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家C.V.拉曼(Raman)所發現的拉曼散射效應，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、轉動等方面的信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。

Part 01.

儀器型號與設備

1.1 拉曼光譜的設備型號

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拉曼光譜一致。區別在于研究者為了實時觀察樣品的光譜變化。需要設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(催化、電池)等。

1.3 原位拉曼反應池

原位高溫拉曼反應裝置是在高溫下發生理化反應，得到反應物和產物的結構信息以及反應中間體的變化過程信息。該技術優點：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、地質巖漿等物質的高溫結構等研究領域。

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，如鋰或銀氧化物構成。這兩種材料之間的化學反應產生電荷流動，從而產生電能。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中，通常是一種凝膠狀物質。這個電解質的作用是充當離子傳導介質，將正極和負極之間的電荷傳遞。當一個負載(如一個電子設備)連接到紐扣電池的正負極時，化學反應開始進行。

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反應過程，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生散射。大部分光只是改變方向發生散射，而光的頻率仍與激發光的頻率相同，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，只與物質分子的振動和轉動能級有關。不同物質分子具有不同的振動和轉動能級，有特定的拉曼位移，因此拉曼可以用來鑒定物質結構的分析和研究。

圖2.2 拉曼光譜儀內部光路圖

光源激發氣體室從而產生激光。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，然后從顯微鏡桶出射照到樣品表面，這個時候光和物質發生拉曼散射現象。散射的拉曼光通過顯微鏡桶反回到光路內，與入射光成90度位置上收集散射光。通過適當的光學聚集系統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波數有：

常規拉曼----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的激光器都可以用作拉曼光譜分析的激發光源，典型的激光器及對應優缺點如下：

紫外光：244 nm，257 nm，325 nm，364 nm。優點：能量高(激發效率高)，拉曼散射效應強，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)樣品。

可見光：457 nm，488 nm，514 nm，532 nm，633 nm，660 nm。優點：應用范圍廣，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、生物醫學、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。優點：熒光干擾小。缺點：激發能量低(激發效率低)、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，大的顆粒可以稍加固定直接測試，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，電化學可以直接寄電極片5*5 cm內，測試老師根據需求裁剪。

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。電化學氣體蠕動模塊有氮氣、氬氣、氧氣。

3.3 分析技術

共焦顯微拉曼光譜——把拉曼光譜儀器和一個標準的光學顯微鏡耦合在一起，可以使用高放大倍數物鏡觀察樣品形貌，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入射光的偏振。偏振拉曼光譜可以探測有關分子取向和化學鍵震動對稱性的信息。

共振拉曼光譜——當激發光的波長接近或落在散射物質的電子吸收譜帶內時，某些拉曼譜帶的強度將大大增強，這用現象叫共振拉曼效應。它是電子躍遷和振動態相耦合作用的結果，能使對應結構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(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增強機制。

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Part 04.測試流程

4.1 常規拉曼光譜測試流程

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

2. 調節儀器：將拉曼光譜儀的激光功率、激光波長、檢測器增益等參數調節到合適的狀態。

3. 放置樣品：將樣品放置在拉曼光譜儀的測試臺上，調整樣品位置和角度，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. 分析數據：將收集到的拉曼散射光信號進行處理和分析，得出樣品的結構和組成信息。

6. 結果解讀：根據拉曼光譜測試結果，對樣品的特性進行解讀和分析，指導后續的實驗和研究工作。

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. 調節儀器：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. 分析數據：對檢測得到的光譜數據進行分析，從而判定晶體在哪個溫度點相變為何種物質。

4.3 電化學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：調節樣品位置并聚焦。打開拉曼激光發射電源，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收集數據，保存，export為.csv格式。同一數據收集2-3次，避免偶然誤差。

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

Part 05.數據分析

一張拉曼譜圖通常由一定數量的拉曼峰構成，每個拉曼峰代表了相應的拉曼散射光的波長位置和強度。每個譜峰對應于一種特定的分子鍵振動，其中既包括單一的化學鍵，例如C-C，C=C，N-O，C-H等，也包括由數個化學鍵組成的基團的振動，例如苯環的呼吸振動，多聚物長鏈的振動以及晶格振動等。在拉曼光譜數據庫中包含著數千條光譜，通過快速搜索，找到與被分析物質相匹配的光譜數據，即可鑒別被分析物質。根據拉曼頻率可確認物質組成;根據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、應力;拉曼半峰寬獲結晶度缺陷摻雜;拉曼峰強度表征物質總量。

關于拉曼數據，我們一般會關注兩個峰的位置，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峰反應的是晶格的碳缺陷，G峰反應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可對數據進行擬合分析，得出參數。

原位拉曼一般直接將獲得的數據導入Origin中觀察拉曼數據變化。將.csv數據打開，復制，導入Origin。數據在Origin中經過不同的畫圖模式，可以得出不同維度的圖。如拉曼線譜圖，等高線圖。

Part 06.應用實例

6.1 常規拉曼光譜

南開大學Zhiqiang Zhu等人研究碳涂層對Li4Ti5O12/C納米復合材料電化學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Hashim A. Alzahrani等人利用原位拉曼光譜探究分子氧催化乙烯環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境下處理用草酸銀溶液浸漬的a-Al2O3載體樣品來實現未活化的Ag/a-Al2O3的可控合成，從而導致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。這項工作的結果為在Ag/a-Al2O3催化劑上乙烯環氧化過程中存在幾種活性氧提供了原位拉曼光譜證據。

6.3 變溫原位拉曼

廈門大學李劍鋒等人采用表面增強拉曼光譜(SERS)技術，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，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納米結構的制備，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納米結構中，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構演化進行原位研究。

6.4 電化學原位拉曼

湖南大學劉繼磊教授、胡愛平教授課題組設計并構筑了具有優異的電化學儲能性能的Co3O4/Co(OH)2 異質結構自支撐電極，并通過原位和非原位技術從電極材料相結構、原子鍵合狀態和價態變化等多角度詳細探究了充放電過程中Co(OH)2和Co3O4的相轉變規律。

純Co(OH)2電極第一次充放電循環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)處出現新峰，表明了CoOOH的形成。然而在完全放電狀態依然保持CoOOH的特征拉曼光譜，而沒有重現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變為CoOOH，在隨后的充放電循環中可逆地轉變為CoO2。Co3O4/Co(OH)2電極在充放電循環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時具有良好的結構完整性且未發現明顯的Co3O4的體相變化。

審核編輯：湯梓紅