关于拉曼光谱定量分析的实验教学方法探析

杨建辉

摘 要：随着社会的发展，人们对教育越来越重视，在教学中，通常通过不同的教学方式，让学生对所学知识进行深入了解，通过实验的方式进行教学，加强学生学习的积极性，教师可以对拉曼光谱的性质进行分析讲解，让学生充分认识拉曼光谱的具体性能，对拉曼光谱的定量进行具体的认识。在实验教学中，可以对拉曼光谱的定量进行具体实验操作，在这个实验的基础上进一步了解拉曼光谱定量的意义，在教学的过程中，对拉曼光谱的基础理论和产生过程进行实验教学，意在让学生提高实验的能力，从而提高教学质量。对于拉曼光谱的定量分析可以在实践的过程中研究一些方法和内容，探索实验的真正目的，在教学中，通过不同思路具体方法进行应用，因此在实验教学中，可以培养学生的实践创新科研能力。将理论结合实际，具体问题进行具体分析，有利于培养学生独立解决问题的能力，培养学生的工作能力，有效提高学习效率和寻找适合的学习方法。

关键词：拉曼光谱；定量分析；实验教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

在實验教学中，对拉曼光谱进行定量分析，这种实验方法可以通过拉曼光谱的强度和特征与分子结构进行紧密联系，拉曼光谱的强度和频率移动以及特性可以通过与分子的振动能形态和转动能态进行相关联，在这个过程中，分子结构与形态进行关系密切的联系。拉曼光谱在实验中具有良好的性能，在制作时，通常比较简单，分析样品比较迅速，可以保证样品无所损坏。尤其是在进行制样和样品检测中，可以取一定的微量就能满足实验的需求，成为分子结构研究中良好的实验工具。对于分子的鉴别和分子结构的组成以及化学、石油等具有重要的应用。然而对于化学中气相和液相比较高的实验而言，误差相对比较大，这就限制了拉曼光谱的应用。在实践的过程中，拉曼光谱技术是比较可靠地，可以对样品的性质进行分析，从而对样品进行定性，尤其是在实验的过程中，可以通过实验教学法，真实的进行样品作用定性分析，但是不能忽略定量分析。在拉曼光谱的定量分析中，对具有强烈荧光背景的物质和乙醇混合形成溶液进行定量分析，这对于拉曼光谱定量分析中成为一个难点。在教学中，教师可以通过这种方法进行分析与学生产生互动，在教学实验中，让学生通过学习理论知识进一步的加强对拉曼光谱定量分析的认识和理解，对内容进行多方面的实验，将拉曼光谱对乙醇溶液的浓度进行比例分析。在教学中，首先要通过理论知识的讲解让学生对拉曼光谱有一定的认识，再进行分析，在分析的过程中寻找理论依据，在对分析时的误差和来源进行数据评定，加深学生对拉曼光谱的认识和了解。

一、拉曼光谱定量分析的理论依据和原理

（一）拉曼光谱定量分析的理论依据

拉曼光谱定量分析具有一定的理论依据，在光学的系统研究中，可以将收集到的样品表面作为一种信号，这种信号可以通过拉曼信号的强度进行传播。将拉曼信号与分子拉曼散射的横截面面积作为对比，从样品表面散射的激光作为入射的一种功率，与射光和散射光进行对比，对比出吸收的系数，然后将射光和散射光的距离进行判断，最后通过光学系数进行函数运算，这样就得出样品的厚度，因此在一定的环境下，拉曼信号的强度与样品浓度有一定关系，这种关系作为拉曼散射的测试，与样品的浓度在比例上成为正比。[1]

（二）拉曼光谱的原理

在上个世纪，印度的物理学家拉曼在研究光的过程中发现了单色光与散射的关系，单色光出现在液体中时会出现散射的现象，而且散射的程度不同，在光的两侧强度比较弱，由于光的频率不同，散射的光谱不同，因此命为拉曼散射。拉曼光谱在拉曼散射的基础上形成一种效应，散射出分子光谱。比如在样品中，同一束激光在照射的时候会产生不同的现象，这两种现象其中的一种为拉曼散射。当分子吸收激光能量的时候从一个基本的状态到达峰值，然后到一个虚拟的状态，在这个过程中，虚拟的状态中一大部分的分子被释放，这些分子又被遣回之前的基本状态，在分子遣回过程中其实吸收了非常多的能量，在光子与分子之间产生碰撞，但是并没有能量消耗，因此光分频率并不会发生太多改变[2]。还有一部分处于虚拟状态的分子在遣回到振动激发状态的时候会产生一种散射反应。在这种状态下，震动激发分子状态发生改变，强度降低，在常温的状态下，一部分的基本状态分子相对比较多，多于激发状态的分子，因此在拉曼反射中，散射的强度要大，随着散射的频率和激光发出的频率有所不同，頻率与频率之间产生一种位移，这种位移叫做拉曼位移。拉曼光谱中包含拉曼位移，拉曼位移坐标在拉曼光谱上，可以通过波数来表示，在光谱物质的拉曼位移与激发的频率没有关系，主要是取决于分子的能量振动以及变化，不同的化学反应基本形态有着不同的振动方式，这决定能量的变化，在拉曼光谱中分子结构的整体性质成为理论依据。在磁场的计算过程中，如果散射的光波相对比较长，在一定强度的实验方式下，拉曼散射与化学样品的浓度成一定的比例，这样可以运用拉曼光谱进行定量分析，也成为拉曼光谱的理论依据[3]。

二、拉曼光谱的技术发展

（一）拉曼光谱具有一定的技术优势

拉曼光谱在技术发展中是具有一定优势的，例如可以迅速、没有损耗、没有污染等特性。可以通过多元性的检测加大拉曼光谱的速度，在实验中进一步进行检测、拉曼光谱分数据分析过程不需要制作样品副本，可以在不破坏样品的过程中不产生污染。在拉曼光谱中，谱峰技术比较强大，在谱带中参与的叠状相对较少，比较适合数据库的储存，如果其中出现差异可以定量进行研究，通过材料的使用，运用比较广泛，比如石油化工、医药等等。在拉曼光谱进行检测的过程中，对样品本身的状态并没有太多的要求，不论是固体或者液体都能进行测量，这样测量的样品都不需要经过处理，直接可以通过拉曼激光容器进行信号样品的产生，这样可以减少不同信号的干扰和检验，拉普激光可以将聚焦的部分进行精细化处理，只需要一小部分的测量就可以达到相对好的效果，通过显微拉曼技术使得拉曼激光进一步的升级，在对小样本进行测量时也会有好的效果。在进行水溶液分析的过程中，低浓度检测可以将远红外吸收加强，在一定状态下水分子的化学性能产生一定作用，在拉曼光谱中的信号比较小[5]。基于这种方式，拉曼光谱成为研究水溶液比较有优势的方法，拉曼光谱的技术具有很大优势，灵敏度相对比较高，在低强度的检测过程中，可以通过短途径到达。拉曼光谱具有稳定的系统结构，在进行远距离分析的过程中，可以利用拉曼激光技术进行测试，这种测试方式具有良好的稳定性，同时可以借助拉曼激光光纤技术进行检测。

（二）拉曼光谱技术的应用比较广泛

拉曼光谱技术的应用相对比较广泛，在拉曼光谱技术中有很多领域可以涉猎，并且取得了很好的效果，比如在石油化工或者是医学领域都有很好的应用。在石油化工中，主要的成分为化学化合物，其主要的功能都为光谱，作为拉曼光谱对石油产品的鉴定和本质都有很大的优势，作为拉曼光谱具有很大的优势，可以迅速并且没有损耗的进行处理，在石油领域中占有一席之地。拉曼光谱利用化学优势对汽油和柴油进行分析，并且对其数值做出很好的判断，在技术上取得了良好效果[6]。激光拉曼技术可以应用与燃油的组成和一部分石油化学化合物的分析，对其特征进行应用，通过多方面的混合进行检测，利用拉曼光谱的技术优势将荧光背景问题加深理解，这样可以获得好实验结果，对汽油中的化学物体做出结论。利用拉曼光谱技术将汽油中的化合物进行测定，提高精度测量，通过化学液体浓度的实验进行研究。检测中的稳健建模方式和样本检测技术在一定程度上加强了低分辨率的问题，解决了汽油中的一些苯含量问题[7]。采用激光拉曼系统，可以对化学物品分离监测形成一定的屏障，在分析和一定配置上出现误差，但是这种误差在拉曼光谱定量分析中有非常好的作用。在一定程度上取代了过去传统的监测方法。拉曼光谱可以通过高分子的材料对超导体以及固体材料进行分析，在一些化学物品研究中，拉曼光谱起到了非常重要的作用，在一些材料的应用和分子结构分析的过程中，可以通过检测加强分子的稳定性和可靠性。拉曼光谱可以提供一些化学结构方面的信息，在分子的组成过程中将分子的性质和固体结晶的取向等相互作用和结构进行规整，在高分子立体化的纯度下，可以通过拉曼位移来解决其分子的相互转化问题。对于食品医药而言，尤其是对于食品，拉曼光谱对很多食品有着一定的研究，在传统的行业中，食品检测成为重头戏，而拉曼光谱通过这种方式对食品进行快速的检测，提高了效率和质量，对食品有着非常重要的作用。不仅如此，拉曼光谱对水溶液的检测也有一定的作用，在分子比较活跃的状态下，拉曼光谱可以获取非常多的分子结构，对于荧光等一些刺激，可以通过拉曼光谱进行消除，甚至可以利用表面增强等技术来加强散射光的强度。对于拉曼光谱的应用领域比较广泛，在一定条件下，可以通过比较良好的手段进行分析，在细胞的分子上进行疾病的诊疗，对于细胞结构相似的分子进行辨别，对于药物的取用和组成具有重要的作用，为临床病理分析提供良好的依据。尤其是对于细胞的浓度和结构的分辨力在技术上是一种进步。拉曼光谱对于宝石的鉴定和考古也是具有重要价值，对于外形比较鲜艳的人造宝石，利用拉曼光谱可以进行直接的鉴定，区别于传统的鉴别方式，提供了更多的科学依据，使得在这一时期使用更加广泛。

三、拉曼光谱的使用方法和定量分析结果

（一）拉曼光谱的使用方法

首先可以对样品材料进行取样和采集，在实验中对参与实验的化学试剂进行检查，采用浓度不低于99.5%的乙醇、四氯化碳和去离子水；其次，将不同体积的离子水分别倒入乙醇中，配制出不同配比和不同液体的化学试剂，通过水二元体系进行溶解，再用激光功率为50mw的拉曼光谱仪进行表征，在这个过程中可以通过光谱图进行收集和采集；最后，再用光谱仪对不同浓度的化学试剂进行光谱图扫描，从而对样品进行重复实验，实验结果取样品扫描的数据均数。

（二）拉曼光谱的分析结果

在实验的过程中，样品池是非常具有代表作用的，可以将不同浓度的乙醇加入未受到污染的样品池中，因为不同浓度的样品具有不同程度反应，通过拉曼光谱仪进行测试，对荧光背底之后不同浓度的乙醇进行水溶液分析，随着乙醇浓度的不断提升，特征峰也在不断增加，强度比值也会不断提高。在样品池中加入一定量的纯水，峰强度与不同强度的乙醇进行反应，在强度比值增加的过程中，可以看见乙醇浓度的变化和面积之间存在一定的关系，这是与乙醇实验的一种线性关系，其数值在0.97662左右[8]。

（三）拉曼光谱的误差分析

同样实验可以在样品池中进行，在进行误差分析的同时，可以采用激光功率分析结果，这种结果对于激光功率有着重要的影响。在不改变聚焦位置的同时，激光功率可以选择100%、50%甚至更少的作为测试，在测试过程中通数值的判断对乙醇、四氯化碳溶液进行测试，随着激光功率的不断变化，几个特征峰的强度也在不断发生变化，基本是在3.5左右，面积比值也在4.0左右，可以看出，当激光功率比较小的情况下，对于拉曼信号而言，强度比较低，而且拉曼散射也非常大，在荧光背底同样出现距离较大的差距，噪音相对比较大，对于荧光拉曼的干扰也比较强，导致荧光背底过程出现非常大的偏颇。在实验的过程中，样品池作为拉曼光谱的实验基底，在毛细管样品池中观察拉曼光谱的光谱图，在实验中毛细管吸取一部分的液体成为样品池，在激光作用下形成荧光背底，在基线和背底过程中消除之后产生一部分误差。在样品池之后对拉曼聚焦有一定影响。在同一个位置不同的聚焦位置进行测试，在测试结果之后发现混合溶液中特征峰的比值是比較大的，主要原因是因为在实验的过程中，激光拉曼仪具有不同位置不同点的测量，这样对同一浓度的化学试剂进行测量会有一部分的不确定性，这种浓度溶液测量多次之后，强度也并不确定，因此乙醇试剂的浓度具有不确定性，因此相对面积也不确定[9]。

四、拉曼光谱定量分析的实验教学目的

拉曼光谱定量分析实验教学对于学生的训练技能培养是非常重要的，在教学中需要重视分析的作用，在基本实验的过程中通过训练技巧达到对拉曼光谱的认识，这对学生以后的学习和工作都有非常重要的作用，尤其是拉曼光谱归属分析，这对学生发现高质量的光谱图意义重大，还有很多优质的光谱图可以让学生进行实际操作，在这种技术上进行实验训练，有利于学生加强实验积极性。

（一）理论与实验相结合

对于拉曼光谱定量分析实验而言，需要将理论联系实验，才可以将实验内容进行良好的完成。对于实验中存在的问题和一些实验思路，教师可以先通过理论学习法进行加强，同时让学生在实验中提出一些问题，这些问题可以在实验中得到解答，也可以通过网上学习的方式进行解答。例如在进行样品池中乙醇实验时，或者在鉴别某一类化学试剂时，可以利用拉曼光谱仪进行分子分析，确定分子的性能，将分子溶于溶液中，将光谱带吸收，从而产生具有另外一种化学溶液。还可以利用红外光谱进行分子分析，确定化学物质的关联性，利用紫外光谱特性进行分子结构的判断，当一部分化学实际在溶液中吸收时，分子中的原子呈现出不同的状态，在酸性溶液和碱性溶液分别进行实验，会发现有电流产生，因此，将某一化合物中的酸性溶液进行比较，可以判断出氨基等一些分子关系是相联系的，这样让学生不仅可以从理论上认识拉曼光谱，也可以在实验过程中更加清晰拉曼光谱的作用。

（二）对训练方式进行培养

在进行拉曼光谱定量分析实验中，可以采取小组强化训练方式，小组人数在5人左右，使每个学生都有锻炼的机会，在实验的过程中学生可以通过动手增加其实验的积极性，例如在拉曼光谱实验过程中，可以通过对固体或者液体样品以及溶液样品的进行实验。不同的实验方式可以让学生进行不同方式的选择，这样学生才可以学以致用，了解拉曼光谱定量分析实验的重要意义，寻找实验的方法和必要形成条件，教师可以通过引导和鼓励的方式激发学生学习实验的积极性，提高学生自主完成实验的能力[10]。

（三）多种实验方法选择

在拉曼光谱进行实验的过程中，教师可以有意识的进行鼓励，在学生进行实验内容操作过程中，不断的进行样品实验。实验安排也要根据学生学习的程度进行安排，在实验结束之后进行实验考核和实验分析。通过不同的实验选择适合操作的实验方式。比如在对一种未知的溶剂进行实验的过程中，可以将不同的光谱进行重叠，测试之后再选择合适的实验方案，最后通过光谱法进行鉴别。这种选择实验条件的方法有利于学生进行经验的分析。

（四）有利于学生工作能力培养

在拉曼光谱定量分析实验的教学过程中，可以通过理论基础的学习和理解进行实验技能的操作，在每一个阶段的学习教学中，教师可以提出一系列的问题，让学生进行独立思考，加强专业实验技能的训练，让学生总结出一些独立的见解，这样可以培养学生学习的兴趣。通过综合实验的能力解决一些工作中具体遇到的问题，理论联系实际，在实践中加强对拉曼光谱定量分析的认识，解决一些实际的问题，不仅锻炼了学生的动手能力，还能加强学生工作能力的考验[11]。

（五）教师教学的方法提高

教师在进行教学的过程中需要结合拉曼光谱定量分析的性质，结合定量分析的测试结果，通过新的实验方式和方法，引导学生找出适合的方式方法进行实验学习。在学习的过程中提高学习兴趣。教师也要丰富自己的专业教学知识，掌握更多的知识和方法，传授给学生，教会学生正确的实验方式和方法。

五、结束语

随着科技的进步和社会的发展，教学的力量越来越重要，动手能力和学习积极性成为学生学习的重要目的，在提高教学质量的同时，传授给学生教学方法才是最为重要的，在拉曼光谱定量分析的实验教学过程中，通过适合的方法对实验的内容进行分析，找出有利于实验的条件。对于样品池、激光功率等，拉曼光谱都会发挥一定的功能，在有误差的情况下进行分析，具有重要的作用。

参考文献：

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