拉曼光譜(Raman spectra)，是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家C.V.拉曼(Raman)所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉(zhuǎn)動等方面的信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。

Part 01.

儀器型號與設(shè)備

1.1 拉曼光譜的設(shè)備型號

從左至右：HORIBA HR Evolution、賽默飛DXR拉曼光譜儀和RENISHAW

1.2 拉曼及其原位測試裝置

測試拉曼光譜時，樣品臺與激光鏡頭距離較遠，不接觸樣品，對樣品要求低。原位拉曼光譜測試原理與常規(guī)拉曼光譜一致。區(qū)別在于研究者為了實時觀察樣品的光譜變化。需要設(shè)計特定的原位池放在樣品臺上進行測試。原位拉曼可測條件有升溫、通氣氛、電化學(xué)(催化、電池)等。

1.3 原位拉曼反應(yīng)池

原位高溫拉曼反應(yīng)裝置是在高溫下發(fā)生理化反應(yīng)，得到反應(yīng)物和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)信息以及反應(yīng)中間體的變化過程信息。該技術(shù)優(yōu)點：空間分辨率高、消除雜散光、樣品可程序控溫。其缺點有熱輻射。主要用于晶體生長、冶金熔渣、地質(zhì)巖漿等物質(zhì)的高溫結(jié)構(gòu)等研究領(lǐng)域。

圖1.4 原位電池拉曼裝置圖

原位電池拉曼裝置中的正極通常是活性材料，負極由較不活潑的材料，如鋰或銀氧化物構(gòu)成。這兩種材料之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電荷流動，從而產(chǎn)生電能。在正常的紐扣電池中，正極和負極之間被隔離并包裹在一個電解質(zhì)中，通常是一種凝膠狀物質(zhì)。這個電解質(zhì)的作用是充當離子傳導(dǎo)介質(zhì)，將正極和負極之間的電荷傳遞。當一個負載(如一個電子設(shè)備)連接到紐扣電池的正負極時，化學(xué)反應(yīng)開始進行。

圖1.5 原位電催化拉曼裝置圖

原位電催化拉曼裝置中三電極體系含兩個回路，一個回路由工作電極和參比電極組成，用來測試工作電極的電化學(xué)反應(yīng)過程，另一個回路由工作電極和輔助電極組成，起傳輸電子形成回路的作用。電催化反應(yīng)中溶劑需要量比較多，相比于電池原位池，催化原位池的核心部位容積會更大一些。根據(jù)需求不同工作電極與對電極可以隔開。

Part 02.拉曼光譜原理及特點

一束頻率為V0的單色光照射到樣品上后，分子可以使入射光發(fā)生散射。大部分光只是改變方向發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光的頻率相同，這種散射稱為瑞利散射，強度約為入射光的10-3倍。約占總散射光強度的10-6~10-10的散射，不僅改變了光的傳播方向，而且散射光的頻率也改變了，其稱為拉曼散射。拉曼散射中頻率減少的稱為斯托克斯散射，頻率增加的散射稱為反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射強得多，拉曼光譜儀通常測定的大多是斯托克斯散射，也統(tǒng)稱為拉曼散射。散射光與入射光之間的頻率差△V稱為拉曼位移，拉曼位移與入射光頻率無關(guān)，只與物質(zhì)分子的振動和轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。不同物質(zhì)分子具有不同的振動和轉(zhuǎn)動能級，有特定的拉曼位移，因此拉曼可以用來鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析和研究。

圖2.2 拉曼光譜儀內(nèi)部光路圖

光源激發(fā)氣體室從而產(chǎn)生激光。激光部分從反射鏡輸出，通過濾光片濾去除所需要輻射頻率以外的其他頻率的光，激光進入顯微鏡桶內(nèi)，然后從顯微鏡桶出射照到樣品表面，這個時候光和物質(zhì)發(fā)生拉曼散射現(xiàn)象。散射的拉曼光通過顯微鏡桶反回到光路內(nèi)，與入射光成90度位置上收集散射光。通過適當?shù)?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/4854/" target="_blank">光學(xué)聚集系統(tǒng)后進入單色器或者共聚焦針孔。拉曼光通過光柵，再通過CCD的方式將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，在屏幕上就可以得到拉曼光譜。

拉曼特點

操作簡單，不破壞樣品;高分辨率，快速分析;拉曼強度與樣品濃度成簡單線性關(guān)系;水的拉曼峰很弱可以測試水溶液;制樣簡單，可以測試氣體(氣體需要特制的密閉槽里面進行)、液體、固體。

Part 03.拉曼及其原位測試

3.1 適用激光器

目前有的的激光光源波長及對應(yīng)波數(shù)有：

常規(guī)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。

從紫外、可見到近紅外波長范圍內(nèi)的激光器都可以用作拉曼光譜分析的激發(fā)光源，典型的激光器及對應(yīng)優(yōu)缺點如下：

紫外光：244 nm，257 nm，325 nm，364 nm。優(yōu)點：能量高(激發(fā)效率高)，拉曼散射效應(yīng)強，提高了空間分辨率，避免熒光。缺點：容易損傷樣品，激光器成本很高，對濾波要求高(對光學(xué)鏡片的要求高)。適用于熒光強的樣品，例如石化類、生物類(DNA、RNA、蛋白質(zhì))樣品。

可見光：457 nm，488 nm，514 nm，532 nm，633 nm，660 nm。優(yōu)點：應(yīng)用范圍廣，一般無機材料多選該波段。缺點：熒光信號強。適用于無機材料、生物醫(yī)學(xué)、共振拉曼(石墨烯、碳材料)、表面增強拉曼。

近紅外光：785 nm，830 nm，980 nm，1064 nm。優(yōu)點：熒光干擾小。缺點：激發(fā)能量低(激發(fā)效率低)、拉曼信號弱。適用于化工類、生物組織、有機組織樣品，可以抑制熒光。

3.2 樣品要求

(1)常規(guī)拉曼光譜可測試粉末、液體、薄膜、塊狀、氣體樣品

粉末樣品：一般測試粉末樣品量的要求在10 mg以上，大的顆?？梢陨约庸潭ㄖ苯訙y試，微米級粉末需要稍微壓一下固定以方便聚焦，納米級顆粒最好涂片。

液體樣品：必須無毒無揮發(fā)性、無腐蝕性、需要2 mL以上的體積量。常用的測試方法有：(a)滴1-2滴到載玻片上壓片測試，信號可能比較弱;(b)用帶凹槽的載玻片滴在凹糟里，上面覆蓋石英片測試;(c)將樣品注入毛細管密封后測試，最好有懸浮物或者濃度越高越好，以便聚焦。

固體樣品：尺寸要求最小2*2 mm，最大不超出5*5 mm。

氣體樣品：需要特定的樣品槽，不能常壓，不能測試常態(tài)氣體(不然拉曼的峰都成了空氣的峰)。

(2)原位拉曼光譜分為普通原位和電化學(xué)原位

粉末樣品：普通原位需要粉末量要求10 mg以上，電催化體系樣品準備30 mg以上，電池體系準備300 mg以上。

固體樣品：普通原位需要樣品尺寸要求最小2*2 mm，最大不超出5*5 cm，電化學(xué)可以直接寄電極片5*5 cm內(nèi)，測試老師根據(jù)需求裁剪。

測試氣氛：普通原位可測惰性氣體、空氣、N2、O2、NO、He、CO、CO2、H2、NH3、C7H8。電化學(xué)氣體蠕動模塊有氮氣、氬氣、氧氣。

3.3 分析技術(shù)

共焦顯微拉曼光譜——把拉曼光譜儀器和一個標準的光學(xué)顯微鏡耦合在一起，可以使用高放大倍數(shù)物鏡觀察樣品形貌，同時也可使用顯微的激光光斑進行拉曼分析。

偏振拉曼光譜——測量時在樣品與光譜探測儀之間的光路中插入偏振片，也可選擇在入射光和樣品之間插入偏振片來改變?nèi)肷涔獾钠瘛Ｆ窭庾V可以探測有關(guān)分子取向和化學(xué)鍵震動對稱性的信息。

共振拉曼光譜——當激發(fā)光的波長接近或落在散射物質(zhì)的電子吸收譜帶內(nèi)時，某些拉曼譜帶的強度將大大增強，這用現(xiàn)象叫共振拉曼效應(yīng)。它是電子躍遷和振動態(tài)相耦合作用的結(jié)果，能使對應(yīng)結(jié)構(gòu)或基團的振動能級的拉曼散射強度提高103-106倍。但共振拉曼光譜的熒光背底也會更加顯著，熒光問題更加難以處理。

表面增強拉曼光譜——表面增強拉曼光譜技術(shù)(SERS)是將待測分子吸附在粗糙的納米金屬材料表面，拉曼信號可以增強106-1015倍。增強倍數(shù)取決于基底材料、形狀、尺寸、吸附量等。增強機理可分為電磁增強機制和化學(xué)增強機制。

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Part 04.測試流程

4.1 常規(guī)拉曼光譜測試流程

1. 準備材料：拉曼光譜儀、將需要分析的樣品制備成固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)，并確保樣品表面干凈無塵。

2. 調(diào)節(jié)儀器：將拉曼光譜儀的激光功率、激光波長、檢測器增益等參數(shù)調(diào)節(jié)到合適的狀態(tài)。

3. 放置樣品：將樣品放置在拉曼光譜儀的測試臺上，調(diào)整樣品位置和角度，使其與激光束垂直。

4. 測試樣品：啟動拉曼光譜儀，讓激光照射在樣品上，觀察樣品反射光的拉曼散射光信號。

5. 分析數(shù)據(jù)：將收集到的拉曼散射光信號進行處理和分析，得出樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息。

6. 結(jié)果解讀：根據(jù)拉曼光譜測試結(jié)果，對樣品的特性進行解讀和分析，指導(dǎo)后續(xù)的實驗和研究工作。

4.2 高溫原位拉曼光譜測試流程

1. 準備材料：拉曼光譜儀、高溫原位池、高溫觀察爐。

2. 調(diào)節(jié)儀器：測試前對拉曼光譜儀進行較準。

3. 放置樣品：將樣品放置在耐高溫的鉑金坩堝(原位池)中進行升溫實驗。

4. 測試樣品：啟動拉曼光譜儀，讓激光照射在樣品上，觀察升溫過程中樣品反射光的拉曼散射光信號。

5. 分析數(shù)據(jù)：對檢測得到的光譜數(shù)據(jù)進行分析，從而判定晶體在哪個溫度點相變?yōu)楹畏N物質(zhì)。

4.3 電化學(xué)原位拉曼光譜測試流程

1. 準備材料：拉曼光譜儀、原位池(三電極口徑)、電化學(xué)工作站、電解池、蠕動泵、樣品(工作電極)、對電極、參比電極。

2. 原位池組裝：工作電極的樣品可以是自支撐材料，也可以是滴涂在自支撐材料上的粉末樣品。我們拿一個生長在碳紙上的材料作為工作電極，用銅膠帶將四周固定在池子中，留出一段銅膠帶接電極夾，用橡膠墊圈固定防止漏液。接上參比電極和對電極，接頭處加橡膠圈密封。

3. 搭建電化學(xué)工作站：截取四段直徑3 mm的PU管安上，將氧氣飽和的電解液倒入電解池，用蠕動泵流通電解液與池體形成一個閉合回路，測試是否漏液、是否導(dǎo)電。

4. 連接拉曼光譜儀：將連接好其他器件的原位池固定在拉曼測試的位置。

5. 拉曼光譜儀操作流程：調(diào)節(jié)樣品位置并聚焦。打開拉曼激光發(fā)射電源，取下遮光片，全程帶好防護眼鏡，切勿碰到光路。按需求選擇合適波長范圍，更改中值波長，更改曝光時間。點擊acquire收集數(shù)據(jù)，保存，export為.csv格式。同一數(shù)據(jù)收集2-3次，避免偶然誤差。

6. 電化學(xué)工作站操作流程：恒電壓下掃i-t曲線。設(shè)置i-t 時間400 s，每個電壓下i-t 維持5 min， 在5 min后開始收集數(shù)據(jù)，同樣電位下重復(fù)收集一到兩次避免偶然誤差和氣泡干擾的情況。

Part 05.數(shù)據(jù)分析

一張拉曼譜圖通常由一定數(shù)量的拉曼峰構(gòu)成，每個拉曼峰代表了相應(yīng)的拉曼散射光的波長位置和強度。每個譜峰對應(yīng)于一種特定的分子鍵振動，其中既包括單一的化學(xué)鍵，例如C-C，C=C，N-O，C-H等，也包括由數(shù)個化學(xué)鍵組成的基團的振動，例如苯環(huán)的呼吸振動，多聚物長鏈的振動以及晶格振動等。在拉曼光譜數(shù)據(jù)庫中包含著數(shù)千條光譜，通過快速搜索，找到與被分析物質(zhì)相匹配的光譜數(shù)據(jù)，即可鑒別被分析物質(zhì)。根據(jù)拉曼頻率可確認物質(zhì)組成;根據(jù)拉曼偏振觀察晶體對稱性以及取向;由拉曼峰位的變化得知張力、應(yīng)力;拉曼半峰寬獲結(jié)晶度缺陷摻雜;拉曼峰強度表征物質(zhì)總量。

關(guān)于拉曼數(shù)據(jù)，我們一般會關(guān)注兩個峰的位置，分別是D峰和G峰。D峰和G-峰均是C原子晶體的Raman特征峰，分別在1350 cm-1和1580 cm-1附近，D峰反應(yīng)的是晶格的碳缺陷，G峰反應(yīng)的是材料的碳化程度。I(D) / I(G) 是 D峰和G峰的強度比，也有文獻用面積比代表，這個比值越大，代表C原子晶體的缺陷比較多。利用Origin可對數(shù)據(jù)進行擬合分析，得出參數(shù)。

原位拉曼一般直接將獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin中觀察拉曼數(shù)據(jù)變化。將.csv數(shù)據(jù)打開，復(fù)制，導(dǎo)入Origin。數(shù)據(jù)在Origin中經(jīng)過不同的畫圖模式，可以得出不同維度的圖。如拉曼線譜圖，等高線圖。

Part 06.應(yīng)用實例

6.1 常規(guī)拉曼光譜

南開大學(xué)Zhiqiang Zhu等人研究碳涂層對Li4Ti5O12/C納米復(fù)合材料電化學(xué)性能影響中利用拉曼光譜探究不同煅燒溫度下材料的石墨化程度。https://doi.org/10.1039/C3TA00114H

利用拉曼光譜分析不同煅燒溫度下C包覆Li4Ti5O12材料的石墨化程度。通過兩種方式D峰(缺陷峰)/G峰(石墨化峰)的比值以及擬合分峰出C的兩種類型sp3和sp2。兩種方式綜合驗證隨著溫度增加，石墨化程度是增大的。

6.2 通氣氛原位拉曼

美國堪薩斯大學(xué)Hashim A. Alzahrani等人利用原位拉曼光譜探究分子氧催化乙烯環(huán)氧化過程中銀粒徑對未活化Ag/a-Al2O3的影響。https://doi.org/10.1016/j.jcat.2023.01.016

在這項工作中，通過在不同的溫度和不同的氣體環(huán)境下處理用草酸銀溶液浸漬的a-Al2O3載體樣品來實現(xiàn)未活化的Ag/a-Al2O3的可控合成，從而導(dǎo)致Ag顆粒尺寸在20和170 nm之間。在具有不同平均Ag粒徑的未活化Ag/a-Al2O3上進行乙烯環(huán)氧化過程中的原位拉曼光譜顯示，所有催化劑在815 cm-1處都存在拉曼帶，該拉曼帶被歸屬于分子氧復(fù)合物物種。此外，原位拉曼還揭示了文獻中報道的歸因于分子氧復(fù)合物物種的大顆粒(>100 nm)在880 cm-1處的顯著帶的演變。這項工作的結(jié)果為在Ag/a-Al2O3催化劑上乙烯環(huán)氧化過程中存在幾種活性氧提供了原位拉曼光譜證據(jù)。

6.3 變溫原位拉曼

廈門大學(xué)李劍鋒等人采用表面增強拉曼光譜(SERS)技術(shù)，原位探測了CO氧化過程中鉑?鈰界面上分子氧的活化和反應(yīng)，并直接觀測了CO氧化過程中不同表面物種種類及其演化過程。

作者通過Au@Pt?CeO2納米結(jié)構(gòu)的制備，利用SERS策略在Pt?CeO2界面上進行了氧活化和CO氧化的原位研究。Au@Pt?CeO2納米結(jié)構(gòu)中，等離子體金核可以顯著放大吸附在Pt?CeO2界面上的微量表面物種的拉曼信號，從而可以同時對活性位點和中間體的結(jié)構(gòu)演化進行原位研究。

6.4 電化學(xué)原位拉曼

湖南大學(xué)劉繼磊教授、胡愛平教授課題組設(shè)計并構(gòu)筑了具有優(yōu)異的電化學(xué)儲能性能的Co3O4/Co(OH)2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)自支撐電極，并通過原位和非原位技術(shù)從電極材料相結(jié)構(gòu)、原子鍵合狀態(tài)和價態(tài)變化等多角度詳細探究了充放電過程中Co(OH)2和Co3O4的相轉(zhuǎn)變規(guī)律。

純Co(OH)2電極第一次充放電循環(huán)期間的原位拉曼光譜如圖4a所示。隨著外加電位的增加，Co(OH)2的特征峰逐漸消失，在463 cm-1(Eg拉曼模式，O–Co–O彎曲)及585 cm-1(A1g拉曼模式，O-Co-O拉伸)處出現(xiàn)新峰，表明了CoOOH的形成。然而在完全放電狀態(tài)依然保持CoOOH的特征拉曼光譜，而沒有重現(xiàn)Co(OH)2的拉曼特征峰。

Co(OH)2在第一次充電時趨向于不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)镃oOOH，在隨后的充放電循環(huán)中可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)镃oO2。Co3O4/Co(OH)2電極在充放電循環(huán)過程中的拉曼光譜演化與Co(OH)2類似(圖5b)。

Co3O4電極的原位拉曼光譜(如圖4c所示)顯示，整個充放電循環(huán)過程中的拉曼光譜與原始Co3O4的特征峰高度吻合，沒有觀察到CoOOH/CoO2的明顯拉曼特征。這表明純Co3O4在堿性電解液中浸泡和循環(huán)時具有良好的結(jié)構(gòu)完整性且未發(fā)現(xiàn)明顯的Co3O4的體相變化。

審核編輯：湯梓紅