摘要

通过对喇曼光谱强度和浓度的分析曲线尝试性的绘制，验证了光谱强度和浓度的正比关系，并从中总结出实验的一些注意点。

关键词: 喇曼光谱，光谱强度和浓度的分析曲线，定量分析

引言

1928年被印度物理学家喇曼等发现的喇曼光谱在很多领域都有重要的应用。定量分析是其中一种，我通过实验对喇曼光谱应用于定量的浓度分析作一些探索。

正文

一、实验原理说明：

1. 喇曼光谱的原理

喇曼光谱含义：光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射.弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分.非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为喇曼效应。

原理：喇曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从喇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喇曼效应：

设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。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（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，后者称为喇曼线。在喇曼线中，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。

谱线特征：喇曼散射光谱具有以下明显的特征：

a. 喇曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一喇曼谱线的位移 与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；

b. 在以波数为变量的喇曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧， 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。

c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

2. 利用喇曼光谱测定物质浓度的原理

粗略地看，按波尔兹曼分布律，处于激发态Ei的分子数Ni与处于正常态E0分子数N0之比是：

其中g为该状态下的简并度，对于振动态gi=g0=1，当温度一定，对应于某一条谱线的Ni与N0的比值是固定的，Ni所对应的特征峰的强度大小可以表征N0的大小，从而由某一物质一特征峰强度的相对大小可确定溶液中此物质的浓度。在普通喇曼光谱中，喇曼散射的强度与入射光强度成正比，称为线性喇曼光谱。当入射光强度很大，例如使用巨脉冲激光器时，所对应的喇曼散射强度不再与入射光强度成正比，得到的光谱叫非线性喇曼光谱，包括的种类有受激喇曼光谱﹑超喇曼光谱﹑相干反斯托克斯喇曼光谱﹑逆喇曼光谱等等。

喇曼光谱定量分析的依据为:

式中: I：光学系统所收集到的样品表面喇曼信号强度； K：分子的喇曼散射截面积； Φ：样品表面的激光入射功率； k、k'：分别是入射光和散射光的吸收系数； Z：入射光和散射光通过的距离； h（z）：光学系统的传输函数； b：样品池的厚度； C：待测物浓度。

由上式可以看出，在一定条件下，喇曼信号强度与产生喇曼散射的待测物浓度成正比。即:

入射激光的功率，样品池厚度和光学系统的参数也对喇曼信号强度有很大的影响，故多选用能产生较强喇曼信号并且其喇曼峰不与待测喇曼峰重叠的基质或外加物质的分子作内标加以校正。还应注意的是任何一物质的引入都会对被测体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。所以在进行定量分析时，最好的方法是直接应用光谱强度和浓度的分析曲线，对样品进行测定。

作光谱强度和浓度的分析曲线最主要的问题是分析曲线(纵坐标为光谱强度，横坐标为样品浓度)易产生非线性，其原因有：

1)分析样品对散射光产生了部分吸收；

2)激光光源发射强度不稳定；

3)在样品分析测定过程中，上一个样品和下一个样品之间存在着线性差异。

在喇曼光谱定量分析中常采用内标或外标法来解决上述问题。

内标法：在样品中不加入任何其它基准物，只以样品溶剂中某些稳定的波峰作为标准进行的测定。

外标法：在样品中加入一定的基准物，以基准物的特征峰作为标准进行的测定。一般用于校正纵坐标的测定误差，对有机溶剂，所选的基准物一般是四氯化碳。

对乙醇的光谱的分析：

对乙醇来说880cm-1，1078 cm-1和1254cm-1 三个喇曼带特征最明显，由公式可以算得在瑞利散射的波长为532nm时，上述三条特征线分别对应于谱线中的558nm，564nm，570nm。

对CCl4的光谱的分析：

我们知道，N个原子构成的分子有（3N-6）个内部振动自由度。因此CCl4分子可以有9个(3×5-6)自由度，或称为9个独立的简正振动。根据分子的对称性，这9种简正振动可归纳成下列四类：

(1) 四个Cl原子沿各自与C的连线同时向外或向内运动，非简并，振动频率相当于波数v1=458cm-1。(在瑞利线为532.0nm的谱线中对应的波长为545.3nm)。

(2) 四个Cl沿垂直于各自与C的连线方向运动并且保持重心不变．二重简并：第一种，两个Cl在它们与C形成的平面内运动；第二种，两个Cl垂直于上述平面而运动．由于两种情形中力常数相同，振动频率是简并的，相当于波数v2=221cm-1. (在瑞利线为532.0nm的谱线中对应的波长为538.3nm)

(3) 原子平行于正方形的一边运动，四个Cl原子同时平行于该边反向运动，分子重心保持不变，三重简并，频率相当于v3=776cm-1.(在瑞利线为532.0nm的谱线中对应的波长为554.9nm)

(4) 两个Cl沿立方体一面的对角线作伸缩运动，另两个在对面作位相相反的运动，也是三重简并。相当于v4=314cm-1.(在瑞利线为532.0nm的谱线中对应的波长为541nm)。

振动v1的强度最大，其余依次是v4，v2，最弱的是v3。由于CCl4分子具有很高的对称性和惰性，可以认为在液态中每个分子都保留着它自己的振动特征。上面所说的"简并"，是指在同一类振动中，虽然包含不同的振动方式但具有相同的能量，它们在喇曼光谱中对应同一条谱线。因此，CCl4分子振动喇曼光谱应有4个基本谱线，根据实验中测得各谱线的相对强度依次为v1>v4>v2>v3。

2. 利用喇曼光谱测定物质浓度的原理

1)对分析样品无需先进行任何前处理，也就是说不存在样品的制备过程；

2)在应用喇曼光谱法进行分析时，除了有些样品会产生荧光干扰现象外，基本上不会发生其它干扰现象；

3)激光的方向性强，光束发散角小，可聚焦在很小的面积上，能对极微量的样品进行测定；

4)测量范围比红外光谱仪宽。

二、我的工作

根据以上的原理分析，我想作出某一种物质在溶液中光谱强度和浓度的分析曲线，从而对喇曼光谱应用于定量的浓度分析作一些探索。我所采用的溶剂和溶质分别是酒精和四氯化碳，两者都可以很方便地在实验室得到，但由于四氯化碳作溶质，因而不能用外标法(有机溶剂中通常使用四氯化碳作基准物质)进行校准，为得到较为精确的结果：

1. 我选定四氯化碳的v1=458cm-1的谱线(在瑞利线为532.0nm的谱线中对应的波长为545.3nm)作为检测四氯化碳浓度的特征喇曼信号，一方面它是四氯化碳振动喇曼光谱4条谱线中强度最大的，另一方面它也远离乙醇的特征线，这样避免了较大的误差；

2. 由于没有使用基准物质的特征峰的强度作为标准，我使用瑞利线的强度作为纵坐标的标准，在同一次实验其他实验条件相同的情况下，纯四氯化碳和纯乙醇的瑞利散射线的强度分别为183738.0，185548.9，二者的相对差值小于1%。

1. 实验内容

配制不同浓度的四氯化碳的乙醇溶液，分别加入未受污染的样品池(毛细管)(规格必须一致)，对不同的样品控制公式：

中除浓度以外的其他参数尽量相同，每次样品池需装满(保持样品池的厚度b一致) 如果使用同一支样品池，每次装不同浓度的试样前，需要用乙醇把样品池洗干净，并用吹风机使乙醇挥发完全(我在实验中并没有这么做，而代以每次装不同浓度的试样前先用所要装的试样润洗样品池)，把不同浓度的样品分别在激光喇曼光谱仪上测出515~550nm范围的光谱，记录下不同浓度时532nm附近瑞利散射线的光强和545.3nm附近四氯化碳浓度的特征喇曼信号( =458cm-1的谱线)的光强。实验装样品时务必细心，因为毛细管内壁会附有相当多的试液，若不清洗干净并使酒精挥发完，灵敏的喇曼光谱就会有明显的变化。

2. 实验结果及分析

在不同四氯化碳浓度的乙醇溶液中，实验测得的数据如下：

最后一列的数据是以纯四氯化碳的v1=458cm-1的谱线(在瑞利线为532.0nm的谱线图中对应的波长为545.3nm)相对强度作为1时的各浓度的四氯化碳的相应谱线的相对强度，又暗色底纹的行是不在相同实验条件的情况下测到的数据，对它们所求的相对强度失去了意义，这两个数据分析时必须舍弃。由上表作出四氯化碳喇曼谱线相对强度和浓度的关系图如下：

直线拟合的结果如下：

线性相关系数R=0.97192， (理论上，Y=X)可见实验值与理论较为接近，但由于缺乏中间一段的可靠的数据点，因此，并不能得到光谱强度和浓度的分析曲线的具体走势。 产生误差的原因在原理分析部分已有叙述，这里补充如下:

1) 不同浓度四氯化碳溶液的折射率有变化，从而导致散射光被吸收的程度不同；

2) 最主要的误差产生原因是配制样品时的产生的误差，由于并没有每次培新样品前用乙醇清洗毛细管并用吹风机将其吹干，而只是用待测试样润洗毛细管，而且由于乙醇的挥发速率非常快，所以不可避免会有相当的误差；

3) 读取各条谱线的光强时并没有扣除本底的噪声，但相对来说本底噪声造成的误差并不大。

三、本实验的意义

用激光喇曼光谱的方法可以通过测谱线光强来测水溶液或有机溶液中某种特定的物质的浓度，喇曼光谱在定量分析方向有广阔的前景。例如，对乙醇和甲醇混合液进行分析，对乙醇来说880 cm-1，1 078 cm-1和1 254 cm-1 三个喇曼带特征最明显，乙醇中混有甲醇，2 823 cm-1喇曼带的存在及其相对强度的大小可作为甲醇存在和含量的判据，这样可以很方便地判断酒中有害成分甲醇的含量(如果光谱强度和浓度的分析曲线已知的话)。

当然，这种方法还有相当多的弱点，譬如可能两种物质的振动峰重叠、喇曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响、任一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染从而引入误差等等。

参考文献

1．高小玲(北京环境监测中心) 巴特勒JS(加拿大麦吉尔大学) 《应用喇曼光谱法进行定量分析的几个关键性技术问题》分析实验室 第14卷第4期 1995

2．胡继明 胡军 (武汉大学分析测试科学系)《喇曼光谱在分析化学中的某些应用进展》 光散射学报 第10卷 第3-4期，1998.10