拉曼光谱仪的原理及应用 发布日期:2021-04-21 09:05:55    文章来源:莱雷科技

拉曼光谱仪的原理及应用

拉曼光谱是印度科学家C.V.Raman发现的一种基于拉曼散射效应的分析方法,通过对入射光不同频率的散射光谱进行分析,获得分子振动和旋转的信息,并应用于分子结构的研究。

拉曼光谱仪原理:

当光线照射分子并与分子中的电子云和分子键相互作用时,会产生拉曼效应。对于自发拉曼效应,光子激发分子从基态到虚能态。当被激发的分子发射光子时,它会返回到与基态不同的旋转或振动状态。基态和新态之间的能量差使得释放光子的频率不同于激发光的波长。

如果分子在最终振动态的能量高于初始态的能量,则激发光子的频率较低,以保证系统的总能量守恒。这种频率变化称为斯托克斯位移。如果分子在最终振动态的能量低于初始态的能量,则激发光子的频率较高,称为反斯托克斯位移。拉曼散射是非弹性散射的一个例子,因为能量是通过光子和分子之间的相互作用传递的。

拉曼光谱主要用于有机化学中的结构鉴定和分子相互作用。它是红外光谱的补充,可以识别特殊的结构特征或特征群。Abdel-Rahman位移的大小、强度和形状是识别化学键和官能团的重要依据。拉曼光谱也可以用来测定分子的异构体。

在化学中,催化剂本身和催化剂的拉曼光谱可以提供表面材料的结构信息,也可以用于催化剂制备过程的实时分析。同时,基于电化学界面结构问题和分子水平上的吸附反应问题,拉曼光谱是进一步研究工作电极/溶液界面结构和性能的重要手段,并应用于电学、刻蚀和电镀技术。

拉曼光谱可以提供许多有关高分子材料结构的重要信息。如分子结构与组成、立体规整性、结晶与取向、分子间相互作用、表面与界面结构等。聚合物的立体化学纯度可以有拉曼峰的宽度。随机位置样品和头尾混合结构样品的拉曼峰弱而宽,而高度有序样品的拉曼峰强而尖。

拉曼光谱是材料科学中研究物质晶界结构、相组成中的界面等问题的有力工具。包括:

(1) 薄膜结构材料的拉曼光谱:拉曼光谱已成为化学气相沉积(CVD)薄膜的检测和鉴定方法。拉曼光谱可以用来研究单晶硅、多晶硅、微硅和非晶硅的结构,以及硼化非晶硅、氢化非晶硅、金刚石和类金刚石薄膜的结构。

(2) 超晶格材料研究:通过测量超晶格应变层的拉曼频移,可以计算出应变层的应力。

(3) 半导体材料研究:拉曼光谱可以测量离子注入后半导体损伤的分布、半磁性半导体的成分、外延层的质量以及外延混合物的成分载流子浓度。

拉曼光谱仪是研究生物大分子的有力工具,由于水的拉曼光谱非常微弱,光谱非常简单,所以拉曼光谱可以改变生物大分子的结构,使其处于接近自然、活性的状态。

生物大分子的拉曼光谱可以同时获得许多有价值的信息

(1) 蛋白质二级结构:螺旋、折叠、无规卷曲和旋转

(2) 蛋白质的主链结构为:胺Ⅰ、胺Ⅲ、胺CC、胺CN。

(3) 蛋白质的侧链构象:两个苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸侧链及其微环境变化星座形式

(4) 羧基、巯基、S-S和C-S的构象变化对构象变化敏感

(6) DNA的分子结构以及DNA与其他分子的相互作用。

(7) 研究脂质与生物膜、结构、成分等的相互作用。

(8) 它为生物膜中蛋白质和脂质的相互作用提供了重要的信息。

各种中草药的拉曼光谱反映了由于其化学成分的不同而导致的拉曼光谱的差异。拉曼光谱在中药研究中的应用包括:

1高效薄层色谱法(TLC)能有效地分离中草药,但不能获得各组分的结构信息。表面增强拉曼光谱(SERS)具有峰型窄、灵敏度高、选择性好等优点,可用于中草药化学成分的高灵敏度检测。将薄层色谱(TLC)与SERS指纹图谱相结合,对中草药成分进行原位分析是一种新方法。

拉曼光谱无需破坏样品,可用于中药材样品的无损鉴定,对研究有价值的中药材具有重要意义。

可用于中药稳定性预测和质量监控。

由于中草药、中成药和复方药的复杂混合体系,不需要分离提取任何成分,直接与细菌和细胞相互作用。通过拉曼光谱采集细菌和细胞的光谱,无损伤。观察细菌和细胞的损伤程度,研究其药理作用,优化中药、中成药及配方。