从细胞到人体的基于拉曼光谱的体内外化学分析

从细胞到人体的基于拉曼光谱的体内外化学分析

Sebastian Wachsmann-Hogiu、Tyler Weeks 、Thomas Huser

对组织的临床诊断的金标法是免疫荧光法。但是很多荧光染料具有毒性，限制了其体内诊断的应用。拉曼光谱法，一种化学特异的，无需标记的诊断技术，做为强大的替代方法，迅速获得了广泛的认同。它能够用不破坏，不损伤生物材料的方式，探测其化学成份。我们将回顾拉曼光谱在生命科学领域的最新进展，并详细介绍其在促进疾病检查方面的技术进步。我们还将讨论它在检测分子的生物学功能，描绘细胞内的化学微环境方面的作用。以及其在内镜，表面增强拉曼光谱，共振拉曼光谱等方面的应用也将讲述。

简介：

在过去的四个世纪里，对活的生物体在微观和宏观尺度上可视的观察其结构和功能的愿望，一直推动着生物医学光学的发展。使得光学显微镜有了较大进步，扩展了其应用范围。相差显微的出现，使得我们能够凭借细胞内组分的折射率不同，而观察到活体的亚细胞结构。后来，由于荧光探针的出现使得能够观察细胞内特定分子，人们发现了关于生物分子结构和功能的大量信息。共聚焦显微镜和最近正在研制的超高分辨率显微镜极大的提高了三维空间分辨。现在，科学家们正在研制的成像技术，其分辨率将能观察到细胞内单个生物大分子聚合物。但是现阶段使用的光学成像和诊断技术，几乎全都是用体外标志物。这些标志物不但具有毒性，而且对所标记分子的功能和微环境都有显著影响。因此，需要继续寻找其他成像机制，尤其是能够使用内在的或非干扰性的标志物，进行化学特异性的成像。拉曼散射凭借与荧光像差相似的检测方式，就成为其最显著的扩展方式。

拉曼散射是一种非弹性散射，源于分子中的化学键具有特征性的震动能级。当光子，尤其是来自激光的光子与化学键发生碰撞，被散射出去，就产生了拉曼散射。在散射中，只有极小一部分光子（~1/108）发生非弹性散射，与分子振动交换能量。被散射的光子可以提供能量给化学键而发生红移（斯托克斯散射），也可以从化学键获得能量而发生蓝移（反斯托克斯散射）。入射光子与散射光子的能量差与分子振动的能量有关。检测这些被散射的光子就形成了拉曼光谱，其中的每个波峰分别代表一个特定的分子键。总的来说，这些波峰可作为样品固有的分子指纹，提供了大量有关组织或者细胞中生物分子的化学键的信息。这些生物分子包括DNA，RNA，蛋白质，脂类，等。生物样品的整个拉曼光谱不仅提供了分子识别，分子组成，分子结构，分子构象等信息，还能提供分子间相互作用的信息，例如，DNA-蛋白质或蛋白质-脂质相互作用等。

几种基于拉曼的技术已经发展起来，以用于满足多种环境和需求下的生物医学样品检测。自发拉曼光谱主要应用在近红外区域。这个区域的激光对组织损伤小，自发荧光少，而且穿透性强。这项技术很适于检测恶性细胞内的细胞成分的变化，以及细胞，细菌的分类。自然的拉曼光散射很微弱，常常比同时产生的荧光小数个数量级。为了克服这个缺点，发展了多种技术，例如共振拉曼散射（RRS），表面增强拉曼散射（SERS），相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）。当激发光的频率与待测物的电子跃迁所需能量（即电子共振）相匹配时，拉曼散射光的信号就会有几个数量级的增强，即共振拉曼散射RRS.但此方法同时会产生比拉曼散射更强的荧光信号掩盖拉曼散射，而且这种技术也只在激发光与电子激发波长相匹配的几个光谱区有用。因此阻碍了其发展，限制了它的应用范围。SERS也是依靠激发光与分子共振的作用，但是

与其相关的是金属表面的表面离子共振。导体材料内有可以自由移动的电子（等离子体）。根据导体材料的大小，形状，电子性质，如果激发光的频率与其表面等离子共振相匹配，就能在材料内产生电子驻波。若将拉曼活性分子吸附在金属这些材料的表面，表面等离振子能够有效的使入射到分子上的激光能量加倍，从而使检测信号扩大到1010倍。尽管这种巨大的增强作用的具体机制还不是完全清楚，但由于能够检测到单个分子的拉曼散射信号，使得SERS成为无标记分子检测的理想方法。SERS的主要限制是它需要一个相对较大的金属表面，并且随着标本远离金属表面，信号迅速减弱。相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）放大信号的作用不需要任何额外的因素。CARS信号产生需要两束激光聚焦到样品上，一束作为产生斯托克斯位移拉曼散射的来源，同时另一束激光调整到与特征拉曼峰的频率相等。这两束激光的相互作用不是线性的，他们同时激发特征性的化学振动，促使相应反斯托克斯峰放大。CARS信号比原始信号放大几千倍，可不用荧光染料标记，进行化学选择性成像。由于显著减少了记录信号所需要的暴露时间，CARS在活细胞和组织成像方面有卓越的前景。

在本文中，我们将详细介绍拉曼光谱的一些进展，并介绍其在解决一些生物学及生物医学问题上的应用。这些应用微小到体外单细胞及单分子检测，大到体内组织及整个生物体的光谱和成像。

近期技术发展：

在过去的几年里，人们对拉曼光谱，SERS，CARS作为无标记物，化学特异，以及超敏感的检测工具的潜能，进行了深入的研究。在过去的两年里，人们在一系列关键技术上获得了发展，有可能扩大这些技术在生物学及生物医学领域的应用。图一简明的概括了各种不同拉曼散射的原理。

拉曼光谱，尤其是SERS的发展，可看做生物样品分析的一项重大发展。它比荧光光谱包含更多的信息，而且可以更容易复用。另外，考虑到拉曼信号在金属纳米颗粒存在时强大的增强作用，低信号所导致的长检测时间的典型问题也可以得到解决。在纳米探针这个精细的工程发面，真在进行着大量的努力工作。如，金属纳米粒子能够检测疾病特异的生物标志物。SERS探针技术围绕着两个主题：(i)廉价，可靠，高增强作用的纳米结构底物的合成和发展，（ii）用于特定分子检测的纳米颗粒的功能化。Schwartzberg et al.[1]发展了一种小的，中空的纳米金颗粒，增加了信号的稳定性，提高了灵敏性和扩大了动态监测范围。Lu et al.[2]合成了一种不常见的，月牙型纳米金颗粒，有着小于10nm的尖锐边缘，对信号有1010的增强作用，能够用于生物分子的超敏感检测。Huang et al.[3]发现合成纳米金棒比纳米球金胶更有优势。他们观测到，人类口腔癌细胞能将与抗表皮生长因子抗体结合的纳米金棒整齐排列起来。位于纳米金棒附近的分子能产生极大增强了的，尖锐的，极化了的拉曼光谱。文章的作者展示了纳米金棒所产生的光学应答，作为肿瘤标志物的潜能。Kim et al.[4,5]用银包裹SiO2 的纳米颗粒作为SERS 的基底，和生物活性拉曼标记一起，用来检测癌细胞。结合到HER2抗体及CD10抗体上的纳米球，变现出了较好的特异性，并且具有作为高通量筛选手段的潜能。这个研究小组后来又将这种SERS颗粒分别与拉曼及荧光有机标签结合，用于细支气管肺泡干细胞

的定量重复检测和鉴定。Qian et al.[6]的文章描述了一种PEG包被的金纳米颗粒，用于肿瘤的靶向定位。他们使用硫醇修饰的小分子探针，作为拉曼信使，以产生比量子点还强的近红外SERS信号。随后，金属纳米颗粒与肿瘤靶向配体，如单链抗体（ScFv）结合，来检测人类肿瘤细胞或外源肿瘤模型上的标志物，如表皮生长因子。

当拉曼光谱提供一些其他非侵入性方式不能提供的重要内在特征时，常常由于信号较弱不能满足生物医学检测快速，实时的要求。一些研究小组就致力于解决这些问题。Matousek[7]发展了一种新方法，能增强混浊介质中的自发拉曼信号。他在激光内放置一多层电介质光学元件，如带通滤波片，其在样品上方，能减少从样品中反射出来的激发光光子的损失。玻片的作用就如同一面单向反射的镜子，使得与样品作用的激光辐射增强，从而能使拉曼信号增强数倍。这项技术将来可用于深组织拉曼光谱，还可以与其他设备连用，消除收集到的拉曼信号中的激发光信号。拉曼检测灵敏度方面还有很多进展，如基于亚毫微秒白色激光的超灵敏宽谱带CARS显微光谱仪的发展[8]，基于时间分辨的单光子计数技术区分CARS信号与荧光信号的技术[9]，各种新颖的CARS显微镜的发展[10]，在CARS中使用光子晶体显微作为激光光源等等[11]。

另一个研究热点是便携式，纤维拉曼设备，能作为内镜使用，用于临床等领域。这种设备面对的主要问题是：（i）激发光引起的组织本身的荧光信号，（ii）激光通过纤维镜时产生的拉曼和荧光背景信号。选择近红外激光有助于减少荧光背景信号。过去，时间分辨检测手段以及空间抵消的方法被用于区分激发光和收集的信号。而且，这些方法仍然可以做出改进。对于纤维镜产生的背景信号，可以用分离激发光路和收集光路的方法，但却限制了设备的微型化，使微型化面临困难。解决这个问题的一种可行方法是只检测拉曼光谱的高波数区，这里和玻璃纤维镜的信号重叠较少。Nijssen等[12]就采用了这种方法，制备了基于200um单光纤的系统，提高了设备微型化的可能。其他进展，如利用光纤阵列探针和光子迁移通过组织，能检测表面下拉曼信号的设备[13]；用于皮肤病研究的拉曼显微光谱仪[14]；用于体内肺癌诊断的拉曼内镜探针[15]。

不同拉曼散射过程示意图。自发拉曼中激发光束被化

学键的震动等方向散射（上图）。同一个物镜利用分色

镜作为区分光束的手段，可同时用于发射激发光，和

收集散射光。当两束或更多频率不同的相干激光在空

间上和时间上同时作用在样品上时，就在光谱的反-

斯托克斯侧产生了相干拉曼信号（中图）。CARS信号

是超短波脉冲激励产生的非线性混合，比自发拉曼散

射强数个数量级。吸附在纳米结构上的分子除了化学

增强作用以外，还由于金属表面附近等离子共振的影

响，存在更强的电磁增强作用（底图）。通过这种方式

可使拉曼信号增强15个数量级。

生物检测

目前的生物医学光学传感器包括酶联免疫吸附测定（ELISA），荧光抗体检测，瞬逝波和基于干涉的生物传感器，以及SERS生物传感器。当大多数新技术试图突破原有技术在敏感性和特异性方面的局限的时候，SERS已经具有了单分子水平检测的优势。另外，SERS能获取分子结构信息，具有多方面应用的潜力，在分辨特异性和非特异性结合反应中具有独一无二的能力。

基于SERS的生物分子传感和检测与纳米技术，化学，生物学的发展息息相关。新颖的纳米制造技术，与基底功能化，抗体亲和性，单链寡核苷酸共同提高了分子识别的特异性，重复性和稳定性。SERS对蛋白质，DNA，以及其他目标分子的检测可用于疾病特异性生物标记的鉴定，低浓度病毒和细菌的检测，以及不同种类病原体的鉴别。

SERS检测可用于外源性或内源性检测。检测外源性物质时，可用拉曼信使分子来产生拉曼信号。分子信标测定即检测分子信使的荧光和SERS信号，已经用于检测人体病毒RNA[16]。同时，基于嗜配体的SERS传感器利用亚甲基兰作为拉曼探针，可用于凝血酶[17]的检测。

拉曼标签的使用有一些缺陷，比如有时会导致捕获分子失活。在内源物质检测时，分析物直接作用在基底上，或是特异性的被抗体，嗜配体或相关分子捕获。然后再检测待测物的SERS 光谱。在这个方面已经出现了很多研究进展。通过这种方法，利用EDTA还原法制备的银纳米颗粒，可以用于水或人血清中叶酸的测定[18]。食物中的低浓度三聚氰胺也可以使用商业化的SERS活性基底来检测[19]。文献[20]中，他们利用薄膜刻蚀和银电偶交换沉积，制备了SERS基底，展现了高浓度下DNA无标记检测的前景。Sun[21]等将有机-无机复合纳米颗粒（COINs）用于组织中蛋白质检测。这些颗粒在BSA做为交联剂的，连接有拉曼活性分子的情况下银纳米颗粒聚集形成的团聚体。由于将拉曼分子连在团聚的银颗粒上，因此COINs 具有更高的增强效果，此外它还能检测那些通过非特异性结合到功能集团上的分子。利用抗体结合的COINs，可同时检测前列腺特异性抗原（PSA）和细胞角蛋白-18（CK-18），并且汇出PSA在人组织样品中的分布。类似的，Pal等[22]利用小的，特异性寡核苷酸序列发展了一种检测乳腺癌的SERS基因探针。

虽然SERS构成了新型生物分子检测的主要研究对象，但是自发拉曼光谱依然是一些论文的研究基础。最著名的是Qi和Berger[23]的一篇论文，他们利用液相核心的光纤来检测干净的生物液体，如尿液和血液。他们在不加外源探针的情况下表征了尿液中13种不同化学组分。

体外细胞分析

在临床上，鉴定肿瘤细胞最精确的方法是基于苏木精和伊红（H&E）组织病理染色法。相比其他方法，HE染色提供了不同细胞类型间形态学差异的清晰图片。这种鉴别方法几乎不能提供细胞化学成分的信息。所以，拉曼光谱能作为HE染色的强大补充。另外，与HE染色不同，拉曼光谱可以用于活细胞。在过去的几年里，拉曼显微光谱被证明是鉴别活组织中癌细胞的敏感性和特异性手段。最近，Chan[24]等利用拉曼光镊显微光谱仪，对所得光谱进行主成分分析，从永生细胞系，如癌细胞或正常细胞中，区分出了造血细胞，并且敏感性达到了98%。从对结果的分析中表明，正常细胞和癌细胞的差异，可以用细胞内DNA和蛋白的浓度在定量研究。永生细胞系比从临床病人身上取得的细胞样品稳定，因此，此研究小组[25]区分出了癌症病人血液样品中的白细胞。图二展示了单个细胞的拉曼图谱及图谱分析。若要将拉曼光谱发展为临床检测工具，则目前拉曼光谱的获得时间使其不适于研究动态细胞过程。

因此，要研究快速的亚细胞过程，可能需要更灵敏的方法。

图二：正常细胞（上）和病变细胞（下）和他们相应拉曼图谱的示意图。光谱的激发光为785nm连续激光，激光在产生拉曼信号的同时，将细胞固定在光束中。典型的蛋白峰可在1442cm-1和1001cm-1观测到。DNA 的峰位于785cm-1,1090cm-1,和1575cm-1。正常细胞和病变细胞可以在拉曼光谱中1575 cm-1，1090cm-1处观测到。这展示了拉曼光谱区别这两种类型细胞的能力。

在亚细胞过程的研究中，基于拉曼的技术应该会在疾病的细胞学起源上作出重要贡献。例如，细胞质内脂滴的成分和运动被认为与各种疾病相关，如动脉粥样硬化，丙型肝炎病毒感染等。很多研究使用荧光标记物介入细胞，但外源标记物很可能严重影响细胞器的行为。CARS显微镜是一种无标记成像模式，可以提供有价值的亚细胞水平的信息。由于蛋白和脂质分子内数量众多的CH2键，大多数CARS的研究工作集中在细胞内的脂滴上。Nan[26]等宣称他们已经将CARS作为非侵入性研究工具，并且能不用外源性染料的情况下，在患有类固醇血症的小鼠的肾上腺皮质细胞中绘制了细胞器传输的图像。后来，这个小组利用荧光成像和CARS 成像，将人肝癌细胞中LD浓度和丙肝病毒的浓度相联系起来[27]。最近，另一个小组[28]使用多元CARS显微镜获得了小脂滴的定量图像，并且测定了单个脂滴中脂质的成分及不同种脂质的分布。他们的研究成果表明，细胞从周围环境中获取脂质，形成小的脂滴，然后小脂滴融入细胞内已有的大脂滴中。此论文和其他类似的工作，开辟了一条全新的研究脂质与细胞相互作用的道路。CARS显微镜是目前唯一能够直接快速获得活细胞内脂质定量图像的方法。

在分子水平上，拉曼技术也被证明是研究局部化学成分和细胞微环境变化的强大工具。胶体金属纳米结构存在时产生的巨大拉曼增强作用，使得SERS成为非损伤，超灵敏检测细胞内稀少化学成分的理想工具。可靠的鉴别微量化学成分的能力是测定细胞内参数，包括酶活性、PH水平等，的光键。Ingram[29]等制备了8-羟基喹啉包裹的胶体金属纳米颗粒作为探针，检测了细胞内局部酶的活性，检测限达到0.2 ng mL-1。SERS如此高的灵敏度正适于研究神经递

质的释放[30]。神经递质的释放是一个快速和局限的过程，所以其他方法，如荧光法的使用有一定的困难。一些研究小组用包裹的胶体金设计了基于SERS的pH传感器[31,32,33]。这些传感器在pH为2-8的范围内能精确测定，并绘制细胞内pH分布图。这对研究细胞对各种刺激的应答提供了重要信息。SERS在此类检测方面真正的优势并不是说只有它能做此类检测，也不是它比传统的荧光技术敏感很多。而是它所得到的拉曼光谱具有特征性的谱峰能够同时对多种参数进行超灵敏的检测。不可否认，SERS光谱较差的可重复性限制了其在生物科学方面的广泛应用，但是随着这些问题被更好的理解以后，可广泛，反复使用的SERS 探针将成为有力的研究工具。

体外组织分析

在组织研究水平山推动拉曼光谱研究的主要动力是对癌组织和正常组织间化学差异的鉴定和定量。前面提到，拉曼光谱有望成为组织病理HE染色的有力补充，也是分析活组织的潜在手段。拉曼光谱主要的优势也是其最大的障碍是它包含了大量的信息，很难尽心仔细分析和提取目标信息。不过，一些研究小组已经成功的展示了其分析癌组织的能力。通过在受激甲状旁腺组织的特定点采取拉曼光谱，Das[34]等鉴定区别了甲状旁腺增生和甲状旁腺腺瘤，敏感性达到~95%。发展组织病理诊断的关键就是定量研究正常组织和疾病组织的化学成分的差异。de Jong[35]等在相关的研究中利用拉曼光谱结合多元分析技术对膀胱组织中的细胞进行分类。对癌组织的鉴定特异性和敏感性远远超过了90%。他们的工作定量的（更重要的是非损伤的）揭示了正常膀胱组织中具有更多的胶原蛋白，而癌组织中有更多的脂质，核酸，蛋白和糖原成分。对正常和癌症组织的鉴别非常重要，Chowdary等[36]的研究更进一步，研究了利用拉曼光谱定量区分了乳腺组织中的癌组织和良性病变。定量的组织鉴别定将推动临床肿瘤的诊断，减少假阳性诊断的出现。

血管疾病，如动脉粥样硬化，其特点是在血管内皮下形成富含脂质的斑块，导致局部动脉组织形成明显的形态学和化学成分的改变。用显微拉曼光谱来分析一块相对较大的区域（毫米到厘米大小）比较耗时。由于很多医学环境的变化都会引起组织结构和化学成分的变化，较长的检测时间将严重限制新鲜组织样品的分析。CARS能获得较强的拉曼信号，已经用于组织水平的成像，而且被证实为研究组织结构的强有力的替代技术。用于产生CARS信号的激光也可以用于本文不涉及的其他非线性光学技术，如表面和频光谱分析（SFG），二次谐波产生（SHG），三次谐波产生（THG），以及双光子激发荧光（TPEF）。所以，CARS现在经常与这些技术连用，使用同一个光学设备。Wang[37]等利用CARS对CH2键的敏感性，与SFG，TPEF连用，对部分颈动脉成像。分辨率达到了单个内皮细胞和平滑肌细胞，以及胶原纤维，弹性蛋白，预示着CARS将有望成为杰出的研究工具，用于与新鲜组织损伤相关的形态变化研究。此研究小组也将CH2敏感模式用于对神经系统疾病有重要作用的髓质的成像。他们[38]用CARS对完整的髓质进行了成像，这对理解脱髓鞘和髓鞘修复是重要的进步。Evans[39]等用CARS对体外小鼠大脑成像，并用HE染色验证，显示了两者间良好的相关性。就如这些作者所指出的，虽然核磁共振成像和其他技术在大脑成像方面是革命性的突破，但在活组织分析方面仍然可以有很显著的进步。这些进步包括无标签成像，化学定量成像和新鲜组织3-D扫描，这些都可以由CARS实现。

荧光免疫染色经常用来确定某些癌症或其他疾病的存在。从光谱角度来说，荧光标记产生非常宽的信号，明显限制了可以同时使用的荧光的数目。在活组织中，荧光信号有重叠的趋势，限制了靶标的数目，所以要标记另外靶点就需要更多的样品和时间。然而，拉曼光谱常为窄谱（~1nm）,这就使得如SERS探针等超灵敏技术可以用于多靶点的免疫染色。Lutz[40]等将

SERS探针用于前列腺特异抗原（PSA）的免疫染色研究。他们分析了前列腺病人的组织样品，其结果与传统荧光染色一致。作者认为此技术在多靶点标记方面有巨大潜力，可在同一组织中同时标记多种蛋白，这将明显减少活组织免疫组化的样品用量。

体内拉曼光谱和成像

一系列的实验进展使得在动物或人体上快速获得在体的拉曼信号成为可能。最直接的获得在体拉曼信号的方式是从皮肤采集。很早以前就已有人在皮肤层面上研究色素和抗氧化剂的共振拉曼光谱。最近，基于小型光学探头[41,12]的近红外拉曼光谱已经用于皮肤肿瘤（黑色素瘤和皮肤癌）的诊断和表征。目前，在大多数肿瘤相关的疾病诊断中，手术切除后的组织病理学分析是金标准。然而这个过程是侵入式的，代价昂贵，且耗时，因此就非常需要快速，无损的分析技术的出现。新技术要求小型化，便携式，以利于数据的采集，同时还要有简单，自动的光谱分析和解读能力。这些都是最近两年内科学研究关注的焦点。与组织病理的比较结果显示，拉曼光谱对皮肤疾病的检测结果表现出了高度敏感性，特异性和准确性。而目前有限的临床检测手段也使其有望成为临床检测的可行手段。最近，有试验表明拉曼光谱的大波数区（>2800cm-1）与指纹区（~400-1800cm-1）相比，具有相同的敏感性和特异性。这项研究获得了极大的关注，因为这将明显简化探针的设计，避免了探头对高质量滤光片的需求[12]。图三是基于拉曼光谱的显微探针组织分析示意图。

图三：拉曼内镜记录肺部（上）和骨（下）的光谱。此光谱是由拉曼光纤内镜结合标准全息光栅光谱仪，在785nm连续激光激发下获得的。肺和骨样品来此切除的鼠组织样品。肺的光谱和单细胞培养的光谱非常相似，反应了样品中蛋白和DNA的含量。骨组织光谱与其相反，主要包含磷酸钙集团的信号。

对于所用的在体拉曼光谱应用，都需要使用近红外激光，以减少背景中组织自发荧光以及自动扣除荧光的算法对信号的影响。数据获取时间常为数秒钟，但是最近光谱仪器和摄像技术的发展有望将其推进到毫秒范围。那么，若将其与快速数据处理及分析技术结合，将有可能促进病变的实时检测发展[42]。对人体内的诊断，无论是作为手术中的指引工具，还是体腔内检查，都需要有细的光学拉曼光纤。在过去的两年中，在体拉曼光谱已经有了大范围的应用研究，如肺部，喉部，颈部，膀胱，前列腺，大肠，食管和脑组织等的肿瘤检测。最值得注意的是，在对心脏搭桥手术中的动脉粥样硬化病损进行的拉曼研究表明，拉曼光谱能够敏感的，特异的检测出动脉中那些高度不稳定的易损斑块[43,44]。其他的医学成像技术不能够鉴别出这些重要的组织结构，而这些斑块一旦破裂将导致心脏疾病发作或中风。在另一项研究中，此研究小组发现，在乳房部分切除术中，在体拉曼光谱能够帮助他们评估乳腺癌的边界，甚至能够发现和鉴别出手术中遗漏的癌组织。这些信息可帮助制定对病人的下一步诊疗计划[45,46]。

出了直接获得组织的光谱和化学信息，拉曼光谱最近还被应用于另一项非常有趣的在体研究中。振动光谱的一个缺点是大多数蛋白光谱非常类似。拉曼光谱探测到的蛋白振动信号多来自C–C, C–N, C–H和其他类似的有机化学键。拉曼光谱虽然不是不可能，但是很难区分出不同类型蛋白之间，或蛋白突变间的差异，尤其在有其他蛋白做为背景的时候。同时，拉曼根据具体情况不同，其灵敏度也限于毫摩尔到微摩尔之间。而分子的SERS光谱高度依赖分子的结构，构型，沿纳米颗粒的延展方向等等，造成了其光谱差异有无限可能。另外，SERS 颗粒展现接近或超过荧光的反应强度，且不会被光漂白。在光谱任意部位，尤其是近红外部位，都可以设计出可以表面增强效果的纳米颗粒。Qian[6]等和Keren[47]等将此颗粒用于活动物的体内检测。纳米颗粒标签的SERS信号可以穿透皮肤而获得。在此试验中，对肿瘤的特异性来自于纳米颗粒表面修饰的肿瘤靶向抗体或多肽。Qian[6]等宣称他们检测到的SERS 信号比荧光量子点的信号敏感200多倍，所以这项技术对体内生物传感很有潜力。如果找到一种方法，能控制其仅对特异性结合产生光学应答（信号激活或信号转化，能使我们区别特异性结合和非特异性结合），或者如果这些纳米颗粒能够对他们周围化学环境的变化产生应答，使其真正成为与pH敏感的荧光染料等相类似的光学探针，那么SERS将来可能会更加有吸引力。

CARS显微镜的发展使得能够将CARS用于活体成像。最值得一提的是，Evans等最近绘制了小鼠耳朵和脂肪组织内脂质结构的实时CARS图像[48]。普度大学的Ji-Xin Cheng小组更进一步的将其用于髓质成像和脊髓及神经组织中有髓鞘组织的修饰[49]。所以，第一张动物模型的活体脑组织成像的出现仅仅是个时间问题。此技术结合快速信号获取系统，将使得需要往脑组织中注入荧光染料的多光子显微镜，以及细胞内能够表达荧光蛋白的动物模型，没有了存在的意义。不过现在，CARS成像还大都集中在简单的靶点，如脂质模型中丰富的CH 键使得产生较强的CARS信号。将CARS与内镜结合的手段也初步显现，但是有些复杂，需要短脉冲激光以及相位匹配等条件[50]。

结论和展望

一直以来，拉曼光谱更多的是与化学分析相联系，而不是生物和医学应用，直到最近才有所转变。激光技术的进步，检测器敏感度的进步，以及与新型激发和检测系统的结合，激励了很多研究小组和公司来发展基于拉曼的技术，以解决复杂的生物医学研究问题。拉曼检测的主要困难在于所检测的分子的数量巨大与复杂，但是其无标记，微损伤的分子检测和表征的前景推动了这个领域在最近几年发展到了难以想象的地步。由于篇幅有限，本文由很多方面，

如高封装性，没有提及，但是我们认为本文所综述的论文，描述了两年来拉曼发展最重要的进步。我们详细描述了基于拉曼的技术的发展，及其应用。这些进展使拉曼研究能力扩展到了化学分析以外，应用于生物功能的研究，以及从细胞到整个生物体水平的疾病检测。尽管其中一些技术，如拉曼光镊，SERS生物分析和CARS成像系统等已经进入商业化阶段，我们预计在近期还会有一些更重要的进步出现。除了不断改进拉曼显微镜外，拉曼光纤内镜作为特殊用途的拉曼显微镜，使得临床疾病真正的体内检测和表征成为可能。将拉曼技术与其他光学技术结合，如荧光，光学相干断层扫描（OCT），或光声显微镜等，是另一个广泛的研究方向。总之，我们希望拉曼光谱能够以其独特生物样品化学成分可视化的能力，稳步推动新技术的发展，在生物和生物医学领域上出现新的应用前景。

鸣谢

这项工作是由美国国家科学基金会提够资助。生物光子中心是美国国家科学基金会的科学与技术研究中心，由加利福尼亚大学戴维斯分校根据第0120999号合作协议进行管理。Tyler Weeks感谢来自HHMI整合医学及基础科学训练计划的奖学金，以及Keaton-Raphael Memorial Gift基金的支持。Thomas Huser感谢来自美国心脏病学会提供的Grant-in-Aid项目。感谢美国国家健康研究所，国家肿瘤研究所，提供的1U54CA136465-01号许可。同样感谢临床转化中心根据国家研究资源中心（NCRR）UL1 RR024146号许可给出的支持。国家研究资源中心（NCRR）是国家健康研究所（NIH）的一部分，也是NIH医学研究路线图的一部分。参考文献：

本综述所列文献中，特别感兴趣的文章已经标出：

·特别感兴趣

··杰出文章

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拉曼光谱

拉曼光谱实验报告 一、实验目的 1. 了解拉曼光谱的基本原理、主要部件的功能； 2. 了解拉曼光谱对所观察与分析样品的要求； 3. 了解拉曼光谱所观察材料的微观组织结构和实际应用； 4. 初步掌握制样技术和观察记录方法 二、实验仪器原理 1928年C.V.拉曼实验发现，当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射，同年稍后在苏联和法国也被观察到。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分υ0－υ1又称为斯托克斯线，频率较大的成分υ0+υ1又称为反斯托克斯线。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱；远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。瑞利散射线的强度只有入射光强度的10-3，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的10-3。小拉曼光谱与分子的转动能级有关，大拉曼光谱与分子振动-转动能级有关。拉曼光谱的理论解释是，入射光子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0－υ1的光子（即吸收的能量大于释放的能量），同时分子从低能态跃迁到高能态（斯托克斯线）；分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0+υ1的光子（即释放的能量大于吸收的能量），同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯线)。分子能级的跃迁仅涉及转动能级，发射的是小拉曼光谱；涉及到振动-转动能级，发射的是大拉曼光谱。与分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。 拉曼效应起源于分子振动（和点阵振动）与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了拉曼效应： 设散射物分子原来处于基电子态，当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。

拉曼光谱解读

激光拉曼光谱 [实验目的] 1、学习使用光谱测量中常用的仪器设备； 2、测量4CCl （液体）的拉曼光谱； 3、学习简单而常用的光谱处理方法，并对4CCl 的拉曼光谱进行处理，求出4CCl 的主要拉曼线的拉曼位移。 [拉曼光谱基本原理] 1、 现象 频率0v 的单色辐射入射到透明气体、液体或光学上完整透明的固体上时，大部分辐射无改变地透过，还有一部分受到散射。其中将出现频率为0m v v ±的辐射对。这种辐射频率发生改变的散射成为拉曼（Raman ）散射；还有辐射频率不发生改变的散射称为瑞利散射。一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱，即0v 和0m v v ±合起来构成拉曼光谱。0v 称为瑞利线，0m v v ±称为拉曼线，m v 称为拉曼位移。且频率为0m v v -的拉曼线称为斯托克斯线，频率为0m v v +的拉曼线称为反斯托克斯线。瑞利散射的强度通常约为入射辐射强度的310-，强的拉曼散射的强度一般约为瑞利散射强度的310-， 2、 解释 对拉曼散射的完整理论解释是非常复杂的，限于篇幅这里不作介绍，请大家参看附后的有关参考书。下面用一个简单模型——散射系统与入射辐射之间的能量交换模型对其加以解释。 设散射系统有两个能级1E 、2E ，且有21E E >，210E E hv ->。由于入射辐射的相互作用，系统可以从低能级1E 跃迁到高能级2E ，这是必须要从入射辐射中获得所需能量21E E E ?=-。这个过程可以认为是系统吸收一个能量为0hv 的入射光子，从1E 能级跃迁到某一更高能级（通常散射系统并没有这样一个能级，所

以称其为虚能级），然后，放出一个能量为0hv E -?的散射光子而跃迁到2E 能级。此时，散射光子的频率可表述为： 000m hv E E v v v v h h -??= =-=- 另一方面，如果散射系统处于激发能级2E ，由于相互作用的存在，它可以从高能级2E 跃迁到低能级1E 。此时系统必须把能量21E E E ?=-交给入射辐射。同样这一过程可认为是系统吸收一个能量为0hv 的入射光子。从2E 能级跃迁到某一高的虚能级，然后以放出一个能量为0hv E +?的散射光子而跃迁到1E 能级。此时，散射光子的频率可表述为： 000m hv E E v v v v h h +??==+=+ 以上的描述可用图1来直观表示。 拉曼散射所涉及到得能级1E 、2E ，一般为散射系统的振动、转动能级（对于分子系统而言），或为晶格振动能级（对于晶体而言）。即拉曼位移m v 通常对应系统的振动、转动频率或晶体振动频率。

拉曼光谱实验报告

拉曼光谱实验 姓名学号 何婷21530100 李玉环21530092 宋丹21530111 [实验目的] 1、了解Raman光谱的原理和特点； 2、掌握Raman光谱的定性和定量分析方法； 3、了解Raman光谱的谱带指认。 4、了解显微成像Raman光谱。 [仪器和装置] 1、显微Raman光谱系统一套，拉曼光谱仪的型号为SPL-RAMAN-785 USB2000+的拉曼光谱仪，自带785nm激光； 2、带二维步进电机平移台一台（有控制器一台）； 3、PT纳米线样品； 4、光谱仪软件SpectraSuite； 5、步进电机驱动软件； 6、摄像头（已与显微镜集成在一起）。 [实验内容] 1、使用显微Raman系统及海洋光谱软件对单根或多根纳米线进行显微Raman光谱测量， 对测量的图和标准图进行比较，并通过文献阅读对PT纳米线Raman（测量和标准）的谱峰进行指认。 2、使用显微拉曼扫描系统进行二维样品表面拉曼信号收集，并生成样品表面特定波长处的 拉曼信号强度三维图，模拟样品表面拉曼表征。选择多个拉曼波长对样品形状进行观察。[实验结果及分析]

观察PbTiO3的拉曼散射谱并比对具体的拉曼散射光谱数据进行分析，可以找到以上10个拉曼散射峰，分别位于784.54nm，794.94 nm，798.60 nm，802.90 nm，806.84 nm，811.91 nm，817.10 nm，825.29 nm，832.44 nm，879.69nm附近，对应的Raman Shift分别是-7.46 cm-1 159.28 cm-1 216.94 cm-1 284.00 cm-1 344.82 cm-1 422.21 cm-1 500.44 cm-1 621.90 cm-1 725.97 cm-1 1371.21 cm-1。 （通过Raman Shift=1/λ入射-1/λ散射计算得到） PT纳米线Raman测量的谱峰指认： 分析可知，-7.46 cm-1 159.28 cm-1 216.94 cm-1 284.00 cm-1 344.82 cm-1 422.21 cm-1 500.44 cm-1 621.90 cm-1 725.97 cm-1附近的9个振动模，分别对应于PbTiO3的A1（1TO），E（1LO），E（2TO），B1+E，A1（2TO），E（2LO）+A1（2LO），E（3TO）A1（3TO），A1（3LO）声子模。 位于159.28 cm-1附近的模对应PbTiO3纳米线表面的TiO6八面体相对于Pb的振动；位于500.44 cm-1附近的模分别对应于表面Ti-O或Pb-O键的振动；位于725.97 cm-1附近的模对应于TiO6八面体中Ti-O键的振动。而位于284.00 cm-1的振动模为静模。此外，在725.97 cm-1处PbTiO3还具有额外的Raman振动模，可能与该相中含有大量且复杂的晶胞结构有关。据报道，复杂钙钛矿结构中氧八面体的畸变或八面体内B位离子的移动在某种程度上会破坏平移对称性，引起相邻晶胞不再具有相似的局部电场和极化率。 位于-7.46 cm-1处的拉曼峰强度增强，相比标准PbTiO3纳米线，其余拉曼峰强度均减弱。798nm处样品表面拉曼信号三维强度图：

激光拉曼光谱实验报告

激光拉曼光谱实验报告 摘要：本实验研究了用半导体激光器泵浦的3Nd + ：4YVO 晶体并倍频后得到的532nm 激 光作为激发光源照射液体样品的4CCL 分子而得到的拉曼光谱，谱线很好地吻合了理论分析的4CCL 分子4种振动模式，且频率的实验值与标准值比误差低于2%。又利用偏振片及半波片获得与入射光偏振方向垂直及平行的出射光，确定了各振动的退偏度，分别为、、、，和标准值0和比较偏大。 关键词:拉曼散射、分子振动、退偏 一， 引言 1928年，印度物理学家拉曼（）和克利希南（）实验发现，当光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化，这种现象称为拉曼散射。几乎与此同时，苏联物理学家兰斯别而格（）和曼杰尔斯达姆（）也在晶体石英样品中发现了类似现象。在散射光谱中，频率与入射光频率0υ相同的成分称为瑞利散射，频率对称分布在0υ两侧的谱线或谱带01υυ±即为拉曼光谱，其中频率较小的成分01υυ-又称为斯托克斯线，频率较大的成分01υυ+又称为反斯托克斯线。这种新的散射谱线与散射体中分子的震动和转动，或晶格的振动等有关。 拉曼效应是单色光与分子或晶体物质作用时产生的一种非弹性散射现象。拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。 20世纪60年代激光的问世促进了拉曼光谱学的发展。由于激光极高的单色亮度，它很快被用到拉曼光谱中作为激发光源。而且基于新激光技术在拉曼光谱学中的使用，发展了共振拉曼、受激拉曼散射和番斯托克斯拉曼散射等新的实验技术和手段。 拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源于分子的振动和转动。它提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。拉曼光谱的分析方向有定性分析、结构分析和定量分析。

激光拉曼实验报告

激光拉曼及荧光光谱实验 一、实验目的 1、 了解激光拉曼的基本原理和基本知识以及用激光拉曼的方法鉴别物质成分和分子结构的原理； 2、 掌握LRS – II 激光拉曼/荧光光谱仪的系统结构和操作方法； 3、 研究四氯化碳CCL 4、苯C 6H 6等物质典型的振动—转动光谱谱线特征。 二、实验原理 2.1 基本原理 分子有振动。原子分双子的振动按经典力学的观点可以看成是简谐振子，其能量为 A 是振幅，k 是力常数。按照量子力学，简谐振子的能量是量子化的， t=0，1，2，3，···，是振动量子数，f 是振子的固有振动频率。如果在同一电子态中，有振动能级的跃迁，那么产生的光子能量 hf t t E E h )('12-=-=ν 波数为 CO 在红外部分有4.67微米、2.35微米、1.58微米等光谱带，其倒数之比近似为1： 2：3。当Δt=1时，测得的ν ~反映了分子键的强弱。 分子有转动。双原子分子的转动轴是通过质心而垂直于联接二原子核的直线的。按照经典力学，转动的动能是 式中P 是角动量，Ｉ是转动惯量， 222211r m r m I += 可以证明 I P I E 2212 2= =ω2 2 2 121r r m m m m I μ=+= 2222 1212 1 kA kx mv E =+ = 2 12 1m m m m m += hf t E )2 1(+=m k f π21= ,3,2,)(1 ~12ωωωωλ ν =?=-'=-= =t c f t t hc E E

上式中ｒ１，ｒ２和ｒ分别代表两原子到转轴的距离及两原子之间的距离，μ称为约化质量。按照量子力学，角动量应等于 代入上式得 此式可以从量子力学直接推得，Ｊ称为转动量子数。当Ｊ＝０，１，２，３，···等值时，相应的Ｊ（Ｊ＋１）＝０，２，６，１２，···，所以能级的间隔是I h 228π的２，４，６，８，···倍。 实验和理论都证明纯转动能级的跃迁只能在邻近能级之间，就是ΔＪ＝±１。所得 光谱的波长应该有下式表达的值： 谱线波数（ν ~）的间隔是相等的。ＨCL 分子远红外吸收谱中，曾观察到很多条吸收线，这些线的波数间隔应该是２Ｂ，实验测得：Ｂ＝１０．３４厘米 －１ ，所以由此求得 转动惯量Ｉ，进而求得ＨCL 分子中原子之间的核间距这一重要数据。 多原子分子的转动可以近似地看作刚体的转动，这涉及到多个转轴的不同的转动惯量。其谱线结构较为复杂，只有直线型的分子和对称高的分子转动曾研究出一些结果。在分析化学领域中提供了一些分析样品的标准特征谱线可供实验参照。 光通过透明的物体时，有一部分被散射。如果入射光具有线状谱，散射光的光谱中 除有入射光的谱线外，还另有一些较弱的谱线，这些谱线的波数ν '~等于入射光某一波数0~ν加或减一个数值，即10~~~ννν±='。新出现谱线的波数与入射光的波数之差发现与光源无关，只决定于散射物。如果换一个光源，0~ν不同了，但如果散射物不变换，那么0~~νν-'还是等于原来的1~ν，散射光的波数变动反映了散射物的性质。由于散射光的波数等于入射光的波数与另一数值1 ~ν组合的数值，所以这样的散射称作组合散射。 可以在紫外或可见区观测分子的振动和转动能级，通过选择波长在可见光波段的激 ,2,1,0,2) 1(=+=J h J J P π ) 1(82 2+= J J I h E πIc h B J BJ J J J J Ic h hc E E 2''''2'8, ,3,2,12)]1()1([8~1 ππνλ= ==+-+=-==

激光拉曼光谱仪实验报告

实验六 激光拉曼光谱仪 【目的要求】 1.学习和了解拉曼散射的基本原理； 2.学习使用激光拉曼光谱仪测量CCL 4的谱线； 【仪器用具】 LRS-3型激光拉曼光谱仪、CCL 4、计算机、打印机 【原 理】 1. 拉曼散射 当平行光投射于气体、液体或透明晶体的样品上，大部分按原来的方向透射 而过，小部分按照不同的角度散射开来，这种现象称为光的散射。散射是光子与物质分子相互碰撞的结果。由于碰撞方式不同，光子和分子之间会有多种散射形式。 ⑴ 弹性碰撞 弹性碰撞是光子和分子之间没有能量交换，只是改变了光子的运动方向，使得散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率变化小于3×105HZ ，在光谱上称为瑞利散射。瑞利散射在光谱上给出了一条与入射光的频率相同的很强的散射谱线，就是瑞利线。 ⑵ 非弹性碰撞 光子和分子之间在碰撞时发生了能量交换，这不仅使光子改变了其运动方向，也改变了其能量，使散射光频率与入射光频率不同，这种散射在光谱上称为拉曼散射，强度很弱，大约只有入射线的10-6。 由于散射线的强度很低，所以为了排除入射光的干扰，拉曼散射一般在入射线的垂直方向检测。散射谱线的排列方式是围绕瑞利线而对称的。在拉曼散射中散射光频率小于入射光频率的散射线被称为斯托克斯线；而散射光频率大于入射光频率的散射线被称为反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线是如何形成的呢？在非弹性碰撞过程中，光子与分子有能量交换, 光子转移一部分能量给分子, 或者从分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值21E E E -=?。在光子与分子发生非弹性碰撞过程中，光子把一部分能量交给分子时，光子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光(即斯托克斯线)，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能

拉曼光谱实验报告

成绩 评定 教师 签名 嘉应学院物理学院近代物理实验 实验报告 实验项目：拉曼光谱 实验地点： 班级： 姓名： 座号： 实验时间：年月日

图2 ν? 0ν ν? 斯托克斯线 瑞利线 反斯托克斯线 一、实验目的： 1、 了解拉曼散射的基本原理 2、 学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。 二、实验仪器和用具： RBD 型激光拉曼光谱仪 三、实验原理： 按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为瑞利散射、布利源散射、拉曼散射；其中瑞利散射最强，拉曼散射最弱。在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。 在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a ）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值12E E E ?=-，当光量子把一部分能量交给分子时，频率较低的光为斯托克斯线，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态1E ，如图（1b ），这时的光量子的频率为0ννν'=-?；光量子从较大的频率散射，称为反斯托克斯线，这时的光量子的频率为0ννν'=+?。 最简单的拉曼光谱如图2所示，中央的是瑞利散射线，频率为0ν，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，强度比瑞利线的强度弱很多；高频的一侧是反斯托克斯线，强度比斯托克斯线的 图（1a ） 0h ν ()0h νν+? 0h ν ()0h νν-? 图（1b ） （上能态是虚能态，实 际不存在。这样的跃迁 过程只是一种模型实 际并没有发生） 0h ν 0h ν 0h ν 0h ν

激光拉曼光谱试验

拉曼散射是印度科学家Raman在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射叫做瑞利散射，由英国科学家瑞利于1899年进行了研究。但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。因这一重大发现，拉曼于1930年获诺贝尔奖。 激光拉曼光谱是激光光谱学中的一个重要分支，应用十分广泛。如在化学方面应用于有机和无机分析化学、生物化学、石油化工、高分子化学、催化和环境科学、分子鉴定、分子结构等研究；在物理学方面应用于发展新型激光器、产生超短脉冲、分子瞬态寿命研究等，此外在相干时间、固体能谱方面也有广泛的应用。 实验目的：1、掌握拉曼光谱仪的原理和使用方法； 2、测四氯化碳的拉曼光谱，计算拉曼频移。 实验重点：拉曼现象的产生原理及拉曼频移的计算 实验难点：光路的调节 实验原理：[仪器结构及原理] 1、仪器的结构 LRS-II激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图12-4-1所示。 2、单色仪 单色仪的光学结构如图12-4-2所示。S1为入射狭缝，M1为准直镜，G为平面衍射光栅，衍射光束经成像物镜M2汇聚，经平面镜M3反射直接照射到出射狭缝S2上，在S2外侧有一光电倍增管PMT，当光谱仪的光栅转动时，光谱信号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、计数，进入计算机处理，在显示器的荧光屏上得到光谱的分布曲线。 3、激光器 本实验采用50mW半导体激光器，该激光器输出的激光为偏振光。其操作步骤参照半导体激光器

激光拉曼光谱仪实验报告记录

激光拉曼光谱仪实验报告记录

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实验六 激光拉曼光谱仪 【目的要求】 1.学习和了解拉曼散射的基本原理； 2.学习使用激光拉曼光谱仪测量CCL 4的谱线； 【仪器用具】 LRS-3型激光拉曼光谱仪、CCL 4、计算机、打印机 【原 理】 1. 拉曼散射 当平行光投射于气体、液体或透明晶体的样品上，大部分按原来的方向透射 而过，小部分按照不同的角度散射开来，这种现象称为光的散射。散射是光子与物质分子相互碰撞的结果。由于碰撞方式不同，光子和分子之间会有多种散射形式。 ⑴ 弹性碰撞 弹性碰撞是光子和分子之间没有能量交换，只是改变了光子的运动方向，使得散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率变化小于3×105HZ ，在光谱上称为瑞利散射。瑞利散射在光谱上给出了一条与入射光的频率相同的很强的散射谱线，就是瑞利线。 ⑵ 非弹性碰撞 光子和分子之间在碰撞时发生了能量交换，这不仅使光子改变了其运动方向，也改变了其能量，使散射光频率与入射光频率不同，这种散射在光谱上称为拉曼散射，强度很弱，大约只有入射线的10-6。 由于散射线的强度很低，所以为了排除入射光的干扰，拉曼散射一般在入射线的垂直方向检测。散射谱线的排列方式是围绕瑞利线而对称的。在拉曼散射中散射光频率小于入射光频率的散射线被称为斯托克斯线；而散射光频率大于入射光频率的散射线被称为反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线是如何形成的呢？在非弹性碰撞过程中，光子与分子有能量交换, 光子转移一部分能量给分子, 或者从分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值21E E E -=?。在光子与分子发生非弹性碰撞过程中，光子把一部分能量交给分子时，光子则以较小的频率散射出去，称为频

拉曼光谱实验报告

嘉应学院物理学院近代物理实验 实验报告 实验项目：拉曼光谱 实验地点： 班级： 姓名： 座号：

实验时间：年月日 一、实验目的： 1、了解拉曼散射的基本原理 2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。 二、实验仪器和用具： RBD型激光拉曼光谱仪 三、实验原理： 按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为瑞利散射、布利源散射、拉曼散射；其利散射最强，拉曼散射最弱。在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。 在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，从而使它的频率改变，它取自或给

图2 ν?0νν? 斯托克斯线瑞利线反斯托克斯线予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值 12 E E E ?=-，当光量子把一部分能量交 给分子时，频率较低的光为斯托克斯线，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能 量，从而处于激发态 1 E，如图（1b），这时的光量子的频率为 ννν '=-?；光量子从较大 的频率散射，称为反斯托克斯线，这时的光量子的频率为 ννν '=+?。 最简单的拉曼光谱如图2所示，中央的是瑞 利散射线，频率为 ν，强度最强；低频一侧的 是斯托克斯线，强度比瑞利线的强度弱很多；高 频的一侧是反斯托克斯线，强度比斯托克斯线的 强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克 斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克斯 线通常称为拉曼线，其频率常表示为 νν ±?，ν?称为拉曼频移。为尽可能地考虑增强入射光的光强和最大限度地收集散射光，又要尽量地抑制和消除主要来自瑞利散射的背景杂散光，提高仪器的信噪比。拉曼光谱仪一般由图3所示的五个部分构成。 仪器的外形示意图见图5所示。仪器配套实验台，各分部件安装于实验台上，实验台结实平稳，满足精度光学实验的要求。 图3 拉曼光谱仪的基本结构

激光拉曼光谱仪实验报告

实验六激光拉曼光谱仪 【目的要求】 1.学习和了解拉曼散射的基本原理； 2.学习使用激光拉曼光谱仪测量CCL的谱线； 【仪器用具】 LRS-3型激光拉曼光谱仪、CCL、计算机、打印机 【原理】 1.拉曼散射 当平行光投射于气体、液体或透明晶体的样品上，大部分按原来的方向透射而过，小部分按照不同的角度散射开来，这种现象称为光的散射。散射是光子与物质分子相互碰撞的结果。由于碰撞方式不同，光子和分子之间会有多种散射形式。 (1)弹性碰撞 弹性碰撞是光子和分子之间没有能量交换，只是改变了光子的运动方向，使得散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率变化小于3X 105HZ在光谱上称为瑞利散射。瑞利散射在光谱上给出了一条与入射光的频率相同的很强的散射谱线，就是瑞利线。 ⑵非弹性碰撞 光子和分子之间在碰撞时发生了能量交换，这不仅使光子改变了其运动方向，也改变了其能量，使散射光频率与入射光频率不同，这种散射在光谱上称为拉曼散射，强度很弱，大约只有入射线的10-6。 由于散射线的强度很低，所以为了排除入射光的干扰，拉曼散射一般在入射线的垂直方向检测。散射谱线的排列方式是围绕瑞利线而对称的。在拉曼散射中散射光频率小于入射光频率的散射线被称为斯托克斯线；而散射光频率大于入射光频率的散射线被称为反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线是如何形成的呢？在非弹性碰撞过程中，光子与分子有能量交换，光子转移一部分能量给分子或者从分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值=E - E2。在光子与分子发生非弹性碰撞 过程中，光子把一部分能量交给分子时，光子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光(即斯托克斯线)，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能 量，从而处于激发态Ei,这时的光子的频率为、-- ■'■：■■-（入射光的频率为\ 0）;

物理实验实验报告

物理仿真实验——拉曼光谱 一、实验目的： 1.拍摄拉曼光谱并观察； 2.学会推测出分子拉曼光谱的基本概貌，如谱线数目、大致位置、偏振性质和它们的相对强度； 3.从实验上确切知道谱线的数目和每条线的波数、强度及其应对应的振动方式。 4.以上两个方面工作的结合和对比，利用拉曼光谱获得有关分子的结构和对称性的信息。 二、实验原理 （1）拉曼效应和拉曼光谱:当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。 （2）拉曼光谱基本原理: 设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如下图所示。 当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态，虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。

设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。 瑞利线与拉曼线的波数差称为拉曼位移，因此拉曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给出的是一个拉曼光谱的示意图。 （3）拉曼效应的经典电磁解释：如分子，在激发光的交变场作用下发生感生极化，也就是正负电中心从相合变为相离，成为电偶极子。这感生电偶极子是随激发场而交变的，因此它也就是成了辐射体。简单的与激光同步的发射，就成为瑞利散射。然而分子本身有振动和转动，各有其特种频率。这些频率比激发光的频率低一两个数量级或更多些，于是激发光的每一周期所遇的分子振动和转动相位不同，相应的极化率也不同。 （4）当光入射到样品上时的三种情况： 1.光子同样品分子发生了弹性碰撞，没有能量交换，只是改变了光子的运动方向， 此时散射光频率=入射光频率:hv k =hv 1 ； 2.如频率为v 1的入射光子被样品吸收，样品分子被激发到能量为hv L 的振动能级 L = 1上，同时发生频率为v s=v1-v L的斯托克斯散射；

Renishaw显微共焦激光拉曼光谱仪操作说明

Renishaw显微共焦激光拉曼光谱仪操作说明 一、开机顺序 1、打开主机电源； 2、计算机电源 3、将使用的激光器电源 1）、514nm：打开激光器后面的总电源开关->打开激光器上的钥匙； 2）、785nm：直接打开激光器电源开关。 二、自检 1、用鼠标双击WiRE2.0 图标，进入仪器工作软件环境； 2、系统自检画面出现，选择Reference All Motors 并确定(OK)。系统将检验所有的电机。 3、从主菜单Measurement -> New -> New Acquisition 设置实验条件。静态取谱（Static），中心520 Raman Shift cm-1, Advanced -> Pinhole 设为in。 4、使用硅片，用50 倍物镜，1 秒曝光时间，100%激光功率取谱。使用曲线拟合（Curve fit）命令检查峰位。 三、实验 1、实验条件设置 1）、点击设置按钮（或者菜单中Measurement-->Setup Measurement），（设置）下列参数 2）、OK：采用当前设置条件，并关闭设置窗口；Apply：应用当前设置条件，不关闭窗口； 2、采谱：执行Measurement -> Run 命令。 四、关机 1、关闭计算机 1）、关闭WiRE2.0 软件； 2）、Start-->Shut Down-->Turn off computer。计算机将自动关闭电源。 2、关闭主机电源； 3、关闭激光器 1）、关闭钥匙； 2）、514 激光器散热风扇会继续运转，此时不要关闭主电源开关。等风扇自动停转后再关闭主电源开关； 五、注意事项 1、开机顺序：主机在前，计算机在后。 2、关机顺序：计算机在前，主机在后。514nm 激光器要充分冷却后才能关闭主电源。 3、自检：一定要等自检完成再做其他动作。不能取消（Cancel）。 4、硅片：514nm，自然解理线与横向成45 度时信号最强。780nm，(633nm,325nm)自然解理线与横向基本平行时信号最强。

拉曼光谱实验报告

拉曼光谱实验报告 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

实验报告 实验项目：拉曼光谱 实验地点： 班级： 姓名： 座号： 实验时间：年月日 一、实验目的： 1、了解拉曼散射的基本原理 2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。 二、实验仪器和用具： RBD型激光拉曼光谱仪 三、实验原理： 按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为瑞利散射、布利源散射、拉曼散射；其中瑞利散射最强，拉曼散射最弱。在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散 射。

在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a ）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值12E E E ?=-，当光量子把一部分能量交给分子时，频率较低的光为斯托克斯线，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态1E ，如图（1b ），这时的光量子的频率为0ννν'=-?；光量子从较大的频率散射，称为反斯托克斯线，这时的光量子的频率为0ννν'=+?。 最简单的拉曼光谱如图2所示，中央的是瑞利散射线，频率为0ν，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，强度比瑞利线的强度弱很多；高频的 一侧是反斯托克斯线，强度比斯托克斯线的强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克斯线通常称为拉曼线，其频率常表示为0νν±?，ν?称为拉曼频移。为尽可能地考虑增强入射光的光强和最大限度地收集散射光，又要尽量地抑制和消除主要来自瑞利散射的背

拉曼光谱实验报告

拉曼光谱实验报告

嘉应学院物理学院近代物 理实验 实验报告 实验项目：拉曼光谱 实验地点：

班级： 姓名： 座号： 实验时间：年月日 一、实验目的： 1、了解拉曼散射的基本原理 2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。 二、实验仪器和用具： RBD型激光拉曼光谱仪 三、实验原理：

按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为瑞利散射、布利源散射、拉曼散射；其中瑞利散射最强，拉曼散射最弱。在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。 在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a ）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值1 2 E E E ?=-，当光 量子把一部分能量交给分子时，频率较低的光为斯托克斯线，散射分子接受的能量转变成为分子

的振动或转动能量，从而处于激发态1 E ，如图 （1b ），这时的光量子的频率为0 ννν '=-?；光量子 从较大的频率散射，称为反斯托克斯线，这时的 光量子的频率为0 νν ν '=+?。 最简单的拉曼光谱如图2所示，中央的是瑞利散射线，频率为0 ν，强度 最强；低频一侧的是斯托 克斯线，强度比瑞利线的强度弱很多；高频的一侧是反斯托克斯线，强度比斯托克斯线的强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克斯线通常称为拉曼线，其频率常表示为0 ν ν ±?，ν?称为拉曼频移。 为尽可能地考虑增强入射光的光强和最大限度地收集散射光，又要尽量地抑制和消除主要来自瑞利散射的背景杂散光，提高仪器的信噪比。拉曼光谱仪一般由图3所示的五个部分构成。

拉曼光谱常见问题汇总

拉曼光谱问题汇总 问题目录 一、测试了一些样品，得到的是Ramanshift，但是文献是wavenumber，不知道它们之间的转换公式是怎么样的？激光波长632.8nm。 二、如何用拉曼光谱仪测透明的有机物液体，测试时放到了玻璃片上测出来的结果是玻璃的光谱。 三、我们这里有做生物样品的拉曼光谱的，在获得的图里面有很强的荧光，有的说，如果拉曼得不到就用其荧光谱。可我想问一下，在拉曼谱里面得到的荧光背景，是真正的荧光特征谱吗？这和荧光光谱仪里面的荧光图有什么区别？ 四、什么是共焦显微拉曼光谱仪? 五、请问，测固体粉末的拉曼图谱时，对于荧光很强的物质，应该如何处理？特别是当荧光将拉曼峰湮灭时，应该怎么办？增加照射时间的方法，我试过，连续照射了4小时，结果还是有很强的荧光。我只有一台532nm的激光器，所以更换激光波长的方法目前我不能用。想问问各位，还有别的方法吗？ 六、请问用激光拉曼仪能测量薄膜的厚度、折射率及应力吗？它能对薄膜进行那些方面的测量呢？ 七、拉曼做金属氧化物含量的下限是多少? 我有一几种氧化物的混合物，其中MoO3含量只有5%，XRD检测不到，拉曼可以吗？ 八、小弟是刚涉足拉曼这个领域，主打生物医学方面。实验中，发现温度不同时，拉曼好像也不一样。不知到哪位能帮忙解释一下这个现象 九、文献上说，拉曼的峰强与物质的浓度是成正比关系，那么比如我配置1mol/L的某溶液，和0.5mol/L的溶液，其峰强度是正好一半的关系吗？应用拉曼，是否能采用峰积分，或者用近红外那样的多元统计的办法来定量吗？准确度怎么样？ 十、拉曼峰1640对应的是什么东西啊？无机的 十一、1 红外分析气体需要多高的分辨率？ 2 拉曼光谱仪是否可分析纯金属？ 3 红外与拉曼联用，BRUKER和NICOLET哪个好些？ 十二、我想请问一下这里的高手测定过渡金属络合物水溶液中金属与有机物中的某个原子是否成键可以用拉曼光谱分析吗？ 十三、金红石和锐钛矿对紫外Raman的响应差别大不大？同样条件下的金红石和锐钛矿的Raman峰会不会差很多？ 十四、什么是3CCD？ 十五、请教我所作的实验是用柠檬酸金属盐溶胶拉制成纤维，想做一下拉曼光谱来证明是否有线性分子的存在，可以吗 十六、在测量拉曼光谱仪的灵敏度参数时，有人提出，单晶硅的三阶拉曼峰的强度跟硅分子的取向（什么111，100之类）的有关，使用不同取向的硅使用与其相匹配的激光照射时，其强度严重不一样，是这样吗？不知道大家测量激光拉曼光谱仪的灵敏度时都是怎么测量的 十七、请问如何进行拉曼光谱数据处理？ 十八、拉曼系统自检具体是检测哪些硬件？是个什么过程？ 十九、请教作激光拉曼测试，样品如何预处理？ 二十、请问激光拉曼光谱是什么意思？ 二十一、请教喇曼谱实验时，如何选择激发波长，1064nm?还是785nm或633nm? 二十二、拉曼信号对入射角和出射角的响应又是什么样？我的样品是有衬底支持的薄膜样品（膜厚几百纳米--几微米），怎样扣除衬底的影响？ 二十三、微区拉曼和普通拉曼有区别吗，尤其在图谱上？多晶，单晶和非晶拉曼有何区别？ 二十四、我是做复合材料的研究的，主要是想研究纤维增强复合材料的界面性能？ 二十五、学校有一套天津港东的拉曼光谱仪，计划给学生开一个测量固体（或粉末）拉曼光谱的实验。试了几种材料都不明显，各位高人能推荐几种容易找到的象四氯化碳拉曼光谱那么明显的固体，晶体，或者粉末吗？ 二十六、我们研究小组新近涉及碳纳米管的领域。由于纳米管的Raman信号很弱，就是要重复不断的测试才能在1600cm－1的附近得到峰。请问具体操作条件应该怎么选。如laser的功率，解析度，扫描数scannumber等等，我们用的Raman仪器是(Brucker, RFS-100/S)。 二十七、激光拉曼光谱仪应该可以实现快速的定量分析，但经过前段时间一些咨询，使我对其是否可进行快速分析颇存疑问，尤其是气体分析。请问，一般来说分析一次样品（气体或固体）的时间是多长

激光拉曼光谱和红外光谱对比

激光拉曼光谱 原理：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。 特点：无须或极少准备样品；快速检测；操作简便。 应用：高分子构象研究；聚合物变形研究；医用高分子材料研究；研究生物大分子结构；络合物的组成、结构和稳定性的研究；矿石成分的定性分析。 显微拉曼光谱 特点：高分辨率；可进行显微成像测量，分辨率高，可对样品表面进行um级的微区检测；可进行显微成像测量。 应用：广泛用于新型复合材料，纳米材料和电极材料的研究。

红外光谱 原理：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。当分子中各原子以同一频率、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（例如伸缩振动和变角振动）。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时，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。 分类：根据红外波数测试范围，可以将红外光谱分为：近红外，中红外和远红外三种。 近红外光谱 近红外光是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，近红外光谱的产生,主要是由于分子振动的非谐振性,使分子振动从基态向高能级的跃迁成为可能。在近红外光谱范围内,测量的主要是含氢基团XH(X=C、N、O、S等)振动的倍频及合频吸收。 近红外光谱分析的主要技术特点如下: (1)分析速度快。 (2)分析效率高。 (3)分析成本低。 (4)测试重现性好。 (5)便于实现在线分析。 (6)典型的无损分析技术。 (7)现代近红外光谱分析也有其固有的弱点。一是测试灵敏度相对较低,这主要是 因为近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低,一般近红外倍频和合频的谱带强度是其基频吸收的10到10000分之一,就对组分的分析而言,其含量一般应大于0.1%;二是一种间接分析技术,方法所依赖的模型必须事先用标准方法或参考方法对一定范围内的样品测定出组成或性质数据, 因此

激光拉曼光谱实验

近代物理实验报告 激光拉曼及荧光光谱实验 姓名：陈聪 091204120 付静静091204121 实验目的： 1、学习使用光谱测量中常用的仪器设备； 2、测量（液体）的拉曼光谱； 3、学习简单而常用的光谱处理方法，并对的拉曼光谱进行处理，求出的主要拉曼线的拉曼位移。 [实验装置] 拉曼光谱实验系统一般由单色激发光源、样品室、色散系统和探测记录装置等组成。本实验采用苏州大学生产的SD-RI型小型拉曼光谱仪。整个实验装置如图2所示。下面分别加以介绍。 1、激发光源 激发拉曼光谱的光源，最主要的是要具有高单色性，并能在样品上给出高辐照度。本实验采用激光器作为单色光源。其输出激光的波长为。它的使用比较简单，打开电源，调节电流至所需值（一般约为）即可。 2、样品室

前面已介绍过，拉曼散射的强度比较弱。为了有效的进行测量，样品室必须仔细设计。样品时要考虑使激发光以最有效的方式照射样品，并要尽可能地收集散射光。本实验所用的样品室（见图2），由两个凹面反射镜、和两个凸透镜、组成。这里的作用是对入射激发光进行聚焦以提高激发强度，的作用在于把透过样品的激发光反射回样品再次利用以进一步提高激发强度；、用于收集散射光。其中把向着色散系统——单色仪方向散射的光聚集起来送入单色仪，把背着单色仪方向散射的光反射回来，通过的聚焦送入单色仪。 具体实验中，对样品装置的调整以使得各光学元件达到最佳位置是一件非常困难的事，这也是本实验最关键的一步，样品装置是否能调整好直接关系着实验的成败！ 3、色散系统 对色散系统的选择，主要决定于所用激发光源的波长和所研究样品

的拉曼位移的大小。目前一般采用以光栅作为色散元件的单色仪。又是为了提高光谱信号的信噪比，将两台单色仪串接起来使用，这称为双联单色仪或双光栅单色仪。 本实验所选选用的是一台小型光栅单色仪，如图3所示。

《激光拉曼光谱》.(DOC)

激光拉曼光谱实验讲义 引言 一 实验目的 1、了解拉曼散射的基本原理 2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。 二 实验原理 当波束为0ν的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。按散射光相对于入射光 波数的改变情况，可将散射光分为三类：第一类，其波数基本不变或变化小于5110cm --，这类散射称为瑞利散射；第二类， 其波数变化大约为10.1cm -，称为布利源散射；第三类是波数变化大于11cm -的散射，称为拉曼散射；从散射光的强度看， 瑞利散射最强，拉曼散射最弱。 在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。 在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射也可以是非弹性碰撞的散射。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a ）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值12E E E ?=-，当光量子把一部分能量交给分子时，光量子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光（斯托克斯线），散射分 子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态 1E ，如图（1b ），这时的光量子的频率为0ννν'=-?；当分子已经处于振动或转动的激发态1E 时，光量子则从散射分子中取得 了能量E ?（振动或转动能量），以较大的频率散射，称为频率较 高的光（反斯托克斯线），这时的光量子的频率为 0ννν'=+?。如果考虑到更多的能级上分子的散射，则可产生更多的 斯托克斯线和反斯托克斯线。