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拉曼光谱仪原理,拉曼光谱仪工作原理你知道吗?

文章来源:未知人气:发表时间:2017-07-26

      拉曼光谱简介:拉曼光谱(Raman spectra),是一种散射光谱。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。拉曼光谱仪小编向你讲解拉曼光谱仪原理:

      拉曼散射光谱具有以下明显的特征:
      a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同,但对同一样品,同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关;
      b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上,斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。
      c. 一般情况下,斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布,处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。


 
       拉曼光谱仪原理,拉曼光谱仪工作原理:当一束频率为v0的单色光照射到样品上后,分子可以使入射光发生散射。大部分光只是改变光的传播方向,从而发生散射,而穿过分子的透射光的频率,仍与入射光的频率相同,这时,称这种散射称为瑞利散射;还有一种散射光,它约占总散射光强度的 10^-6~10^-10,该散射光不仅传播方向发生了改变,而且该散射光的频率也发生了改变,从而不同于激发光(入射光)的频率,因此称该散射光为拉曼散射。在拉曼散射中,散射光频率相对入射光频率减少的,称之为斯托克斯散射,因此相反的情况,频率增加的散射,称为反斯托克斯散射,斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多,拉曼光谱仪通常大多测定的是斯托克斯散射,也统称为拉曼散射。

        散射光与入射光之间的频率差v称为拉曼位移,拉曼位移与入射光频率无关,它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的(电子云发生变化)。拉曼位移取决于分子振动能级的变化,不同化学键或基团有特征的分子振动,ΔE反映了指定能级的变化,因此与之对应的拉曼位移也是特征的。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据。

 
激光拉曼光谱仪工作原理图
 
       分子能级与分子光谱
    分子运动包括整体的平动、转动、振动及电子的运动。分子总能量可近似看成是这些运动的能量之和,分别代表分子的平动能、电子运动能、振动能和转动能。除 外,其余三项都是量子化的,统称分子内部运动能。分子光谱产生于分子内部运动状态的改变。分子有不同的电子能级,每个电子能级又有不同的振动能级。而每个振动能级又有不同的转动能级。
 
       一定波长的电磁波作用于被研究物质的分子,引起分子相应能级的跃迁,产生分子吸收光谱。引起分子电子能级跃迁的光谱称电子吸收光谱,其波长位于紫外~可见光区,故称紫外-可见光谱。电子能级跃迁的同时伴有振动能级和转动能级的跃迁。引起分子振动能级跃迁的光谱称振动光谱,振动能级跃迁的同时伴有转动能级的跃迁。红外吸收和拉曼散射光谱是分子的振动-转动光谱。用远红外光波照射分子时,只会引起分子中转动能级的跃迁,得到纯转动光谱。 
 
拉曼光谱原理图
拉曼光谱原理图
 
 
       拉曼散射
  拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射效应。当用一定频率的激发光照射分子时,一部分散射光的频率和入射光的频率相等。这种散射是分子对光子的一种弹性散射。只有分子和光子间的碰撞为弹性碰撞,没有能量交换时,才会出现这种散射。该散射称为瑞利散射。还有一部分散射光的频率和激发光的频率不等,这种散射成为拉曼散射。Raman散射的几率极小,最强的Raman散射也仅占整个散射光的千分之几,而最弱的甚至小于万分之一。
  
        处于振动基态的分子在光子的作用下,激发到较高的、不稳定的能态(称为虚态),当分子离开不稳定的能态,回到较低能量的振动激发态时,散射光的能量等于激发光的能量减去两振动能级的能量差。
 
拉曼散射原理图
拉曼散射原理图


拉曼光谱仪运用到几种重要的分析技术
1、单道检测的拉曼光谱分析技术
2、以CCD为代表的多通道探测器的拉曼光谱分析技术
3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术
4、共振拉曼光谱分析技术
5、表面增强拉曼效应分析技术



拉曼光谱用于分析的优点和缺点
优点
1、拉曼光谱用于分析的优点
拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理,也没有样品的制备过程,避免了一些误差的产生,并且在分析过程中操作简便,测定时间短,灵敏度高等优点。

不足
2、拉曼光谱用于分析的不足
(1)拉曼散射面积
(2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响
(3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰
(4)在进行傅立叶变换光谱分析时,常出现曲线的非线性的问题
(5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染,这等于引入了一些误差的可能性,会对分析的结果产生一定的影响。

 

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