激光拉曼光谱分析法和红外光谱分析法

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1、材料微观结构分析法一、激光拉曼光谱分析法1・拉曼光谱的基本原理当用单色光照射透明样品是，大部分光透过而小部分会被样品在各个方向上散射。这些光的散射又分为瑞利散射和拉曼散射两种。瑞利散射和拉曼散射若光子和样品分子发生弹性碰撞，即光子和分子之间没有能量交换，即光子的能量保持不变，散射光能量和入射光能量相同，但方向可以改变。这种光的弹性碰撞，叫做瑞利散射。当光子和样品分子发生非弹性碰撞时，散射光能量和入射光能量大小不同，光的频率和方向都有所改变，这种光的散射成为拉曼散射。其散射光的强度约占总散射光强度的10七〜10”。拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量

2、。1.2拉曼散射的产生拉曼散射的产生可以从光子和样品分子作用时光子发生能级跃迁来解释。样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但乂不足以将分子激发到电子能级激发态。样品分子在吸收了光子后，被激发到较高的不稳定的能态（虚态）。当样品分子激发到虚态后又回到低能级的振动激发态，此时激发光能量大于散射光能量，散射光频率小于入射光。这时在瑞利散射线较低频率侧就会出现一根拉曼散射线,这条线称为Stokes线。若光子与处于振动激发态（VJ的分子相互作用，是分子激发到更高的不稳定能态后乂冋到振动激态（V。），散射光的能量大于激发光，在瑞利散射线高频率

3、侧会出现一拉曼散射线，这条线称为Anti-stokes线。Vo+AVVoV0+AV7「r=VLr虚态激发态基态Anti-stokes线瑞利散射Stokes线拉曼散射机制图示1.3拉曼位移Stokes与Anti-stokes散射光的频率与激发光之间频率的差值AV称为拉曼位移。一般斯托克斯散射光比反斯托克斯散射光强度大得多，故在拉曼光谱分析中通常测定斯托克斯散射光线。拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同的化学键或基态有不同的振动方式，决定了其能级间的能量变化，与Z对应的拉曼位移是特征的。这是拉曼光谱进行分子结构定性分析的理论依据。2基本仪器及功能拉曼光谱仪一般由光源、外光路、色散

4、系统、及信息处理与显示系统五部分组成。其仪器机构如下图所示：拉曼光谱仪器结构图2.1光源它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光。目前拉曼光谱实验的光源己全部用激光器代替历史上使用的汞灯，。对常规的拉曼光谱实验，常见的气体激光器基本上可以满足实验的需要。在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定。2.2外光路外光路主要包插聚光、集光、样品架、滤光和偏振等部件构成。其主要功能是对光源发出的光进行聚焦后照射样品，并消除杂散射光及退偏光对测定的干扰。2.3色散系统色散系统的作用是使拉曼散射光按波长在空问分开，通常使用单色仪。由于拉曼散射强

5、度很弱，因而要求拉曼光谱仪有很好的杂散光水平。各种光学部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是仪器杂散光的主要来源。当仪器的杂散光本领小于10“时，只能作气体、透明液体和透明晶体的拉曼光谱。2.4接收系统拉曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。光电倍增管接收就是单通道接收。2.5信息处理与显示提取拉曼散射信息，常用的电子学处理方法是直流放大、选频和光子计数，然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。3.适用范围通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况，从而可以鉴别物质，分析物质的性：鉴别毒品；监测水果表面残留农药；污染物鉴别；宝石和矿物鉴别；药物片剂中化合物的分布等。以及

6、大量的在地质学和矿物学的应用、在制作一些新型碳材料、半导体材料的应用等。二、红外光谱分析法1•基本原理每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子屮各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如仲缩振动和变角振动）。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变吋，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。分子的振

7、动和转动的能量不是连续而是量子化的。但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光谱。2.基本仪器及原理傅里叶变换红外光谱仪，简称为傅里叶红外光谱仪。它不同于色散型红外分光的原理，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分朿器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、坏保、海关、宝石鉴定、刑