現(xiàn)代光譜技術(shù)第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容：1、拉曼光譜簡介及原理2、碳納米管及碳納米線簡介3、碳納米管分類4、碳納米管和碳納米線的拉曼光譜第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日1928年印度科學家拉曼(C.V.Raman)與克里希南(K.S.Krishnan)在液體與蒸汽中發(fā)現(xiàn)了拉曼散射現(xiàn)象

當一束光入射到分子上時，除了產(chǎn)生與入射光頻率ω0相同的散射光以外，還有頻率分量為ω0±ωM的散射光，ωM是與分子振動或轉(zhuǎn)動相關(guān)的頻率，拉曼散射非常弱。拉曼獲得了1930年度的諾貝爾獎

由分子振動、聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射稱為拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起來所形成的光譜稱為拉曼光譜。拉曼光譜簡介：第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日拉曼散射效應(yīng)的發(fā)展拉曼散射效應(yīng)是印度物理學家拉曼（）于1928年首次發(fā)現(xiàn)的，本人也因此榮獲1930年的諾貝爾物理學獎。1928~1940年，受到廣泛的重視，曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。這是因為可見光分光技術(shù)和照相感光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來的緣故；1940~1960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因為拉曼效應(yīng)太弱（約為入射光強的10-6），并要求被測樣品的體積必須足夠大、無色、無塵埃、無熒光等等。所以到40年代中期，紅外技術(shù)的進步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落；1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復興。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等優(yōu)點，成為拉曼光譜的理想光源。隨探測技術(shù)的改進和對被測樣品要求的降低，目前在物理、化學、醫(yī)藥、工業(yè)等各個領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來越受研究者的重視。第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日

拉曼效應(yīng)為光子與樣品中分子的非彈性碰撞，即光子與分子相互作用中有能量的交換。

入射光子的能量為hν0，當與分子碰撞后，可能出現(xiàn)兩種情況：●第一種是分子處于基態(tài)振動能級，與光子碰撞后，分子從入射光子獲取確定的能量hν1達到較高的能級。則散射光子的能量變?yōu)閔（ν0－ν1）=hν，頻率降低至ν0－ν1。形成能量為h（ν0－ν1）、頻率為ν0－ν1的譜線?！窳硪环N是分子處于激發(fā)態(tài)振動能級，與光子碰撞后，分子躍遷回基態(tài)而將從確定的能量hν1傳給光子。則散射光子的能量變?yōu)閔（ν0＋ν1）=hν，頻率增加至ν0＋ν1。形成能量為h（ν0＋ν1）、頻率為ν0＋ν1的譜線?！駜煞N情況，散射光子的頻率發(fā)生變化了，減小或增加了，稱為拉曼位移。拉曼效應(yīng)第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日在透明介質(zhì)的散射光譜中，頻率與入射光頻率υ0相同的成分稱為瑞利散射；頻率對稱分布在υ0兩側(cè)的譜線或譜帶υ0±υ1即為拉曼光譜，其中頻率較小的成分υ0－υ1又稱為斯托克斯線，頻率較大的成分υ0＋υ1又稱為反斯托克斯線。拉曼光譜的理論解釋是，入射光子與分子發(fā)生非彈性散射，分子吸收頻率為υ0的光子，發(fā)射υ0－υ1的光子，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（斯托克斯線）；分子吸收頻率為υ0的光子，發(fā)射υ0＋υ1的光子，同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯線)。第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日透過光λ不變?nèi)鹄⑸洇瞬蛔兝⑸洇俗儲嗽龃螃藴p小樣品池第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日幾種重要的拉曼光譜分析技術(shù)

1、單道檢測的拉曼光譜分析技術(shù)2、以CCD（ChargeCoupledDevice）為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術(shù)3、采用傅立葉變換技術(shù)的FT-Raman光譜分析技術(shù)4、共振拉曼光譜分析技術(shù)5、表面增強拉曼效應(yīng)分析技術(shù)第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日激光-拉曼光譜原理光的瑞利散射

一個頻率為ν0的單色光，當它不能被照射的物體吸收時，大部分光將沿入射光束通過樣品，在約1/105～1/106有強度的光被散射到各個方向。并在與入射方向垂直的方向，可以觀察到這種散射?！袢鹄⑸錇楣馀c樣品分子間的彈性碰撞，光子的能量或頻率不變，只改變了光子運動的方向?！裆⑸涔獾膹姸扰c散射方向有關(guān)，且與入射頻率的四次方成正比。第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日Rayleigh散射：

彈性碰撞；無能量交換，僅改變方向；Raman散射：

非彈性碰撞；方向改變且有能量交換；E0基態(tài)，E1振動激發(fā)態(tài)；E0+h0，

E1+h0激發(fā)虛態(tài)；獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài).激光拉曼光譜基本原理

principleofRamanspectroscopy

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激發(fā)虛態(tài)第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日Raman散射Raman散射的兩種躍遷能量差：

E=h(0-

)產(chǎn)生stokes線；強；基態(tài)分子多；

E=h(0+

)產(chǎn)生反stokes線；弱；Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差；ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日共振拉曼散射當激光頻率接近或等于分子的電子躍遷頻率時，可引起強烈的吸收或共振，導致他的某些拉曼譜帶強度急劇增強數(shù)百萬倍。這就是共振拉曼效應(yīng)許多藥物在紫外－可見光區(qū)有強的電子躍遷。某些含發(fā)色團化合物的拉曼光譜因共振而增強，而其基體物質(zhì)的光譜卻不會增強。共振拉曼技術(shù)與常規(guī)拉曼光譜技術(shù)不同之處在于要求光源可變，可調(diào)諧染料激光器是獲得共振拉曼光譜的必要條件。有些化合物可通過化學反應(yīng)改變其結(jié)構(gòu)，合之最大吸收峰接近激發(fā)光頻率，如生成有色化合物，然后再進行共振拉曼光譜測定也是一個提高靈敏度的較有效的方法。共振拉曼技術(shù)由于靈敏度高而特別適用于藥物和生物大分子的研究。缺點是由樣品本身或由雜質(zhì)引起的熒光干擾，以及這一光譜技術(shù)需經(jīng)特殊的激光光源和光學設(shè)計。第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日表面增強拉曼散射吸附在極微小金屬顆粒表面或其附近的化合物（或離子）的拉曼散射要比該化合物的正常拉曼散射增加

10

3

～10

6

倍。這種表面增強拉曼散射（SERS）在銀表面上最強，在金或銅的表面上也可觀察到。

SERS

現(xiàn)象主要由金屬表面基質(zhì)受激而使局部電磁場增強所引起。效應(yīng)的強弱取決于光波長相對應(yīng)的表面粗糙度大小，以及和波長相關(guān)的復雜的金屬電介質(zhì)作用的程度。許多

SERS

基質(zhì)可以用于藥物分析，最常用的包括溶膠，電極，電介質(zhì)表面金屬膜等。帶孤對電子或

π

電子云的分子呈現(xiàn)的

SERS

效應(yīng)最強，其他芳氮或含氧化合物，如芳胺和酚，也具有強的

SERS

活性，這一效應(yīng)在其他電負性功能團如羧酸中也能觀察到。從少數(shù)分子獲得大量結(jié)構(gòu)信息的可能性使得

SERS

可用于解決高靈敏度化學分析的許多問題。面表面增強拉曼光譜中，熒光的干擾可有效地得到抑制。

第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外1由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。2拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。3拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。4因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日拉曼光譜的應(yīng)用方向

拉曼光譜分析技術(shù)是以拉曼效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù),其信號來源與分子的振動和轉(zhuǎn)動。拉曼光譜的分析方向有：定性分析：不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進行定性分析。結(jié)構(gòu)分析：對光譜譜帶的分析,又是進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。定量分析：根據(jù)物質(zhì)對光譜的吸光度的特點,可以對物質(zhì)的量有很好的分析能力。第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日碳納米管和碳納米線簡介第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日碳納米管的分類碳納米管是由石墨烯片卷曲而成的圓柱型結(jié)構(gòu)。根據(jù)石墨層數(shù)的不同可分為：1、單壁碳納米管2、多壁碳納米管雙壁碳納米管多壁碳納米管第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日單壁碳納米管的拉曼光譜第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日雙壁碳納米管的拉曼光譜第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日堆垛多壁碳納米管的拉曼光譜第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日單根多壁碳納米管表面增強拉曼光譜第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日碳納米線的拉曼光譜