關于拉曼光譜定量分析的實驗教學方法探析

楊建輝

摘 要：隨著社會的發展，人們對教育越來越重視，在教學中，通常通過不同的教學方式，讓學生對所學知識進行深入了解，通過實驗的方式進行教學，加強學生學習的積極性，教師可以對拉曼光譜的性質進行分析講解，讓學生充分認識拉曼光譜的具體性能，對拉曼光譜的定量進行具體的認識。在實驗教學中，可以對拉曼光譜的定量進行具體實驗操作，在這個實驗的基礎上進一步了解拉曼光譜定量的意義，在教學的過程中，對拉曼光譜的基礎理論和產生過程進行實驗教學，意在讓學生提高實驗的能力，從而提高教學質量。對于拉曼光譜的定量分析可以在實踐的過程中研究一些方法和內容，探索實驗的真正目的，在教學中，通過不同思路具體方法進行應用，因此在實驗教學中，可以培養學生的實踐創新科研能力。將理論結合實際，具體問題進行具體分析，有利于培養學生獨立解決問題的能力，培養學生的工作能力，有效提高學習效率和尋找適合的學習方法。

關鍵詞：拉曼光譜；定量分析；實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）18-0075-04

Abstract： With the development of society， people attach more and more importance to education. In teaching， students are usually taught in different ways to gain an in-depth understanding of the knowledge they have acquired， and to teach by means of experiments so as to strengthen their enthusiasm for learning. Teachers can analyze and explain the nature of Raman spectra， so that students can fully understand the specific performance of Raman spectra and the quantitative analysis of Raman spectra. In the experiment teaching， the basic theory and producing process of Raman spectra are studied in this paper， so as to improve students' ability of experiment as well as teachers' teaching quality. For the quantitative analysis of Raman spectroscopy， we can study some methods and contents in the process of practice， explore the real purpose of the experiment， and apply in the teaching through different ideas and specific methods， so as to train students' ability of practice， innovation and scientific research. The combination of theory with practice and specific analysis of specific problems is conducive to cultivating students' independent problem-solving ability， cultivating students' working ability， effectively improving learning efficiency and finding appropriate learning methods.

Keywords： raman spectra； quantitative analysis； experimental teaching

引言

在實驗教學中，對拉曼光譜進行定量分析，這種實驗方法可以通過拉曼光譜的強度和特征與分子結構進行緊密聯系，拉曼光譜的強度和頻率移動以及特性可以通過與分子的振動能形態和轉動能態進行相關聯，在這個過程中，分子結構與形態進行關系密切的聯系。拉曼光譜在實驗中具有良好的性能，在制作時，通常比較簡單，分析樣品比較迅速，可以保證樣品無所損壞。尤其是在進行制樣和樣品檢測中，可以取一定的微量就能滿足實驗的需求，成為分子結構研究中良好的實驗工具。對于分子的鑒別和分子結構的組成以及化學、石油等具有重要的應用。然而對于化學中氣相和液相比較高的實驗而言，誤差相對比較大，這就限制了拉曼光譜的應用。在實踐的過程中，拉曼光譜技術是比較可靠地，可以對樣品的性質進行分析，從而對樣品進行定性，尤其是在實驗的過程中，可以通過實驗教學法，真實的進行樣品作用定性分析，但是不能忽略定量分析。在拉曼光譜的定量分析中，對具有強烈熒光背景的物質和乙醇混合形成溶液進行定量分析，這對于拉曼光譜定量分析中成為一個難點。在教學中，教師可以通過這種方法進行分析與學生產生互動，在教學實驗中，讓學生通過學習理論知識進一步的加強對拉曼光譜定量分析的認識和理解，對內容進行多方面的實驗，將拉曼光譜對乙醇溶液的濃度進行比例分析。在教學中，首先要通過理論知識的講解讓學生對拉曼光譜有一定的認識，再進行分析，在分析的過程中尋找理論依據，在對分析時的誤差和來源進行數據評定，加深學生對拉曼光譜的認識和了解。

一、拉曼光譜定量分析的理論依據和原理

（一）拉曼光譜定量分析的理論依據

拉曼光譜定量分析具有一定的理論依據，在光學的系統研究中，可以將收集到的樣品表面作為一種信號，這種信號可以通過拉曼信號的強度進行傳播。將拉曼信號與分子拉曼散射的橫截面面積作為對比，從樣品表面散射的激光作為入射的一種功率，與射光和散射光進行對比，對比出吸收的系數，然后將射光和散射光的距離進行判斷，最后通過光學系數進行函數運算，這樣就得出樣品的厚度，因此在一定的環境下，拉曼信號的強度與樣品濃度有一定關系，這種關系作為拉曼散射的測試，與樣品的濃度在比例上成為正比。[1]

（二）拉曼光譜的原理

在上個世紀，印度的物理學家拉曼在研究光的過程中發現了單色光與散射的關系，單色光出現在液體中時會出現散射的現象，而且散射的程度不同，在光的兩側強度比較弱，由于光的頻率不同，散射的光譜不同，因此命為拉曼散射。拉曼光譜在拉曼散射的基礎上形成一種效應，散射出分子光譜。比如在樣品中，同一束激光在照射的時候會產生不同的現象，這兩種現象其中的一種為拉曼散射。當分子吸收激光能量的時候從一個基本的狀態到達峰值，然后到一個虛擬的狀態，在這個過程中，虛擬的狀態中一大部分的分子被釋放，這些分子又被遣回之前的基本狀態，在分子遣回過程中其實吸收了非常多的能量，在光子與分子之間產生碰撞，但是并沒有能量消耗，因此光分頻率并不會發生太多改變[2]。還有一部分處于虛擬狀態的分子在遣回到振動激發狀態的時候會產生一種散射反應。在這種狀態下，震動激發分子狀態發生改變，強度降低，在常溫的狀態下，一部分的基本狀態分子相對比較多，多于激發狀態的分子，因此在拉曼反射中，散射的強度要大，隨著散射的頻率和激光發出的頻率有所不同，頻率與頻率之間產生一種位移，這種位移叫做拉曼位移。拉曼光譜中包含拉曼位移，拉曼位移坐標在拉曼光譜上，可以通過波數來表示，在光譜物質的拉曼位移與激發的頻率沒有關系，主要是取決于分子的能量振動以及變化，不同的化學反應基本形態有著不同的振動方式，這決定能量的變化，在拉曼光譜中分子結構的整體性質成為理論依據。在磁場的計算過程中，如果散射的光波相對比較長，在一定強度的實驗方式下，拉曼散射與化學樣品的濃度成一定的比例，這樣可以運用拉曼光譜進行定量分析，也成為拉曼光譜的理論依據[3]。

二、拉曼光譜的技術發展

（一）拉曼光譜具有一定的技術優勢

拉曼光譜在技術發展中是具有一定優勢的，例如可以迅速、沒有損耗、沒有污染等特性。可以通過多元性的檢測加大拉曼光譜的速度，在實驗中進一步進行檢測、拉曼光譜分數據分析過程不需要制作樣品副本，可以在不破壞樣品的過程中不產生污染。在拉曼光譜中，譜峰技術比較強大，在譜帶中參與的疊狀相對較少，比較適合數據庫的儲存，如果其中出現差異可以定量進行研究，通過材料的使用，運用比較廣泛，比如石油化工、醫藥等等。在拉曼光譜進行檢測的過程中，對樣品本身的狀態并沒有太多的要求，不論是固體或者液體都能進行測量，這樣測量的樣品都不需要經過處理，直接可以通過拉曼激光容器進行信號樣品的產生，這樣可以減少不同信號的干擾和檢驗，拉普激光可以將聚焦的部分進行精細化處理，只需要一小部分的測量就可以達到相對好的效果，通過顯微拉曼技術使得拉曼激光進一步的升級，在對小樣本進行測量時也會有好的效果。在進行水溶液分析的過程中，低濃度檢測可以將遠紅外吸收加強，在一定狀態下水分子的化學性能產生一定作用，在拉曼光譜中的信號比較小[5]。基于這種方式，拉曼光譜成為研究水溶液比較有優勢的方法，拉曼光譜的技術具有很大優勢，靈敏度相對比較高，在低強度的檢測過程中，可以通過短途徑到達。拉曼光譜具有穩定的系統結構，在進行遠距離分析的過程中，可以利用拉曼激光技術進行測試，這種測試方式具有良好的穩定性，同時可以借助拉曼激光光纖技術進行檢測。

（二）拉曼光譜技術的應用比較廣泛

拉曼光譜技術的應用相對比較廣泛，在拉曼光譜技術中有很多領域可以涉獵，并且取得了很好的效果，比如在石油化工或者是醫學領域都有很好的應用。在石油化工中，主要的成分為化學化合物，其主要的功能都為光譜，作為拉曼光譜對石油產品的鑒定和本質都有很大的優勢，作為拉曼光譜具有很大的優勢，可以迅速并且沒有損耗的進行處理，在石油領域中占有一席之地。拉曼光譜利用化學優勢對汽油和柴油進行分析，并且對其數值做出很好的判斷，在技術上取得了良好效果[6]。激光拉曼技術可以應用與燃油的組成和一部分石油化學化合物的分析，對其特征進行應用，通過多方面的混合進行檢測，利用拉曼光譜的技術優勢將熒光背景問題加深理解，這樣可以獲得好實驗結果，對汽油中的化學物體做出結論。利用拉曼光譜技術將汽油中的化合物進行測定，提高精度測量，通過化學液體濃度的實驗進行研究。檢測中的穩健建模方式和樣本檢測技術在一定程度上加強了低分辨率的問題，解決了汽油中的一些苯含量問題[7]。采用激光拉曼系統，可以對化學物品分離監測形成一定的屏障，在分析和一定配置上出現誤差，但是這種誤差在拉曼光譜定量分析中有非常好的作用。在一定程度上取代了過去傳統的監測方法。拉曼光譜可以通過高分子的材料對超導體以及固體材料進行分析，在一些化學物品研究中，拉曼光譜起到了非常重要的作用，在一些材料的應用和分子結構分析的過程中，可以通過檢測加強分子的穩定性和可靠性。拉曼光譜可以提供一些化學結構方面的信息，在分子的組成過程中將分子的性質和固體結晶的取向等相互作用和結構進行規整，在高分子立體化的純度下，可以通過拉曼位移來解決其分子的相互轉化問題。對于食品醫藥而言，尤其是對于食品，拉曼光譜對很多食品有著一定的研究，在傳統的行業中，食品檢測成為重頭戲，而拉曼光譜通過這種方式對食品進行快速的檢測，提高了效率和質量，對食品有著非常重要的作用。不僅如此，拉曼光譜對水溶液的檢測也有一定的作用，在分子比較活躍的狀態下，拉曼光譜可以獲取非常多的分子結構，對于熒光等一些刺激，可以通過拉曼光譜進行消除，甚至可以利用表面增強等技術來加強散射光的強度。對于拉曼光譜的應用領域比較廣泛，在一定條件下，可以通過比較良好的手段進行分析，在細胞的分子上進行疾病的診療，對于細胞結構相似的分子進行辨別，對于藥物的取用和組成具有重要的作用，為臨床病理分析提供良好的依據。尤其是對于細胞的濃度和結構的分辨力在技術上是一種進步。拉曼光譜對于寶石的鑒定和考古也是具有重要價值，對于外形比較鮮艷的人造寶石，利用拉曼光譜可以進行直接的鑒定，區別于傳統的鑒別方式，提供了更多的科學依據，使得在這一時期使用更加廣泛。

三、拉曼光譜的使用方法和定量分析結果

（一）拉曼光譜的使用方法

首先可以對樣品材料進行取樣和采集，在實驗中對參與實驗的化學試劑進行檢查，采用濃度不低于99.5%的乙醇、四氯化碳和去離子水；其次，將不同體積的離子水分別倒入乙醇中，配制出不同配比和不同液體的化學試劑，通過水二元體系進行溶解，再用激光功率為50mw的拉曼光譜儀進行表征，在這個過程中可以通過光譜圖進行收集和采集；最后，再用光譜儀對不同濃度的化學試劑進行光譜圖掃描，從而對樣品進行重復實驗，實驗結果取樣品掃描的數據均數。

（二）拉曼光譜的分析結果

在實驗的過程中，樣品池是非常具有代表作用的，可以將不同濃度的乙醇加入未受到污染的樣品池中，因為不同濃度的樣品具有不同程度反應，通過拉曼光譜儀進行測試，對熒光背底之后不同濃度的乙醇進行水溶液分析，隨著乙醇濃度的不斷提升，特征峰也在不斷增加，強度比值也會不斷提高。在樣品池中加入一定量的純水，峰強度與不同強度的乙醇進行反應，在強度比值增加的過程中，可以看見乙醇濃度的變化和面積之間存在一定的關系，這是與乙醇實驗的一種線性關系，其數值在0.97662左右[8]。

（三）拉曼光譜的誤差分析

同樣實驗可以在樣品池中進行，在進行誤差分析的同時，可以采用激光功率分析結果，這種結果對于激光功率有著重要的影響。在不改變聚焦位置的同時，激光功率可以選擇100%、50%甚至更少的作為測試，在測試過程中通數值的判斷對乙醇、四氯化碳溶液進行測試，隨著激光功率的不斷變化，幾個特征峰的強度也在不斷發生變化，基本是在3.5左右，面積比值也在4.0左右，可以看出，當激光功率比較小的情況下，對于拉曼信號而言，強度比較低，而且拉曼散射也非常大，在熒光背底同樣出現距離較大的差距，噪音相對比較大，對于熒光拉曼的干擾也比較強，導致熒光背底過程出現非常大的偏頗。在實驗的過程中，樣品池作為拉曼光譜的實驗基底，在毛細管樣品池中觀察拉曼光譜的光譜圖，在實驗中毛細管吸取一部分的液體成為樣品池，在激光作用下形成熒光背底，在基線和背底過程中消除之后產生一部分誤差。在樣品池之后對拉曼聚焦有一定影響。在同一個位置不同的聚焦位置進行測試，在測試結果之后發現混合溶液中特征峰的比值是比較大的，主要原因是因為在實驗的過程中，激光拉曼儀具有不同位置不同點的測量，這樣對同一濃度的化學試劑進行測量會有一部分的不確定性，這種濃度溶液測量多次之后，強度也并不確定，因此乙醇試劑的濃度具有不確定性，因此相對面積也不確定[9]。

四、拉曼光譜定量分析的實驗教學目的

拉曼光譜定量分析實驗教學對于學生的訓練技能培養是非常重要的，在教學中需要重視分析的作用，在基本實驗的過程中通過訓練技巧達到對拉曼光譜的認識，這對學生以后的學習和工作都有非常重要的作用，尤其是拉曼光譜歸屬分析，這對學生發現高質量的光譜圖意義重大，還有很多優質的光譜圖可以讓學生進行實際操作，在這種技術上進行實驗訓練，有利于學生加強實驗積極性。

（一）理論與實驗相結合

對于拉曼光譜定量分析實驗而言，需要將理論聯系實驗，才可以將實驗內容進行良好的完成。對于實驗中存在的問題和一些實驗思路，教師可以先通過理論學習法進行加強，同時讓學生在實驗中提出一些問題，這些問題可以在實驗中得到解答，也可以通過網上學習的方式進行解答。例如在進行樣品池中乙醇實驗時，或者在鑒別某一類化學試劑時，可以利用拉曼光譜儀進行分子分析，確定分子的性能，將分子溶于溶液中，將光譜帶吸收，從而產生具有另外一種化學溶液。還可以利用紅外光譜進行分子分析，確定化學物質的關聯性，利用紫外光譜特性進行分子結構的判斷，當一部分化學實際在溶液中吸收時，分子中的原子呈現出不同的狀態，在酸性溶液和堿性溶液分別進行實驗，會發現有電流產生，因此，將某一化合物中的酸性溶液進行比較，可以判斷出氨基等一些分子關系是相聯系的，這樣讓學生不僅可以從理論上認識拉曼光譜，也可以在實驗過程中更加清晰拉曼光譜的作用。

（二）對訓練方式進行培養

在進行拉曼光譜定量分析實驗中，可以采取小組強化訓練方式，小組人數在5人左右，使每個學生都有鍛煉的機會，在實驗的過程中學生可以通過動手增加其實驗的積極性，例如在拉曼光譜實驗過程中，可以通過對固體或者液體樣品以及溶液樣品的進行實驗。不同的實驗方式可以讓學生進行不同方式的選擇，這樣學生才可以學以致用，了解拉曼光譜定量分析實驗的重要意義，尋找實驗的方法和必要形成條件，教師可以通過引導和鼓勵的方式激發學生學習實驗的積極性，提高學生自主完成實驗的能力[10]。

（三）多種實驗方法選擇

在拉曼光譜進行實驗的過程中，教師可以有意識的進行鼓勵，在學生進行實驗內容操作過程中，不斷的進行樣品實驗。實驗安排也要根據學生學習的程度進行安排，在實驗結束之后進行實驗考核和實驗分析。通過不同的實驗選擇適合操作的實驗方式。比如在對一種未知的溶劑進行實驗的過程中，可以將不同的光譜進行重疊，測試之后再選擇合適的實驗方案，最后通過光譜法進行鑒別。這種選擇實驗條件的方法有利于學生進行經驗的分析。

（四）有利于學生工作能力培養

在拉曼光譜定量分析實驗的教學過程中，可以通過理論基礎的學習和理解進行實驗技能的操作，在每一個階段的學習教學中，教師可以提出一系列的問題，讓學生進行獨立思考，加強專業實驗技能的訓練，讓學生總結出一些獨立的見解，這樣可以培養學生學習的興趣。通過綜合實驗的能力解決一些工作中具體遇到的問題，理論聯系實際，在實踐中加強對拉曼光譜定量分析的認識，解決一些實際的問題，不僅鍛煉了學生的動手能力，還能加強學生工作能力的考驗[11]。

（五）教師教學的方法提高

教師在進行教學的過程中需要結合拉曼光譜定量分析的性質，結合定量分析的測試結果，通過新的實驗方式和方法，引導學生找出適合的方式方法進行實驗學習。在學習的過程中提高學習興趣。教師也要豐富自己的專業教學知識，掌握更多的知識和方法，傳授給學生，教會學生正確的實驗方式和方法。

五、結束語

隨著科技的進步和社會的發展，教學的力量越來越重要，動手能力和學習積極性成為學生學習的重要目的，在提高教學質量的同時，傳授給學生教學方法才是最為重要的，在拉曼光譜定量分析的實驗教學過程中，通過適合的方法對實驗的內容進行分析，找出有利于實驗的條件。對于樣品池、激光功率等，拉曼光譜都會發揮一定的功能，在有誤差的情況下進行分析，具有重要的作用。

參考文獻：

[1]張煥君，程學瑞.淺析基于拉曼光譜定量分析的實驗教學[J].教育觀察（上旬刊），2014，3（08）：58-59+89.

[2]陳偉根，趙立志，彭尚怡，等.激光拉曼光譜應用于變壓器油中溶解氣體分析[J].中國電機工程學報，2014，34（15）：2485-2492.

[3]吳寶平，曲典，王燕，等.表面增強拉曼光譜檢測系統在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2014，31（05）：55-57+70.

[4]姜承志.拉曼光譜數據處理與定性分析技術研究[D].中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所），2014.

[5]楊丹婷.氨基甲酸乙酯和大腸桿菌的表面增強拉曼光譜檢測方法[D].浙江大學，2013.

[6]周明輝，廖春艷，任兆玉，等.表面增強拉曼光譜生物成像技術及其應用[J].中國光學，2013，6（05）：633-642.

[7]董學鋒.拉曼光譜傳遞與定量分析技術研究及其工業應用[D].浙江大學，2013.

[8]李津蓉.拉曼光譜的數學解析及其在定量分析中的應用[D].浙江大學，2013.

[9]劉德漢，肖賢明，田輝，等.固體有機質拉曼光譜參數計算樣品熱演化程度的方法與地質應用[J].科學通報，2013，58（13）：1228-1241.

[10]高國明，李雪，覃宗定，等.消除拉曼光譜熒光背景的新方法及其應用[J].光學學報，2013，33（02）：265-273.

[11]劉清，劉輝文.紫外、紅外及拉曼光譜實驗教學改革的思考[J].實驗室研究與探索，2000（02）：22-24.