。

研究化学发光和荧光光谱,则需选择紫外激光器。

在研究颜料时,选配514纳米和785(或830纳米)纳米两种波长的激光器基本够用,对于红、黄、白色颜料采用785纳米的激光器进行分析,对于蓝、绿色颜料则采用514纳米的激光器进行分析。

在激光出现以前,主要用低压水银灯作为光源,但目前已很少使用。

为了激发拉曼光谱,对光源的主要要求是具有良好的单色性,即线宽要窄,并能在试样上给出高辐照度。气体激光器能满足这些要求,自准性能好且是平面偏振的,各种气体激光器可提供许多条功率水平不同的分立波数的激发线。最常用的氩离子激光,波长为514.5nm和488.0nm的谱线最强,单频输出功率为0.2-1W左右,也可以用氦氖激光(632.8nm,约50mW)。

按照光的相干性可分为非相干光源和相干光源。非相干光源包括白炽光源和发光二极管(LED),相干光源包括各种激光器。

激光器按工作物质的不同,可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器和半导体激光器等。半导体光源是光纤系统中最常用且最重要的光源,其主要优点是体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、亮度足够、供电电源简单等,与光纤的特点相容,因此在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用。半导体光源又可分为发光二极管(LED)和半导体激光器(LD),这两种器件结构明显不同,但包含相同的物理机理,其增益带宽高于任何其他媒质,主要是因为光子发射是由两个能带间的电子运动所致,半导体激光器的典型增益曲线延宽到10¹²Hz。此外,还有紫外光源,比如214nm。

拉曼光谱的数据分析与处理

Thermo Galactic的GRAMS/AI、GRAM、origin等软件都可以进行平滑处理,但在平滑时需格外小心,因为很容易造成小峰丢失和峰位位移。

一般来说,最好使用与仪器相匹配的软件

拉曼光谱实际测试中的问题及解决方法

测试透明有机物液体出现玻璃光谱问题

原因分析:一是玻璃管被污染得厉害;二是焦点位置不对,聚在了玻璃上;三是有机液体中分析物质浓度过低,因为拉曼测定的是散射光,在溶液中的强度相对较低,所以分析物浓度要大些;四是未使用共聚焦拉曼,若使用共聚焦拉曼,聚焦点要在毛细管的溶液里面才好,可以在溶液中放点“杂物”方便聚焦。

解决措施:使用凹面载玻片,使液体量增多,然后用显微镜聚焦好;如果液体有挥发性,最好在液体上用盖玻片,然后将焦点聚焦到盖玻片以下;还可以查一下“液芯光纤”。

生物样品拉曼光谱荧光问题

荧光特性:原则上说,拉曼谱中的荧光和荧光谱中的荧光在激发波长和功率密度相同的情况下是一样的,但要注意横坐标要从波数变换为纳米,即用10000000nm(1cm)除以波数。不同波长的激发光照射样品,得到的拉曼相近,但荧光可能有很大不同,甚至相同波长不同功率激发,荧光谱也会大不一样。生物样品一般荧光峰比较宽。

校正方法:用荧光光测试之前一般要先做仪器本身曲线校正,也就是仪器本身的响应曲线,这样测出的荧光峰才比较准,特别是对于宽峰更要做这个校正。而拉曼光谱一般采集的区域比较窄(指的是波长区域),在窄的波长范围内变化不大,因此一般不考虑仪器本身响应曲线误差,但用拉曼光谱来测宽荧光峰,影响就比较大。

固体粉末拉曼图谱荧光湮灭拉曼峰问题

处理方法:一是使用SERS技术或者使用很少量的样品进行测量,或者将样品稀释到一些别的基体里面去;二是如果波长不可调,激光强度应该是可调的,可以把激光强度调低点试试,这个在光源和软件上都有调节功能,全调到比较低的强度后再用长时间试试;三是尝试找一种溶剂溶解粉末,看能否猝灭荧光背景

拉曼光谱的测量能力

拉曼光谱可以测量应力,当应力有差别时拉曼会有微小频移。

对于薄膜的厚度和折射率,一般来说拉曼光谱不能直接测量,不过现在的共焦显微拉曼可以对膜及不同层膜进行分析。

拉曼做金属氧化物含量的下限与待测样品的拉曼活性有关,并不能绝对说一定能测到多少检测线,有些氧化物可能纯的样品也测不出光谱,信号强的则可能检测下限会低一些。

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景颐光电还将为用户提供全面的技术支持和服务,如谱图库的建立、方法和验证、IQ/OP/PQ认证支持等,助力拉曼光谱技术在各个领域的广泛应用。

 

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