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拉曼光谱是一种通过光谱的变化来确定物质结构和成分的非破坏性分析技术。其原理可以概括为:
当光线通过物质时,它们与分子相互作用,使光的频率发生变化,这种现象称为拉曼散射。拉曼光谱根据光谱图上的散射峰来分析样品的成分和结构。
具体来说,当一束光照射到物质上时,物质中的分子会部分反射光线,这些反射的光线频率与入射光线的频率略有不同,这些互相偏移的光线称为拉曼光。拉曼光的频率差值与物质分子的振动模式有关。通过分析这些不同频率的光线的强度和特征峰的位置和形状,可以确定样品分子的成分和结构。
拉曼光谱具有许多应用,例如在材料科学、化学、生物学、地质学等领域中发挥了重要的作用。
拉曼光谱学主要用于有机化学中的结构鉴定和分子相互作用。它是红外光谱学的补充,可以识别特殊的结构特征或特征组。东古阿卜杜勒·拉赫曼位移的大小、强度和形状是识别化学键和官能团的重要依据。拉曼光谱也可以用偏振特性来判断分子的异构体。
拉曼光谱是一般的,表面增强拉曼光谱是增加强度
1928年印度科学家拉曼实验发现单色入射光透射到物质中的散射光包含与入射光频率不同的光,即拉曼散射。拉曼因此获得诺贝尔奖。受散射光强度低的影响,拉曼光谱经历30年的应用发展限制期。直到1960年后,激光技术的兴起,拉曼光谱仪以激光作为光源,光的单色性和强度大大提高,拉曼散射信号强度大大提高,拉曼光谱技术才得以迅速发展。每一种物质都有其特征的拉曼光谱,利用拉曼光谱可以鉴别和分析样品的化学成分和分子结构;通过分析物质在不同条件下的系列拉曼光谱,来分析物质相变过程,也可进行未知物质的无损鉴定。拉曼光谱技术可广泛应用于化学、物理、医药、生命科学等领域。
拉曼光谱属于分子的振动和转动光谱,通常简称为分子光谱。早在1923年,斯迈克尔等著名物理学家就预言了单色光被物质散射时可能有频率改变的散射光,印度物理学家拉曼于1928年在实验室中发现了这种散射,因而以拉曼的名字命名为拉曼散射,相应的散射光谱亦称为拉曼光谱。
拉曼散射光谱具有以下明显的特征:
a.拉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,同一拉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. 在以波数为变量的拉曼光谱图上,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。
简单解释:按照波尔兹曼分布律,处于激发态的分子数与处于正常态分子数之比是:其中g为该状态下的简并度。
可以解释:温度升高,反斯托克斯线的强度迅速增大,斯托克斯线强度变化不大转动能级中,所以,由于较低和较高的转动态都有显著的布居,所以小拉曼位移两组谱线(反斯托克斯线,斯托克斯线)强度差不多。
拉曼光谱(Raman Spectrum)技术作为一种通过检测物质在单色光照射产生的散射光谱,可提供快速、简单、可重复且无损伤的定性定量分析。近年来,随着激光技术和CCD检测技术的发展,拉曼光谱已经广泛应用于固体和液体材料的结构检测和性能分析。
然而拉曼光谱用于检测物质时,除了得到包含待测物的拉曼信号外,还会受到激光器波动、检测环境变化及样品本身等因素的干扰,这些干扰信号包括荧光背景干扰和不同程度的噪声。其中,拉曼光谱信号的噪声信号主要来源于CCD阵列检测器,包含光子散粒噪声和暗噪声。光子散粒噪声是CCD检测器在收集光子时出现的统计误差,其本质在于通过CCD测量得到的光强能够给出收集到的光子的平均数量,但无法得知任意时刻实际收集到的光子数量。当噪声振幅较大时,会引起拉曼谱图的抖动,出现毛刺尖峰,光谱的信噪比会降低,这将严重影响拉曼特征峰的提取以及待测物质的识别,降低拉曼光谱数据用于物质成分浓度分析的准确性。因此,对于降低拉曼信号噪声的研究,一直引起学者的关注。
目前减小拉曼光谱信号噪声的方法主要有两个方面,拉曼光谱检测系统的改良以及数据预处理方法。现阶段拉曼光谱检测系统的改良成本很高且无法完全消除由于系统本身影响带来的随机噪声,数据预处理算法有很好的效果且成本较低。常用的方法主要基于小波的时频局域化特性,通过小波变换分解信号为高频和低频部分,但需要人为确定截断尺度等参数,降噪结果受操作者人为因素影响,并且仅适用于信号频率与噪声频率相差较大的情况。另一种小波滤波方法利用信号和噪声的小波系数模值随尺度变化规律不同,将二者区分,但主要用于低频噪声的情况,且噪声去除的不够完全。
从原理上可以,毕竟样本量和信号强度相关。
从应用上说意义不大(虽然估计也有人做),因为信号强度受乱七八糟影响太大,不如别的方法可靠方便。
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