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拉曼光谱及应用深度解析

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发表时间:2016-08-03 11:46作者:武汉铄思百检测技术有限公司

  拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应,对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息,并应用于分子结构研究的一种分析方法。

  在很长的一段时间,由于拉曼与生俱来的缺点(信号弱)而限制了它的应用,但是随着仪器技术的发展,仪器的灵敏度和分辨率不断提高,体积减小了,操作也简单了,同时仪器的价格也降低了,很多单位已经可以买的起了,用户也越来越多。总体来说现在拉曼光谱仪已经向分析型仪器方向发展了,应用领域也由原来的材料领域,拓展到了化学、催化、刑侦、地质领域、艺术、生命科学等各个领域,甚至有一些QC领域也已经开始使用拉曼光谱仪了。

  不过,我们同时也发现,由于当前拉曼光谱仪的用户还不是很多,很多用户拉曼光谱相关基础较弱,在使用过程中总会遇到一些问题,如Ramanshift和wavenumber是一回事吗?拉曼谱里面得到的荧光背景和荧光光谱仪里面的荧光图区别在哪里?激光拉曼光谱和红外光谱有什么区别?

  为此,小编今天给大家分享一下拉曼光谱仪使用过程中的一些常见问题和解决方案,其中也包括了一些基础的概念性问题帮助您更好的理解其中的原理,即使您是“门外汉”,看完这些对拉曼光谱也会有一个比较清楚的了解。

  详细内容如下:

  一、测试了一些样品,得到的是Ramanshift,但是文献是wavenumber,不知道它们之间的转换公式是怎么样的?激光波长632.8nm。

  1. 两者是一回事。ramanshift即为拉曼位移或拉曼频移,频率的增加或减小常用波数差表示,拉曼光谱仪得到的谱图横坐标就是波数wavenumber,单位cm-1。

  2.两者一回事。

  拉曼频移ramanshift指频率差,但通常用波数wavenumber表示,单位cm-1,可以说某个谱峰拉曼位移是??波数,或??cm-1。

  3.在Raman谱中,wavenumber有两种理解,一种是相对波数,这时就等于Ramanshift;另一种是绝对波数(这在荧光光谱中用的比较多),这个绝对波数是与激发波长有关,不同的激发波长得到的绝对波数是不一样的,这时Ramanshift等于(10000000/激发波长减去Raman峰的绝对波数)。

  所以通常在Raman谱中,wavenumber一般可理解为Ramanshift。

  二、如何用拉曼光谱仪测透明的有机物液体,测试时放到了玻璃片上测出来的结果是玻璃的光谱。

  1. 我今天还在用激光拉曼测聚苯乙烯,没有出现你说的情况啊是不是玻璃管被污染的厉害?

  2. 你测出的玻璃的信号,有没有可能们焦点位置不对?

  3. 应该是聚焦位置不对,聚在玻璃上了,我以前也犯过同样的错误。

  4. 用凹面载玻片,液体量会比较多,然后用显微镜聚焦好就可以了,如果液体有挥发性,最好液体上用盖玻片,然后焦点聚焦到盖玻片以下。

  如果还不行,你可以查一下“液芯光纤”这个东东。

  5.建议:

  (1)有机液体里面的分析物质浓度多大? Raman测定的是散射光,所以在溶液中的强度相对比较底,故分析物浓度要大些。

  (2)你用的是共聚焦Raman吗?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。

  (3)玻璃是无定形态物质,应该Raman信号比较弱才对。

  三、我们这里有做生物样品的拉曼光谱的,在获得的图里面有很强的荧光,有的说,如果拉曼得不到就用其荧光谱。可我想问一下,在拉曼谱里面得到的荧光背景,是真正的荧光特征谱吗?这和荧光光谱仪里面的荧光图有什么区别?

  1. 原则上说,拉曼谱中的荧光和荧光谱中的荧光是一样的,只要激发波长和功率密度相同。注意横坐标要从波数变换为纳米,即用10000000nm(1cm)除以波数就行了。但有一点要注意,不同波长的激发光照射样品,得到的拉曼相近,但荧光可以有很大不同,甚至相同波长不同功率激发,荧光谱都大不一样。

  2. “注意横坐标要从波数变换为纳米,即用10000000nm(1cm)除以波数就行了”?

  Raman测定的是散射光,得到的是Raman shift. Raman shift和绝对波长(荧光光谱)之间要一个转换的吧。

  3. 生物样品一般荧光峰比较宽,用荧光光测试之前一般先会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较准。

  而Raman光谱一般采集的区域比较窄(指的是波长区域),一般在窄的波长范围变化不大,因此一般不考虑仪器本身响应曲线误差,但是Raman光谱来测宽荧光峰,影响就比较大。

  四、什么是共焦显微拉曼光谱仪?

  1. 共焦拉曼指的是空间滤波的能力和控制被分析样品的体积的能力。通常主要是利用显微镜系统来实现的。

  仅仅是增加一个显微镜到拉曼光谱仪上不会起到控制被测样品体积的作用的—为达到这个目的需要一个空间滤波器。

  2.(1)、显微是利用了显微镜,可以观测并测量微量样品,最小1微米左右

  (2)、共焦是样品在显微镜的焦平面上,而样品的光谱信息被聚焦到CCD上,都是焦点,所以叫共聚焦

  3. 拉曼仪器的共焦有2种呢,一种是针孔共焦,一种是赝共焦.我觉得好像不应该称为赝共焦,共聚焦有真正的定义说一定要针孔才是共聚焦吗?好像没有,顶多称为传统共聚焦或者针孔共聚焦、简单共聚焦之类的。

  五、请问,测固体粉末的拉曼图谱时,对于荧光很强的物质,应该如何处理?特别是当荧光将拉曼峰湮灭时,应该怎么办?增加照射时间的方法,我试过,连续照射了4小时,结果还是有很强的荧光。我只有一台532nm的激光器,所以更换激光波长的方法目前我不能用。想问问各位,还有别的方法吗?

  1. 使用SERS技术或者使用很少量的样品进行测量,或者稀释你的样品到一些别的基体里面去,比如说KBr。

  2. 波长不可调的话,激光强度应该是可调的,你把激光强度调低点试试。这个在光源和软件上都有调的。全调到比较低的,然后再用长时间试试。

  3. 可以尝试找一种溶剂溶解粉末,看能不能猝灭荧光背景。采用反斯托克斯,滤光片用Nortch滤光片。

  六、请问用激光拉曼仪能测量薄膜的厚度、折射率及应力吗?它能对薄膜进行那些方面的测量呢?

  1. 应该不能测薄膜的厚度、折射率及应力吧

  2. 现在的共焦显微拉曼可以做膜及不同层膜的,你的问题我觉得用椭偏仪更好

  3. 拉曼光谱可以测量应力,厚度好像不行

  4. 应力可以测,应力有差别的时候拉曼会有微小频移,其他两种没听说过拉曼能测

  七、拉曼做金属氧化物含量的下限是多少? 我有一几种氧化物的混合物,其中MoO3含量只有5%,XRD检测不到,拉曼可以吗?

  应该和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,信号强的则可能会低一些

  八、小弟是刚涉足拉曼这个领域,主打生物医学方面。实验中,发现温度不同时,拉曼好像也不一样。不知到哪位能帮忙解释一下这个现象。

  温度升高,拉曼线会频移,线宽会变宽,只要物质状态不变,特征峰不会有太大变化,除非高温造成化学反应或者其他变化。

  九、文献上说,拉曼的峰强与物质的浓度是成正比关系,那么比如我配置1mol/L的某溶液,和0.5mol/L的溶液,其峰强度是正好一半的关系吗?应用拉曼,是否能采用峰积分,或者用近红外那样的多元统计的办法来定量吗?准确度怎么样?

  存在激发效率的问题,拉曼一直以来被认为只能做半定量的研究,就是因为不是线性的,有这方面的文献,具体记不清了。

  十、拉曼峰1640对应的是什么东西啊?无机的。

  1. 这个峰一般来说是C=O双键的峰,可是你说是无机物,很有可能是某一个基团的倍频峰,看看820左右或者是某两个峰的叠加。

  2. 也有可能是你在测量过程当中由于激光引起的碳化物质。还有一种可能就是C=C.

  3. 拉曼在1610-1680波数区间有C=N双键的强吸收

  十一、1 红外分析气体需要多高的分辨率?

  2 拉曼光谱仪是否可分析纯金属?

  3 红外与拉曼联用,BRUKER和NICOLET哪个好些?

  1,分析气体时理论上最高只需0.5cm-1。实际应用上绝大部分情况下4cm-1已足够。对于气体,还是希望分辨率高一些好,一般都用1cm-1一下,这样对气体的一些微小峰的变化检测更好

  2,基本上不可能。

  金属不太可能作出来,因为一般不发生分子极化率改变。

  3,这两家公司的红外各有千秋相差不多,关键是你更看重哪些指标。

  十二、我想请问一下这里的高手测定过渡金属络合物水溶液中金属与有机物中的某个原子是否成键可以用拉曼光谱分析吗?

  如果键能对应的波数在100cm-1以上,估计是可以的,现在比较新的拉曼光谱仪就可以

  十三、金红石和锐钛矿对紫外Raman的响应差别大不大?同样条件下的金红石和锐钛矿的Raman峰会不会差很多?

  用不同的激发光激发样品,若激光对样品没有破坏作用,拉曼谱图中谱峰的相对强度有时会发生一些变化,但不会完全变了,否则就很难用拉曼光谱进行定性分析了。

  TiO2矿物的情况比较特殊,它们有三种晶型:锐钛矿、板钛石和金红石,其中板钛矿比较少见。锐钛石的特征是142cm-1左右的强峰,金红石中此峰消失或很弱。但我们经常见到的不是这两种极端情况,而多是介于金红石或锐钛石中间的TiO2相。有时一个颗粒中,若激光作用在不同的点上,也会打出差别较大的谱图来。

  你说的情况,可能有两个原因:一是换波长后,激光与样品的作用点移动;二是激光的能量使样品的晶型发生变化。我个人觉得第一种的可能性较大。

  十四、什么是3CCD?

  CCD,是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写,它是一种特殊半导体器件,上面有很多一样的感光元件,每个感光元件叫一个像素。CCD在摄像机里是一个极其重要的部件,它起到将光线转换成电信号的作用,类似于人的眼睛,因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。

  衡量CCD好坏的指标很多,有像素数量,CCD尺寸,灵敏度,信噪比等,其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成,每个点就是一个像素。显然,像素数越多,画面就会越清晰,如果CCD没有足够的像素的话,拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响,因此,理论上CCD的像素数量应该越多越好。但CCD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降,而且在现行电视标准下,像素数增加到某一数量后,再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显,因此,一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。

  单CCD摄像机是指摄像机里只有一片CCD并用其进行亮度信号以及彩色信号的光电转换,其中色度信号是用CCD上的一些特定的彩色遮罩装置并结合后面的电路完成的。由于一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换,因此难免两全,使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很的要求。为了解决这个问题,便出现了3CCD摄像机。

  3CCD,顾名思义,就是一台摄像机使用了3片CCD。我们知道,光线如果通过一种特殊的棱镜后,会被分为红,绿,蓝三种颜色,而这三种颜色就是我们电视使用的三基色,通过这三基色,就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。如果分别用一片CCD接受每一种颜色并转换为电信号,然后经过电路处理后产生图像信号,这样,就构成了一个3CCD系统。

  和单CCD相比,由于3CCD分别用3个CCD转换红,绿,蓝信号,拍摄出来的图像从彩色还原上要比单CCD来的自然,亮度以及清晰度也比单CCD好。但由于使用了三片CCD,3CCD摄像机的价格要比单CCD贵很多,所以只有专业用的摄像机才会使用3CCD。

  十五、请教我所作的实验是用柠檬酸金属盐溶胶拉制成纤维,想做一下拉曼光谱来证明是否有线性分子的存在,可以吗?

  1. 当然可以了,但是这要拉曼方面比较深厚的基础,可以先建立模型进行模拟,然后跟实验相对照,能对应就是最大的说服力了,说不定能发到国际上影响力很高的杂志呢

  2. 拉曼光谱应该和分子的对称性相关,通过群论可以知道那些谱峰是有活性的,理论上是可以做到的。但对于较大的分子可能不容易啊

  十六、在测量拉曼光谱仪的灵敏度参数时,有人提出,单晶硅的三阶拉曼峰的强度跟硅分子的取向(什么111,100之类)的有关,使用不同取向的硅使用与其相匹配的激光照射时,其强度严重不一样,是这样吗?不知道大家测量激光拉曼光谱仪的灵敏度时都是怎么测量的?

  1. 是的,硅单晶片放置的方向不同峰的强度不同。一般只观察520cm-1峰的强度,不同的硅片取向,不同倍数的物镜,长焦物镜或短焦物镜,520cm-1峰的强度都不同。

  2. 520cm-1处好像不是硅的三阶峰的位置吧,测试灵敏度的时候一般是硅的三阶峰的信噪比来衡量呀。520处是跟硅的取向有关系,但是单晶硅的三阶拉曼峰呢?

  3. 硅三阶峰位置1440cm-1。

  4. 关于硅晶体各向异性的说明可以做偏振拉曼光谱,有些楼主同志说拉曼强度跟光源强度,透镜倍数,等因素有关,说法没错,但是这个跟硅的各向异性并没多大关系,随便一个样品的拉曼强度都跟这些因素有关!!!

  硅的各向异性,比如以VV偏振沿硅的111和110面做谱图,在光源强度,透镜倍数等因素都相同条件下拉曼强度是不一样的,根据这些强度还有入射角度,偏振配置可以计算出硅的各向异性指标!!!

  这里可能涉及到很多拉曼光谱的原理和偏振光学,偏振配置,等等的一些计算方法(涉及到的理论包括:群论,晶体结构理论,固体物理,偏振光学,拉曼原理等理论)

  十七、请问如何进行拉曼光谱数据处理?

  1. 可以找相关的拉曼书上有一些特征峰的波数,自己对照分析。也可以在仪器软件中的标准谱图搜索,不过标准谱图不太多的。

  2. 如果你有数据库可以先比对一下能否确定物质种类,其次可以对峰位、信号强度等信息用曲线拟合方式进行分析。

  十八、拉曼系统自检具体是检测哪些硬件?是个什么过程?

  主要是检测仪器内的运动部件,如需要旋转角度的光栅等。这种部件都会有自己的“机械零点”作为参考点。

  十九、请教作激光拉曼测试,样品如何预处理?

  1. 一般来说,样品都不需要做预处理,不象红外那样麻烦。分析固体和液体比较容易,气体就难了,除非密度很大,否则只能用大型拉曼

  2. 表面打磨一下或用酒精丙酮一类的东西清洗一下更好,不这样也行,在做的时候聚焦在比较干净平整的地方就行。

  二十、请问激光拉曼光谱是什么意思?

  拉曼光谱是一种散射光谱,利用激光(多用可见激光,有时也用紫外激光,在付里叶变换拉曼光谱仪中则用近红外激光)照射样品,通过检测散射谱峰的拉曼位移及其强度获取物质分子振动-转动信息(这些信息在红外光谱区)的一种光谱分析法。

  拉曼光谱与红外光谱俗称姊妹谱,都用于检测物质分子的振动-转动信息。所不同的是,红外光谱是通过直接检测样品对红外光的吸收情况来获得的。

  二十一、请教喇曼谱实验时,如何选择激发波长,1064nm?还是785nm或633nm?

  1. 多看看相关文献,我做的蛋白质常用514nm,也可以用紫外200nm附近激发即为共振拉曼,浓度低也可以测。

  2. 理论上讲,拉曼光谱与激发光的波长无关。但有的样品在一种波长的激光激发下会产生强烈荧光,对拉曼光谱产生干扰。这时要换一种激发光,以避开荧光的干扰。若样品在不同激光激发下都不发荧光,则随使用哪一种激光都可以。

  3. 根据瑞利定律,拉曼散射线的强度与激发光波长的四次方成反比。如果不考虑检测器等因素,当然是激发光的波长越短越好,最好是紫外激光。但可惜的是,现在用于拉曼光谱仪上的CCD最好的响应波长在620nm左右,480nm以下的响应非常差,若CCD技术不进一步改进,紫外激光器对拉曼光谱仪很难说是一种有用的激光器。

  二十二、拉曼信号对入射角和出射角的响应又是什么样?我的样品是有衬底支持的薄膜样品(膜厚几百纳米--几微米),怎样扣除衬底的影响?

  1. 从散射载面看,散射光的收集方向与入射光方向成90度效果最好,但现在的小拉曼光谱仪都是用背散射方向,因为仪器的灵敏度提高了,接收方向一般不是个问题,除非想做偏振研究。

  2. 扣背底问题:有一个说法是“样品+衬底”做一张图,“衬底”做一张图,然后数据相减,但实践证明这种方法不是很好,经常出现负峰或谱图怪异现象。干吗非要扣背底呢?背底留着也能说明点问题,除非样品峰与背底峰有干扰。如果有干扰,试试所谓共焦(confocal)技术看看灵不灵。

  二十三、微区拉曼和普通拉曼有区别吗,尤其在图谱上?多晶,单晶和非晶拉曼有何区别?

  1. 1)微区拉曼和普通拉曼只是实验方法不同,拉曼谱图的形状原则上只取决于样品,当然实验方法不同对拉曼光谱图的记录效果有影响。

  2)若不做偏振实验,单晶和粉晶的拉曼光谱图不会有太大差别,只是某些谱峰的相对强度有些不同。单晶与粉晶的拉曼光谱图中的谱峰较尖锐,而非晶的谱峰趋于宽化。

  2. 微区拉曼和普通拉曼应是测试范围上的不同吧

  二十四、我是做复合材料的研究的,主要是想研究纤维增强复合材料的界面性能?

  确实,理论上是可以。目前使用拉曼光谱测定晶体应力分布已经很成熟了,如在半导体行业已经作为质量控制的主要手段 - 对半导体器件进行逐点扫描,再以特征信号的峰位为参量生成图像,便可反映出应力空间分布情况,从而指导工艺尽量避免应力的发生。

  二十五、学校有一套天津港东的拉曼光谱仪,计划给学生开一个测量固体(或粉末)拉曼光谱的实验。试了几种材料都不明显,各位高人能推荐几种容易找到的象四氯化碳拉曼光谱那么明显的固体,晶体,或者粉末吗?

  1. 路边抓点沙子就可以了。 沙子中多是石英晶体,测拉曼光谱应该很容易,当年在拉曼发现拉曼效应的同时,苏联科学家就是在石英中发现了同样的效应,我想那时的实验条件绝不会比现在的好。

  2. 金刚石或合成金刚石的峰非常特征,很强很明显。小粒的合成金刚石极便宜

  3. 特氟隆就很好。单晶硅更好

  4. 散射太强是因为瑞利线滤除的程度不够,你可尝试低反射样品,如液体(四氯化碳、酒精等)。港东的谱仪恐怕测石英有困难,散射光太强,其灵敏度可能也不足以测得石英信号。硅片也一样,抛光的表面会使得探测器被饱和掉。

  二十六、我们研究小组新近涉及碳纳米管的领域。由于纳米管的Raman信号很弱,就是要重复不断的测试才能在1600cm-1的附近得到峰。请问具体操作条件应该怎么选。如laser的功率,解析度,扫描数scannumber等等,我们用的Raman仪器是(Brucker, RFS-100/S)。

  1. 用514激发光,很好测定。

  2. 你用的谱仪灵敏度太差。现在单根碳纳米管的拉曼信号都能测的很好,只不过有的用514效果好一些,而有的用633好一些。

  二十七、激光拉曼光谱仪应该可以实现快速的定量分析,但经过前段时间一些咨询,使我对其是否可进行快速分析颇存疑问,尤其是气体分析。请问,一般来说分析一次样品(气体或固体)的时间是多长?

  1. 分析速度取决于仪器的灵敏度和样品本身。通常分析一个样品,强信号几秒钟即可,若信号较弱,则需几分钟。

  2. 做定量分析,仪器本身所需的时间很短,秒级。

  3. 我用拉曼光谱测过白酒,但是光谱的重现性很差,而且检测限不是很好。采样软件上有自带的基线扣除功能。对于一个样品,如果我要测定三次。如果每次都扫描了本底,然后测光谱,那么三条光谱的重现性就比较差,如果说只测定一次本底,然后扫描三次样品,那么样品的重现性就比较好。总体做下来,拉曼的定量效果肯定是不如近红外,但是拉曼光谱到底能否应用于定量,有待进一步验证,我做的是低档的白酒,几乎都是勾对的,所以定量的时候预测的效果还可以,采用原始光谱预测标准差可达到86%。不知换了其他样品的效果如何,有待进一步研究。



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