拉曼光谱仪的原理及应用

拉曼光谱(Raman spectra)，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动等方面的信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。

Part 01.

仪器型号与设备

1.1 拉曼光谱的设备型号

从左至右：HORIBA HR Evolution、赛默飞DXR拉曼光谱仪和RENISHAW

1.2 拉曼及其原位测试装置

测试拉曼光谱时，样品台与激光镜头距离较远，不接触样品，对样品要求低。原位拉曼光谱测试原理与常规拉曼光谱一致。区别在于研究者为了实时观察样品的光谱变化。需要设计特定的原位池放在样品台上进行测试。原位拉曼可测条件有升温、通气氛、电化学(催化、电池)等。

1.3 原位拉曼反应池

原位高温拉曼反应装置是在高温下发生理化反应，得到反应物和产物的结构信息以及反应中间体的变化过程信息。该技术优点：空间分辨率高、消除杂散光、样品可程序控温。其缺点有热辐射。主要用于晶体生长、冶金熔渣、地质岩浆等物质的高温结构等研究领域。

图1.4 原位电池拉曼装置图

原位电池拉曼装置中的正极通常是活性材料，负极由较不活泼的材料，如锂或银氧化物构成。这两种材料之间的化学反应产生电荷流动，从而产生电能。在正常的纽扣电池中，正极和负极之间被隔离并包裹在一个电解质中，通常是一种凝胶状物质。这个电解质的作用是充当离子传导介质，将正极和负极之间的电荷传递。当一个负载(如一个电子设备)连接到纽扣电池的正负极时，化学反应开始进行。

图1.5 原位电催化拉曼装置图

原位电催化拉曼装置中三电极体系含两个回路，一个回路由工作电极和参比电极组成，用来测试工作电极的电化学反应过程，另一个回路由工作电极和辅助电极组成，起传输电子形成回路的作用。电催化反应中溶剂需要量比较多，相比于电池原位池，催化原位池的核心部位容积会更大一些。根据需求不同工作电极与对电极可以隔开。

Part 02.拉曼光谱原理及特点

一束频率为V0的单色光照射到样品上后，分子可以使入射光发生散射。大部分光只是改变方向发生散射，而光的频率仍与激发光的频率相同，这种散射称为瑞利散射，强度约为入射光的10-3倍。约占总散射光强度的10-6~10-10的散射，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频率也改变了，其称为拉曼散射。拉曼散射中频率减少的称为斯托克斯散射，频率增加的散射称为反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多，拉曼光谱仪通常测定的大多是斯托克斯散射，也统称为拉曼散射。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，只与物质分子的振动和转动能级有关。不同物质分子具有不同的振动和转动能级，有特定的拉曼位移，因此拉曼可以用来鉴定物质结构的分析和研究。

图2.2 拉曼光谱仪内部光路图

光源激发气体室从而产生激光。激光部分从反射镜输出，通过滤光片滤去除所需要辐射频率以外的其他频率的光，激光进入显微镜桶内，然后从显微镜桶出射照到样品表面，这个时候光和物质发生拉曼散射现象。散射的拉曼光通过显微镜桶反回到光路内，与入射光成90度位置上收集散射光。通过适当的光学聚集系统后进入单色器或者共聚焦针孔。拉曼光通过光栅，再通过CCD的方式将光信号转化为电信号，在屏幕上就可以得到拉曼光谱。

拉曼特点

操作简单，不破坏样品;高分辨率，快速分析;拉曼强度与样品浓度成简单线性关系;水的拉曼峰很弱可以测试水溶液;制样简单，可以测试气体(气体需要特制的密闭槽里面进行)、液体、固体。

Part 03.拉曼及其原位测试

3.1 适用激光器

目前有的的激光光源波长及对应波数有：

常规拉曼----532 nm：50-3400 cm-1;785 nm：50-3300 cm-1;633 nm：50-3500 cm-1;455 nm：50-3500 cm-1;1064 nm：100-3700 cm-1。原位拉曼----532 nm：100-3100 cm-1;785 nm：100-3100 cm-1。

从紫外、可见到近红外波长范围内的激光器都可以用作拉曼光谱分析的激发光源，典型的激光器及对应优缺点如下：

紫外光：244 nm，257 nm，325 nm，364 nm。优点：能量高(激发效率高)，拉曼散射效应强，提高了空间分辨率，避免荧光。缺点：容易损伤样品，激光器成本很高，对滤波要求高(对光学镜片的要求高)。适用于荧光强的样品，例如石化类、生物类(DNA、RNA、蛋白质)样品。

可见光：457 nm，488 nm，514 nm，532 nm，633 nm，660 nm。优点：应用范围广，一般无机材料多选该波段。缺点：荧光信号强。适用于无机材料、生物医学、共振拉曼(石墨烯、碳材料)、表面增强拉曼。

近红外光：785 nm，830 nm，980 nm，1064 nm。优点：荧光干扰小。缺点：激发能量低(激发效率低)、拉曼信号弱。适用于化工类、生物组织、有机组织样品，可以抑制荧光。

3.2 样品要求

(1)常规拉曼光谱可测试粉末、液体、薄膜、块状、气体样品

粉末样品：一般测试粉末样品量的要求在10 mg以上，大的颗粒可以稍加固定直接测试，微米级粉末需要稍微压一下固定以方便聚焦，纳米级颗粒最好涂片。

液体样品：必须无毒无挥发性、无腐蚀性、需要2 mL以上的体积量。常用的测试方法有：(a)滴1-2滴到载玻片上压片测试，信号可能比较弱;(b)用带凹槽的载玻片滴在凹糟里，上面覆盖石英片测试;(c)将样品注入毛细管密封后测试，最好有悬浮物或者浓度越高越好，以便聚焦。

固体样品：尺寸要求最小2*2 mm，最大不超出5*5 mm。

气体样品：需要特定的样品槽，不能常压，不能测试常态气体(不然拉曼的峰都成了空气的峰)。

(2)原位拉曼光谱分为普通原位和电化学原位

粉末样品：普通原位需要粉末量要求10 mg以上，电催化体系样品准备30 mg以上，电池体系准备300 mg以上。

固体样品：普通原位需要样品尺寸要求最小2*2 mm，最大不超出5*5 cm，电化学可以直接寄电极片5*5 cm内，测试老师根据需求裁剪。

测试气氛：普通原位可测惰性气体、空气、N2、O2、NO、He、CO、CO2、H2、NH3、C7H8。电化学气体蠕动模块有氮气、氩气、氧气。

3.3 分析技术

共焦显微拉曼光谱——把拉曼光谱仪器和一个标准的光学显微镜耦合在一起，可以使用高放大倍数物镜观察样品形貌，同时也可使用显微的激光光斑进行拉曼分析。

偏振拉曼光谱——测量时在样品与光谱探测仪之间的光路中插入偏振片，也可选择在入射光和样品之间插入偏振片来改变入射光的偏振。偏振拉曼光谱可以探测有关分子取向和化学键震动对称性的信息。

共振拉曼光谱——当激发光的波长接近或落在散射物质的电子吸收谱带内时，某些拉曼谱带的强度将大大增强，这用现象叫共振拉曼效应。它是电子跃迁和振动态相耦合作用的结果，能使对应结构或基团的振动能级的拉曼散射强度提高103-106倍。但共振拉曼光谱的荧光背底也会更加显著，荧光问题更加难以处理。

表面增强拉曼光谱——表面增强拉曼光谱技术(SERS)是将待测分子吸附在粗糙的纳米金属材料表面，拉曼信号可以增强106-1015倍。增强倍数取决于基底材料、形状、尺寸、吸附量等。增强机理可分为电磁增强机制和化学增强机制。

学研汇首单立减200元!可立即扫码咨询Raman、FTIR、BET等测试

Part 04.测试流程

4.1 常规拉曼光谱测试流程

1. 准备材料：拉曼光谱仪、将需要分析的样品制备成固态、液态或气态，并确保样品表面干净无尘。

2. 调节仪器：将拉曼光谱仪的激光功率、激光波长、检测器增益等参数调节到合适的状态。

3. 放置样品：将样品放置在拉曼光谱仪的测试台上，调整样品位置和角度，使其与激光束垂直。

4. 测试样品：启动拉曼光谱仪，让激光照射在样品上，观察样品反射光的拉曼散射光信号。

5. 分析数据：将收集到的拉曼散射光信号进行处理和分析，得出样品的结构和组成信息。

6. 结果解读：根据拉曼光谱测试结果，对样品的特性进行解读和分析，指导后续的实验和研究工作。

4.2 高温原位拉曼光谱测试流程

1. 准备材料：拉曼光谱仪、高温原位池、高温观察炉。

2. 调节仪器：测试前对拉曼光谱仪进行较准。

3. 放置样品：将样品放置在耐高温的铂金坩埚(原位池)中进行升温实验。

4. 测试样品：启动拉曼光谱仪，让激光照射在样品上，观察升温过程中样品反射光的拉曼散射光信号。

5. 分析数据：对检测得到的光谱数据进行分析，从而判定晶体在哪个温度点相变为何种物质。

4.3 电化学原位拉曼光谱测试流程

1. 准备材料：拉曼光谱仪、原位池(三电极口径)、电化学工作站、电解池、蠕动泵、样品(工作电极)、对电极、参比电极。

2. 原位池组装：工作电极的样品可以是自支撑材料，也可以是滴涂在自支撑材料上的粉末样品。我们拿一个生长在碳纸上的材料作为工作电极，用铜胶带将四周固定在池子中，留出一段铜胶带接电极夹，用橡胶垫圈固定防止漏液。接上参比电极和对电极，接头处加橡胶圈密封。

3. 搭建电化学工作站：截取四段直径3 mm的PU管安上，将氧气饱和的电解液倒入电解池，用蠕动泵流通电解液与池体形成一个闭合回路，测试是否漏液、是否导电。

4. 连接拉曼光谱仪：将连接好其他器件的原位池固定在拉曼测试的位置。

5. 拉曼光谱仪操作流程：调节样品位置并聚焦。打开拉曼激光发射电源，取下遮光片，全程带好防护眼镜，切勿碰到光路。按需求选择合适波长范围，更改中值波长，更改曝光时间。点击acquire收集数据，保存，export为.csv格式。同一数据收集2-3次，避免偶然误差。

6. 电化学工作站操作流程：恒电压下扫i-t曲线。设置i-t 时间400 s，每个电压下i-t 维持5 min， 在5 min后开始收集数据，同样电位下重复收集一到两次避免偶然误差和气泡干扰的情况。

Part 05.数据分析

一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中既包括单一的化学键，例如C-C，C=C，N-O，C-H等，也包括由数个化学键组成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动，多聚物长链的振动以及晶格振动等。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱，通过快速搜索，找到与被分析物质相匹配的光谱数据，即可鉴别被分析物质。根据拉曼频率可确认物质组成;根据拉曼偏振观察晶体对称性以及取向;由拉曼峰位的变化得知张力、应力;拉曼半峰宽获结晶度缺陷掺杂;拉曼峰强度表征物质总量。

关于拉曼数据，我们一般会关注两个峰的位置，分别是D峰和G峰。D峰和G-峰均是C原子晶体的Raman特征峰，分别在1350 cm-1和1580 cm-1附近，D峰反应的是晶格的碳缺陷，G峰反应的是材料的碳化程度。I(D) / I(G) 是 D峰和G峰的强度比，也有文献用面积比代表，这个比值越大，代表C原子晶体的缺陷比较多。利用Origin可对数据进行拟合分析，得出参数。

原位拉曼一般直接将获得的数据导入Origin中观察拉曼数据变化。将.csv数据打开，复制，导入Origin。数据在Origin中经过不同的画图模式，可以得出不同维度的图。如拉曼线谱图，等高线图。

Part 06.应用实例

6.1 常规拉曼光谱

南开大学Zhiqiang Zhu等人研究碳涂层对Li4Ti5O12/C纳米复合材料电化学性能影响中利用拉曼光谱探究不同煅烧温度下材料的石墨化程度。https://doi.org/10.1039/C3TA00114H

利用拉曼光谱分析不同煅烧温度下C包覆Li4Ti5O12材料的石墨化程度。通过两种方式D峰(缺陷峰)/G峰(石墨化峰)的比值以及拟合分峰出C的两种类型sp3和sp2。两种方式综合验证随着温度增加，石墨化程度是增大的。

6.2 通气氛原位拉曼

美国堪萨斯大学Hashim A. Alzahrani等人利用原位拉曼光谱探究分子氧催化乙烯环氧化过程中银粒径对未活化Ag/a-Al2O3的影响。https://doi.org/10.1016/j.jcat.2023.01.016

在这项工作中，通过在不同的温度和不同的气体环境下处理用草酸银溶液浸渍的a-Al2O3载体样品来实现未活化的Ag/a-Al2O3的可控合成，从而导致Ag颗粒尺寸在20和170 nm之间。在具有不同平均Ag粒径的未活化Ag/a-Al2O3上进行乙烯环氧化过程中的原位拉曼光谱显示，所有催化剂在815 cm-1处都存在拉曼带，该拉曼带被归属于分子氧复合物物种。此外，原位拉曼还揭示了文献中报道的归因于分子氧复合物物种的大颗粒(>100 nm)在880 cm-1处的显著带的演变。这项工作的结果为在Ag/a-Al2O3催化剂上乙烯环氧化过程中存在几种活性氧提供了原位拉曼光谱证据。

6.3 变温原位拉曼

厦门大学李剑锋等人采用表面增强拉曼光谱(SERS)技术，原位探测了CO氧化过程中铂−铈界面上分子氧的活化和反应，并直接观测了CO氧化过程中不同表面物种种类及其演化过程。

作者通过Au@Pt−CeO2纳米结构的制备，利用SERS策略在Pt−CeO2界面上进行了氧活化和CO氧化的原位研究。Au@Pt−CeO2纳米结构中，等离子体金核可以显著放大吸附在Pt−CeO2界面上的微量表面物种的拉曼信号，从而可以同时对活性位点和中间体的结构演化进行原位研究。

6.4 电化学原位拉曼

湖南大学刘继磊教授、胡爱平教授课题组设计并构筑了具有优异的电化学储能性能的Co3O4/Co(OH)2 异质结构自支撑电极，并通过原位和非原位技术从电极材料相结构、原子键合状态和价态变化等多角度详细探究了充放电过程中Co(OH)2和Co3O4的相转变规律。

纯Co(OH)2电极第一次充放电循环期间的原位拉曼光谱如图4a所示。随着外加电位的增加，Co(OH)2的特征峰逐渐消失，在463 cm-1(Eg拉曼模式，O–Co–O弯曲)及585 cm-1(A1g拉曼模式，O-Co-O拉伸)处出现新峰，表明了CoOOH的形成。然而在完全放电状态依然保持CoOOH的特征拉曼光谱，而没有重现Co(OH)2的拉曼特征峰。

Co(OH)2在第一次充电时趋向于不可逆地转变为CoOOH，在随后的充放电循环中可逆地转变为CoO2。Co3O4/Co(OH)2电极在充放电循环过程中的拉曼光谱演化与Co(OH)2类似(图5b)。

Co3O4电极的原位拉曼光谱(如图4c所示)显示，整个充放电循环过程中的拉曼光谱与原始Co3O4的特征峰高度吻合，没有观察到CoOOH/CoO2的明显拉曼特征。这表明纯Co3O4在碱性电解液中浸泡和循环时具有良好的结构完整性且未发现明显的Co3O4的体相变化。

审核编辑：汤梓红