浅析基于拉曼光谱定量分析的实验教学

张焕君，程学瑞

(郑州轻工业学院物理与电子工程学院，河南郑州，450002)

拉曼光谱的强度、频移、线宽、特征峰数目以及退偏度与分子的振动能态、转动能态、对称性等特性有紧密的联系，即与分子的结构紧密相关。而且拉曼光谱具有制样简单，分析快速、无损，所检测的样品仅需微量即可满足测量要求等诸多优点，因而成为研究分子结构的强有力工具，广泛地应用于分子的鉴别、分子结构的研究、分析化学、石油化工催化和环境科学等各个领域[1－2]。然而，相对于气相、液相色谱法的较高精度而言，较大的分析误差率限制了拉曼光谱定量分析的应用。在实际应用中，拉曼光谱分析技术多用于样品的定性分析，尤其是在实验教学当中，更多的是强调其定性分析的作用，而忽略其定量分析的功能[3－4]。尤其是对具有强荧光背景物质，如乙醇及其混合溶液的定量分析，更是拉曼光谱定量分析中的难点问题。

为帮助学生克服这样单一的认识，我们在教学实验环节增加了相关实验内容，采用拉曼光谱对乙醇溶液的浓度进行定量分析。在教学过程中，我们向学生介绍了拉曼光谱定量分析的理论依据、分析过程，并着重分析了误差来源，以加深学生对拉曼光谱的认识，尤其是让学生对其定量分析功能有了进一步的了解。

一、理论依据

拉曼光谱定量分析的理论依据为:

在上式中，I为光学系统所收集到的样品表面拉曼信号强度;K为分子的拉曼散射截面积;Φ为样品表面的激光入射功率;k、k'分别是入射光和散射光的吸收系数;Z为入射光和散射光通过的距离;h(z)为光学系统的传输函数;b为样品池的厚度。由上式可以看出，在一定条件下，拉曼信号强度与产生拉曼散射的待测物浓度成正比，即I∝C。

二、实验过程

实验样品材料为国药集团化学试剂有限公司生产的浓度不低于99.7%的分析纯乙醇、四氯化碳和去离子水。把不同体积的去离子水加入乙醇样品中，配制成不同浓度的乙醇－水二元体系溶液;用激光功率为50mW(100%)的拉曼光谱仪采集纯乙醇溶液、水、四氯化碳溶液的拉曼光谱图;用拉曼光谱仪采集不同浓度的乙醇溶液的拉曼光谱图，对每种浓度的样品重复扫描3次，试验结果取三次扫描的平均值。

三、结果讨论

把配制好的不同浓度的乙醇溶液加入未受污染的样品池，把不同浓度的样品分别放在拉曼光谱仪上测出其拉曼光谱。荧光背底扣除后不同浓度的乙醇－水溶液的拉曼光谱图如图1所示。

图1 荧光背底扣除后不同浓度的乙醇－水溶液的拉曼光谱图

表1中的数据进一步显示出，随着乙醇浓度的增加，特征峰强度的比值在不断增加。纯水的3200cm－1峰的强度I2与不同浓度乙醇的884cm－1峰的强度I1之比R1和面积比R2与乙醇浓度的关系见表1。拟合图如图2所示，R1和R2与乙醇浓度有较好的线性关系，其线性相关系数分别为0.98554和 0.97558。

表1 不同浓度乙醇溶液的特征峰强度之比和面积比

图2 强度之比与体积浓度的直线拟合图

图3 面积比与体积浓度的直线拟合图

四、误差分析

激光功率、样品池、聚焦位置等因素会对定量分析结构有重要影响。

(一)激光功率的影响

不改变聚焦样品的位置，激光功率分别选取100%、50%、10%、5%、1% 和 0.5%(100% 为50mW)，对50%的乙醇－四氯化碳溶液进行测试，结果如表2所示。

表2 不同激光功率下溶液的特征峰强度之比和面积比

由表2可以看出，随着激光功率的改变，两个特征峰(峰459cm－1和884cm－1)的强度比值基本上在2.3左右，面积比值基本上在3.0左右。然而可以看出，当激光功率很小时(1%或0.5%)，由于激发光源本身很弱，导致散射的拉曼信号强度本身也非常弱，而且信噪比很大，所以相对误差比较大。而且当激光功率很强(100%功率)时，两个特征峰的强度比值和面积比值都稍微偏离2.3和3.0，其原因可能是，激光功率很强时，其信号强度和荧光信号也比较强，而荧光对拉曼散射的干扰非常大，导致在扣除荧光背底过程中出现较大的偏差。

(二)样品池的影响

如图4是毛细管样品池的拉曼光谱图，实验过程中用毛细管吸取待测溶液。毛细管作为样品容器，在激光激发下也存在拉曼光谱和荧光背底，在基线处理和背底扣除过程中难以完全消除其影响，进而产生误差。比的不确定度为0.117，相对强度之比与乙醇浓度拟合直线的不确定度为0.024，相对面积比与乙醇浓度拟合直线的不确定度为0.858。

图4 毛细管样品池的拉曼光谱图

综上所述，激光功率、样品池、聚焦位置等因素会对拉曼光谱定量分析结构产生一定的影响。另外，乙醇的挥发、激光功率的稳定性、实验仪器的固有误差等因素也会对测试结果带来影响。然而，拉曼光谱定量分析的结果仍然有较大的可信度，可以作为一种有效的定量分析方法。

(三)聚焦位置的影响

在同一样品不同点进行多次测量，分析结果发现，混合溶液的特征峰强度的比值存在较大的偏差，主要原因可能是本次试验使用的是显微共聚焦激光拉曼光谱仪，3次测量的聚焦位置不同，以及数据处理过程当中荧光背底的扣除都会引起较大的误差。对同一浓度的溶液测量3次，所得强度之

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