应用拉曼光谱学

第1章　应用拉曼光谱学基础 1.1　引言 一束单色光入射于试样后有三个可能去向：一部分光被透射；一部分光被吸收；还有一部分光则被散射。大部分散射光的波长与入射光相同，为弹性散射光；而一小部分散射光的波长由于试样中分子振动和分子转动的作用而发生偏移，为非弹性散射光。波长发生偏移的光形成的光谱就是拉曼光谱。光谱中常常出现一些尖锐的峰，这是试样中某些特定分子的特征。这就使得拉曼光谱具有定性分析和区分相似物质的特性。而且，由于拉曼光谱的峰强度与相应分子的浓度成正比，拉曼光谱也能用于定量分析。通常，将获得和分析拉曼光谱以及与其相关的方法和技术称为拉曼光谱术。 20世纪80年代之前，拉曼光谱术还只局限于在实验室具有高水平、训练有素的科学家才能应用，测试十分耗时，而且往往以失败而告终。后来，由于拉曼光谱仪器学的突破性进步，已经完全改变了这种情况。现在，普通的实验员便可以在通常用途的实验室应用这种技术，而工厂的工艺工程师也可以应用拉曼光谱术在线测试生产线中的产品。拉曼光谱术已不再是少数专家的“专用品”。 拉曼光谱测试一般不触及试样，也不必对试样做任何修饰，能通过由玻璃、宝石或塑料制成的透明容器或窗口收集拉曼信息。在工业生产中，不必预先做试样准备处理是选用拉曼光谱术而弃用其他更成熟分析技术的主要原因。人们偏向于应用拉曼光谱术的原因还包括其维持费用低和具有其他技术所不具备的特有分析能力。 早在20世纪20年代初人们就预测存在拉曼散射。1928年印度科学家拉曼等在实验室观测到拉曼效应。此后，拉曼光谱术一度获得广泛应用，因为相比于中红外吸收，它更易于获得分子振动的信息。在当时它是唯一测量低频振动的方法。早期的拉曼光谱仪使用弧汞灯作为光源，用摄谱仪分开不同颜色的光，并用照相底片记录光谱。 20世纪40年代红外仪器学取得进展并出现了商业化仪器，使得红外吸收光谱术比拉曼光谱术更易于使用。拉曼光谱术一度成为受到限制的特殊技术，尽管拉曼光谱仪器学也在不断取得进步，但红外吸收光谱术得到更迅速的发展和普及。 光电倍增管替代照相底片记录光谱使测量大为方便。1953年出现了**台商业拉曼光谱仪，促进了拉曼光谱术的应用。而20世纪60年代激光器替代弧汞灯作为光源，使拉曼光谱术的功能大为提高，使用更为方便。激光的使用使几种重要的非线性拉曼技术成为可能。到20世纪70年代，拉曼光谱术已能对的小面积和的小体积样品做振动分析，这是拉曼显微术做出的贡献，它使人们能同时看到对拉曼散射有贡献的试样小区域的形貌。 20世纪80年代，纤维光学探针被引入拉曼光谱术。探针简化了试样和拉曼光谱仪间的对光程序，并使得能对远离拉曼光谱仪的试样进行测试。20世纪90年代出现了许多新型纤维光学探针，进一步扩展了拉曼光谱术的应用范围。在此期间，拉曼光谱术开始应用于工业生产线工艺参数的控制，并在近年得到广泛采用。用拉曼光谱仪在线监控相距数百米的仪器室内可能发生爆炸或有毒物质泄漏危险的试验或生产，也是拉曼光谱仪引入纤维光学探针的重大贡献。 傅里叶变换(Fourier　transform，FT)拉曼光谱术和电感耦合元件(charge-coupled　device，CCD)探测器的引入使用是近代拉曼光谱术的*重要进展。FT拉曼光谱仪能显著降低或消除大多数试样的荧光背景；而CCD探测器使得拉曼光谱术成为快速测试技术，在几秒钟甚至更短的时间内就能测得完整的拉曼光谱。CCD探测器既有照相底片具备的多通道优点，又保留了光电倍增器易于使用的优点。 随着光学技术的进一步发展，已经制造出更好的滤光器、激光器、光栅和分光光谱仪。21世纪以来市场上普遍供应高性能、结构紧凑又使用简便的拉曼光谱仪。这些仪器能有效地使用于非实验室环境，而且不要求使用者具备拉曼光谱术的专门技能。作为非专家也能用来解决分析问题的测试技术，拉曼光谱术在各个领域的应用正以更快的速度扩展。*近十余年来，拉曼光谱术又有了重大进展。近场光学和针尖增强技术的引入，以及拉曼光谱仪与其他测试仪器联用技术的发展，使拉曼光谱术在各个学科和技术领域的应用有了更为广阔的前景。 1.2　拉曼散射及其经典理论 1.2.1　拉曼散射和拉曼光谱 通过一个很简单的实验就能观察到拉曼散射光。在一暗室内，以一束绿光照射透明液体，如戊烷，绿光看起来就像悬浮在液体上。若通过对绿光或蓝光不透明的橙色玻璃滤光片观察，将看不到绿光，而是看到一束十分暗淡的红光。这束红光就是拉曼散射光。 图1.1　拉曼散射的能级跃迁示意图 拉曼效应的物理过程可用能级图说明，如图1.1所示。在室温下，大多数分子(不是所有分子)处于*低振动能级状态。入射光子会使分子从基态m跃迁到更高能量状态——虚态。这是一种不稳定能态，其能量取决于入射光的频率。分子将从虚态回到原始能态，并发射一个光子。 若分子回到它原来的振动能级m，那么它发射的光子就具有与入射光子相同的能量。此时，没有任何能量传递给分子，这种散射称为瑞利(Rayleigh)散射。显然，这是一种弹性散射，入射光与分子相互作用后没有改变其频率。大多数光子以这种方式散射，所以这是一种强散射。若分子从虚态返回，不是到达m能级，而是到达较高的n能级，此时分子也发射一个光子，但其能量较入射光子小，即有较长的波长，此时分子的振动能量增大了，这个过程称为斯托克斯(Stokes)拉曼散射。由于热运动，有些分子可能并不处于基态m，而是处于激发态n。处于n能级的分子吸收一个光子的能量到达虚态，随后回到基态m时，也发射一个光子，其能量大于入射光子的能量，即有较短的波长。此时分子的振动能量减小，这个过程称为反斯托克斯拉曼散射。 拉曼散射光的强度与入射光照射的分子数成正比。所以，斯托克斯拉曼散射强度正比于处于*低能级状态分子的数量，而反斯托克斯拉曼散射强度正比于处于次高振动能级的分子数。 在热平衡时，处于一振动能级的分子数相对处于另一能级的分子数之比服从玻尔兹曼(Boltzmann)分布： (1.1) 式中，N1和N2分别为处于较高和较低振动能级的分子数；g1和g2分别为较高和较低振动能级的简并度；K为玻尔兹曼常量；T为绝对温度。在热平衡时，处于低振动能级的分子数总是大于处于次高振动能级的分子数。所以，斯托克斯拉曼散射强度总是大于反斯托克斯拉曼散射强度。在低温下，相对于前者，后者几乎小到接近于零。应用玻尔兹曼分布方程，从斯托克斯拉曼散射对反斯托克斯拉曼散射的相对强度可以测定试样温度。 通常，人们在拉曼散射检测中仅关注能量较低的斯托克斯散射。然而，有些情况下，反斯托克斯散射是一种更好的选择。例如，若在斯托克斯散射能量附近存在荧光干扰，这会妨碍信号的检测，此时，可检测反斯托克斯散射以避免干扰。 与瑞利散射相比，拉曼散射本身是个很微弱的过程，每106～108个光子中仅有1个光子可能遭遇拉曼散射。然而，由于近代成熟的激光光源能提供很强的功率和CCD半导体探测器的高检测灵敏度，拉曼散射的检测能轻易地获得足够高的灵敏度。 图1.1只是描述了产生拉曼散射的许多振动能级变化过程中的一个。众多过程叠加的结果可以用拉曼光谱图来表达。拉曼光谱图(常简称拉曼光谱)是拉曼散射强度相对波长的函数图。通常，其x轴不是拉曼散射光的波长，而是它相对激发光波长偏移的波数，简称为拉曼频移。若波长以厘米计，波数就是波长的倒数，单位为cm-1。换言之，即每厘米长度完整波的数目。波数与光子能量E的关系如下式所示： (1.2) 式中，h为普朗克常量；为光的频率；c为光速；?为波长；为光的波数。如此，拉曼光谱的x轴是激发光波长与拉曼光波长以波数计的差值。给定振动的拉曼频移是该振动能量的量度，它与所用激发光的波长无关。图1.2是以波数计量的光散射示意图。图中中央谱线(瑞利线)的波数等同于激发光的波数。波数差与hc的乘积以表示如下： (1.3) 这个值等同于图1.1中能级m和能级n的能量差值。 例如，用514.50nm激光激发氮气的拉曼散射，其波长为584.54nm。对该氮拉曼峰以波数计的拉曼频移为 (1.4) 一个波数等同于4.75×10-24cal或1.99×10-23J。在室温下(25℃)，KT等于207cm-1。一个波数的频移表示绿光波长(500nm)0.005%的变化。 图1.3显示了用波数cm-1表示频移的环己烷斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光谱[1]。与斯托克斯散射相比，反斯托克斯散射只有非常弱的强度。图中左边部分为插入纵坐标放大后的反斯托克斯散射光谱。 有许多参数用于描述拉曼光谱的性状，主要有各个拉曼峰的频移、强度(峰高或峰积分面积)、峰宽度以及偏振特性。它们从不同角度反映了试样物质的结构、性质以及所处的环境。例如，所有参数都与分子结构及其聚集态有关，因而可用于探索试样物质的微观结构，而频移还与试样的应力状态密切相关，它们之间的关系可用于材料微观力学的研究。 拉曼散射光的发射原理(图1.1)指出，拉曼光谱线或峰的频移取决于分子或基团的能级差。这是分子或基团本身所固有的特性，所以又称为特征拉曼峰频移。然而，任何分子或基团都不是孤立存在的，它们的能量状态必定会受到其化学环境的影响而发生微小的变化，从而使频移发生微小的变化，同时影响峰宽和峰强度。对固体物质而言，化学环境主要是指物质的聚集态结构，包括结晶状态(结晶完善性和结晶度)或无定形态和大分子或聚集态的取向性。这些微观结构都可在拉曼光谱中得到反映。所以，从原则上讲，拉曼光谱可用于探测包括成分在内的表征材料微观结构的各个参数。 1.2.2　光散射 外电场能促使电子云偏离其平衡位置，偏移的难易程度可用电子云极化率来度量。诸如光这样的电磁辐射是一种振荡电磁场，所以光能够使电子云发生振荡。电子云的振荡导致光发射，这种由入射光引起电子云振荡而导致的光发射称为散射。在上述情况中，从引起电子云振荡的入射光获得的能量全部传递给发射光，散射光与入射光有完全相同的能量、频率和颜色，这种类型的散射称为瑞利散射。 由化学键结合在一起的原子，其位置的变化会改变电子云的极化率。由于散射光强度正比于电子云的位移大小，分子振动将导致散射光强度的周期性变化。 波振动频率调制的散射光强度等于3种不同频率光波散射强度的总和，它们分别是具有一定频率的原有光、原有光频率减去振动频率的光和原有光频率加上振动频率的光。这3个频率分别对应于瑞利散射光、斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光的频率。 拉曼散射光的强度并不是在所有方向都相等，所以讨论拉曼散射光的强度必须指明入射光传播方向与所检测的拉曼散射光之间的角度。通常在与入射光方向成90°或180°的方向上观测拉曼散射，这些散射几何分别称为直角散射和背散射。 拉曼散射的经典理论能正确预测大部分拉曼散射行为。然而，预测得出斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射的相对强度相等，这是不正确的。这种预测的失败是因为振动能级是量子化的(这是分子尺度的非经典物理学的量子力学概念)。 拉曼散射的详细物理学理论解析可参阅相关文献[2-4]。以下主要从经典理论出发，讨论与拉曼散射有关的各个参数，也指出了必要的量子力学修正。这些参数都是应用拉曼光谱学中所必须考虑到的。 1.3　拉曼散射的偏振 光的电场作用于电子云的力位于垂直于光传播方向的平面上。平面上该力的方向可用一个矢量来表示，矢量的振幅在正负值之间正弦振荡。矢量所指的方向称为光的偏振方向。在数学上任何方向的偏振都可视为两个正交偏振的和。 通常的非相干光源，如灯泡所发出光线的偏振是许多个偏振的总和，这些偏振随时间迅速而无规地变化。这种光源的偏振强度在垂直于光传播方向平面上的所有方向都相等，这种类型的光称为非偏振光。偏振器