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拉曼光譜儀分析原理│Raman Spectrometer Principle

作為應用最廣泛的分子振動光譜,拉曼光譜儀(Raman Spectrometer) 在毒品、食品、珠寶、礦物、半導體、電池材料、即時製程建控都可以發揮能力,同時拉曼光譜儀(Raman Spectrometer )還可以結合其他的材料分析技術,例如;流變儀(Rheometer)、光電子能譜儀)(XPS;x-ray photoelectron spectrometer),提供樣品化學結構即時資訊。

拉曼光譜儀原理

拉曼光譜(Raman Spectra)屬於振動(Vibration)光譜的一種,原理在於使用固定波長的雷射光源激發樣品,當激發光與樣品分子作用時,如果光子與分子碰撞后發生了能量交換,光子將一部分能量傳遞給了樣品分子或從樣品分子獲得一部分能量,從而改變了光的頻率,這個變化就稱之為拉曼位移(Raman shift)。

這個位移的多寡不會因為雷射波長而改變,因此可以用來了解分子鍵結與結構,還可以進一步了解分子處於甚麼環境,例如:樣品中的雜質會因為應力(Stress)與張力(Strain)使得鍵結發生變化並反應在拉曼位移。化合物的不同狀態的形變,例如:加熱或是外力所引起的熔化與結晶。實際應用有鋰電池充放電過程石墨結構的變化或是寶石鑑定中的異物分析等等。

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拉曼光譜與紅外線光譜有甚麼不同?

拉曼光譜(Raman Spectra)與紅外線光譜(IR spectra)都是屬於振動光譜,兩者本身是屬於互補關係,舉例來說,當樣品屬於偶極矩(dipole moment)較強的結構,例如:C-O或C=O鍵結,對於紅外線光源(IR source)有較強的吸收,反之,若是偶極矩(dipole moment)較弱的結構,例如C-C或C=C等,則是較容易使用拉曼光譜儀(Raman Spectrometer)進行分析。

例如右圖的例子trans-Cinnamyl acetate(菌桂精油成分之一)結構中的C─H與C=O鍵結在紅外線光譜(IR spectra)有較強的訊號,而dipole moment相對較弱的C=C鍵結訊號則小了很多,此時若以拉曼光譜(Raman Spectra)進行分析則可以獲得較大的訊號,反之,在拉曼光譜(Raman Spectra)中,C─H與C=O鍵結等極化率較差的鍵結就強度相對較弱。這也是為什麼說當樣品水分較多的蛋白質生物樣品或是其他以水作溶劑的樣品較適合以拉曼光譜儀(Raman Spectrometer)進行分析。

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拉曼光譜儀的發展

拉曼光譜儀(Raman spectrometer)最早是建構在光學桌(Optical table)上,若沒有相當的光學背景,常常會花上許多時間校準每一個光學元件最好最佳的位置,在這之前你還需要一個不小的空間來擺放光學桌,加上拉曼光譜儀(Raman spectrometer)經常使用的光源─雷射,對於肉眼會有一定程度的危害,因此常常需要將拉曼光譜(Raman spectra)系統安置於暗房之中,最終為了一筆拉曼光譜數據,往往要投入不少的時間及犧牲不小的實驗室空間,有時候還會遇到前人的數據,後人無法重現的窘境。

現在,商用拉曼光譜儀(Raman spectrometer)將解決上述遇到的難題,你可以不用是拉曼光譜學(Raman Spectrometer)的專家,也可以得到專業的分析數據,ThermoFisher Scientific所生產的DXR2拉曼光譜儀系列,根據應用的不同區分為Smart Raman拉曼光譜儀(Raman Spectrometer)、顯微拉曼光譜儀(Raman Microscope)與拉曼影像系統(Raman imgaing system),是你解決材料分析問題的好幫手。

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