拉曼光譜基本原理課件

1、1,一、 拉曼光譜基本原理 principle of Raman spectroscopy 二、拉曼光譜的應(yīng)用 applications of Raman spectroscopy 三、 激光拉曼光譜儀 laser Raman spectroscopy,第五節(jié) 激光拉曼光譜分析法,laser Raman spectroscopy,2,一、激光拉曼光譜基本原理principle of Raman spectroscopy,Rayleigh散射： 彈性碰撞；無能量交換，僅改變方向； Raman散射： 非彈性碰撞；方向改變且有能量交換,Rayleigh散射,Raman散射,E0基態(tài)， E1振動激發(fā)態(tài)

2、； E0 + h0 ， E1 + h0 激發(fā)虛態(tài)； 獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài). （1928年印度物理學(xué)家Raman C V 發(fā)現(xiàn)；1960年快速發(fā)展,3,基本原理,1. Raman散射 Raman散射的兩種躍遷能量差： E=h(0 - ) 產(chǎn)生stokes線；強；基態(tài)分子多； E=h(0 + ) 產(chǎn)生反stokes線；弱； Raman位移： Raman散射光與入射光頻率差,4,2. Raman位移,對不同物質(zhì)： 不同； 對同一物質(zhì)： 與入射光頻率無關(guān)；表征分子振-轉(zhuǎn)能級的特征物理量；定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)； Raman散射的產(chǎn)生：光電場E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極距 = E 分子極化率,5,3.紅外

3、活性和拉曼活性振動,紅外活性振動 永久偶極矩；極性基團； 瞬間偶極矩；非對稱分子,紅外活性振動伴有偶極矩變化的振動可以產(chǎn)生紅外吸收譜帶. 拉曼活性振動 誘導(dǎo)偶極矩 = E 非極性基團，對稱分子； 拉曼活性振動伴隨有極化率變化的振動。 對稱分子： 對稱振動拉曼活性。 不對稱振動紅外活性,6,4. 紅外與拉曼譜圖對比,紅外光譜：基團； 拉曼光譜：分子骨架測定,7,紅外與拉曼譜圖對比,8,對稱中心分子CO2，CS2等，選律不相容。 無對稱中心分子（例如SO2等），三種振動既是紅外活性振動，又是拉曼活性振動,5.選律,振動自由度：3N- 4 = 4,拉曼光譜源于極化率變化,紅外光譜源于偶極矩變化,9,

4、6. 拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較,10,二、拉曼光譜的應(yīng)用 applications of Raman spectroscopy,由拉曼光譜可以獲得有機化合物的各種結(jié)構(gòu)信息,2）紅外光譜中，由C N，C=S，S-H伸縮振動產(chǎn)生的譜帶一般較弱或強度可變，而在拉曼光譜中則是強譜帶,3）環(huán)狀化合物的對稱呼吸振動常常是最強的拉曼譜帶,1）同種分子的非極性鍵S-S，C=C，N=N，CC產(chǎn)生強拉曼譜帶， 隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強度增加,11,4）在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-這類鍵的對稱伸縮振動是強譜帶，反這類鍵的對稱伸縮振動是弱譜帶。紅外光譜與此相反,5）C-C伸縮振動在拉曼光譜中是

5、強譜帶,6）醇和烷烴的拉曼光譜是相似的：I. C-O鍵與C-C鍵的力常數(shù)或鍵的強度沒有很大差別。II. 羥基和甲基的質(zhì)量僅相差2單位。 III.與C-H和N-H譜帶比較，O-H拉曼譜帶較弱,12,2941，2927cm-1 ASCH2,2854cm-1 SCH2,1029cm-1 （C-C,803 cm-1環(huán)呼吸,1444，1267 cm-1 CH2,13,3060cm-1r-H,1600,1587cm-1 c=c)苯環(huán),1000 cm-1環(huán)呼吸,787 cm-1環(huán)變形,1039, 1022cm-1單取代,14,三、激光Raman光譜儀 laser Raman spectroscopy,激光光

6、源：He-Ne激光器，波長632.8nm,Ar激光器， 波長514.5nm， 488.0nm； 散射強度1/4 單色器： 光柵，多單色器； 檢測器： 光電倍增管， 光子計數(shù)器,15,傅立葉變換-拉曼光譜儀,FT-Raman spectroscopy 光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（1.064m）； 檢測器：高靈敏度的銦鎵砷探頭； 特點： （1）避免了熒光干擾； （2）精度高； （3）消除了瑞利譜線； （4）測量速度快,16,5.6 拉曼光譜 1928年，印度物理學(xué)家C. V. Raman發(fā)現(xiàn)光通過透明溶液時，有一部分光被散射，其頻率與入射光不同，為 ，頻率位移與發(fā)生散射的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。這種

7、散射稱為拉曼散射，頻率位移稱為拉曼位移。由紅外光譜及拉曼光譜可以獲得分子結(jié)構(gòu)的直接信息，儀器分辨率高。采用顯微測定等手段可以進行非破壞、原位測定以及時間分辨測定等,17,5.6.1 拉曼光譜簡介,從圖中可見，拉曼光譜的橫坐標為拉曼位移，以波數(shù)表示。，其中 和 分別為Stokes位移和入射光波數(shù)?？v坐標為拉曼光強。由于拉曼位移與激發(fā)光無關(guān)，一般僅用Stokes位移部分。對發(fā)熒光的分子，有時用反Stokes位移,18,拉曼光譜的特點： 波長位移在中紅外區(qū)。有紅外及拉曼活性的分子,其紅外光譜和拉曼光譜近似。 可使用各種溶劑，尤其是能測定水溶液，樣品處理簡單。 低波數(shù)段測定容易(如金屬與氧、氮結(jié)合鍵的

8、振動nM-O, nM-N等)。而紅外光譜的遠 紅外區(qū)不適用于水溶液，選擇窗口材料、檢測器困難。 由Stokes、反Stokes線的強度比可以測定樣品體系的溫度。 顯微拉曼的空間分辨率很高，為1mm。 時間分辨測定可以跟蹤10-12s量級的動態(tài)反應(yīng)過程。 利用共振拉曼、表面增強拉曼可以提高測定靈敏度。其不足之處在于，激光光源可能破壞樣品；熒光性樣品測定一般不適用，需改用近紅外激光激發(fā)等等,19,5.6.2 拉曼及瑞利散射機理 瑞利和拉曼散射的產(chǎn)生,20,測定拉曼散射光譜時，一般選擇激發(fā)光的能量大于振動能級的能量但低于電子能級間的能量差，且遠離分析物的紫外-可見吸收峰。當(dāng)激發(fā)光與樣品分子作用時，樣

9、品分子即被激發(fā)至能量較高的虛態(tài)(圖中用虛線表示)。左邊的一組線代表分子與光作用后的能量變化，粗線出現(xiàn)的幾率大，細線表示出現(xiàn)的幾率小，因為室溫下大多數(shù)分子處于基態(tài)的最低振動能級。中間一組線代表瑞利(Rayleigh)散射，光子與分子間發(fā)生彈性碰撞，碰撞時只是方向發(fā)生改變而未發(fā)生能量交換。右邊一組線代表拉曼散射，光子與分子碰撞后發(fā)生了能量交換，光子將一部分能量傳遞給樣品分子或從樣品分子獲得一部分能量,因而改變了光的頻率。能量變化所引起的散射光頻率變化稱為拉曼位移。由于室溫下基態(tài)的最低振動能級的分子數(shù)目最多,與光子作用后返回同一振動能級的分子也最多,所以上述散射出現(xiàn)的幾率大小順序為：瑞利散射Stok

10、es線反Stokes線。隨溫度升高，反Stokes線的強度增加,21,拉曼活性入射光可以看成是互相垂直的電場和磁場在空間的傳播。其電場強度E可用下述交變電場描述：E=E0Cos(2pn0t) (5.47) 其中，E0為交變電場波的振幅，n0為激發(fā)光頻率。樣品分子鍵上的電子云與入射光電場作用時會誘導(dǎo)出電偶極矩P：P=aE=a E0Cos(2pn0t) (5.48)a為鍵的極化度。只有當(dāng)鍵的極化度是成鍵原子間距離的函數(shù)，即分子振動產(chǎn)生的原子間距離的改變引起分子極化度變化時，才產(chǎn)生拉曼散射，分子才是拉曼活性的,22,5.49)a0為分子中鍵處于平衡位置時的極化度，req為分子中鍵處于平衡位置時的核間

11、距，r為分子中鍵處于任意位置時的核間距。若核間距改變時產(chǎn)生的振動頻率為n，與平衡位置比較的最大核間距為rm，則：r-req = rm cos2pnt(5.50)代入(5.49)式： (5.51) (5.52)(5.52)式第一項對應(yīng)樣品的瑞利散射，其頻率為n0；第二項對應(yīng)樣品的拉曼散射，產(chǎn)生反Stokes位移，頻率為反Stokes頻率n0+n；第三項對應(yīng)樣品的拉曼散射，產(chǎn)生Stokes位移，頻率為Stokes頻率n0-n。(5.52)式表明，要產(chǎn)生拉曼散射，分子的極化度必須是核間距的函數(shù)，即da/dr 0時才會觀察到拉曼線，只有振動時極化度發(fā)生變化的分子才是拉曼活性的。返回頁首,23,5.6.

12、3 拉曼光譜參數(shù) 頻率即拉曼位移，一般用Stokes位移表示。是結(jié)構(gòu)鑒定的重要依據(jù)。 強度I拉曼散射強度 (5.53)式中I0為光源強度；K為常數(shù)。當(dāng)樣品分子不產(chǎn)生吸收時，I與激發(fā)波長的4次方成反比。因此選擇較短波長的激光時靈敏度高。拉曼光強與樣品分子濃度成正比。 去偏振度 r (depolarization)r 對確定分子的對稱性很有用,24,25,拉曼光譜的入射光為激光，激光是偏振光。設(shè)入射激光沿xz 平面向O點傳播，O處放樣品。激光與樣品分子作用時可散射不同方向的偏振光,若在檢測器與樣品之間放一偏振器，便可分別檢測與激光方向平行的平行散射光I/(yz平面)和與激光方向垂直的垂直散射光I

13、(xy平面)。定義去偏振度 (5.54)去偏振度與分子的極化度有關(guān)。如分子的極化度中各向同性部分為 ，各向異性部分為 ，則： (5.55)返回頁首,26,對球形對稱振動， ，因此去偏振度r為零。即r 值越小，分子的對稱性越高。若分子是各向異性的，則 ，r=3/4。即非全對稱振動的r=0 3/4(0.75)。因此通過測定拉曼譜線的去偏振度，可以確定分子的對稱性。 如前CCl4 的拉曼光譜，459cm-1是由四個氯原子同時移開或移近碳原子所產(chǎn)生的對稱伸縮振動引起，r=0.0005，去極化度很小。459cm-1線稱為極化線。而218cm-1、314cm-1源于非對稱振動，r=0.75,27,如圖5.

14、29，結(jié)晶紫據(jù)文獻報導(dǎo)有醌式(a)和離子型 (b)兩種結(jié)構(gòu)。在(a)式中三個苯環(huán)處于同一平面。 (b)式中三個苯環(huán)因位阻關(guān)系不處在同一平面， 彼此稍許錯開，形成類似螺旋槳狀。測定結(jié)晶紫 水溶液(5x10-4M)的拉曼譜,214cm-1(結(jié)晶紫分子 中心碳原子的呼吸振動)的r值接近零，可見分子的 對稱性很高，說明在該實驗條件下結(jié)晶紫分子為離子型結(jié)構(gòu),28,紅外及拉曼光譜法的比較 紅外及拉曼光譜法的相同點在于，對于一個給定的化學(xué)鍵，其紅外吸收頻率與拉曼位移相等，均代表第一振動能級的能量。因此，對某一給定的化合物，某些峰的紅外吸收波數(shù)與拉曼位移完全相同，紅外吸收波數(shù)與拉曼位移均在紅外光區(qū)，兩者都反映

15、分子的結(jié)構(gòu)信息,29,30,從圖中可以看出，同一物質(zhì)，有些峰的紅外吸收與拉曼散射完全對應(yīng)，但也有許多峰有拉曼散射卻無紅外吸收，或有紅外吸收卻無拉曼散射。因此，紅外光譜與拉曼光譜互補，可用于有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。 紅外光譜的入射光及檢測光均是紅外光，而拉曼光譜的入射光大多數(shù)是可見光 ，散射光也是可見光。紅外光譜測定的是光的吸收，橫坐標用波數(shù)或波長表示，而拉曼光譜測定的是光的散射，橫坐標是拉曼位移。 兩者的產(chǎn)生機理不同。紅外吸收是由于振動引起分子偶極矩或電荷分布變化產(chǎn)生的。拉曼散射是由于鍵上電子云分布產(chǎn)生瞬間變形引起暫時極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，當(dāng)返回基態(tài)時發(fā)生的散射。散射的同時電子云也恢復(fù)原態(tài)。例如同

16、核雙原子分子N N，Cl-Cl，H-H等無紅外活性卻有拉曼活性是由于這些分子平衡態(tài)或伸縮振動引起核間距變化但無偶極矩改變，對振動頻率(紅外光)不產(chǎn)生吸收。但兩原子間鍵的極化度在伸縮振動時會產(chǎn)生周期性變化：核間距最遠時極化度最大，最近時極化度最小。由此產(chǎn)生拉曼位移。二氧化碳分子的對稱伸縮振動（O C O）無紅外活性，但可以產(chǎn)生周期性極化度的改變(距離近時電子云變形小，距離遠時電子云變形大)，因此有拉曼活性。而非對稱伸縮振動（O C O）有紅外活性無拉曼活性。此時一個鍵的核間距減小，一個鍵的核間距增大(一個鍵的極化度小，一個鍵的極化度大)，總的結(jié)果是無拉曼活性。圖5.31直線型分子的振動舉例-CO

17、2分子振動過程中的極化度以及偶極矩變化返回頁首,31,5.6.4拉曼光譜儀 拉曼光譜儀的光源為激光光源。由于拉曼散射很弱，因此要求光源強度大，一般用激光光源。有可見及紅外激光光源等。如具有308nm，351nm發(fā)射線的紫外激光器；Ar+激光器一般在488.0nm, 514.5nm等可見區(qū)發(fā)光；而Nd:YaG激光器則在1064nm的近紅外區(qū)使用。 色散型拉曼光譜儀有多個單色器(double or triple monochrometer system)。由于測定的拉曼位移較小，因此儀器需要較高的單色性。在傅立葉變換拉曼光譜儀中，以邁克爾遜干涉儀代替色散元件，光源利用率高，可采用紅外激光，用以避免

18、分析物或雜質(zhì)的熒光干擾。 拉曼光譜儀的檢測器為光電倍增管、多探測器(如CCD: Charge Coupled Device)等,32,微區(qū)分析裝置的應(yīng)用。微區(qū)分析裝置是拉曼光譜儀的一個附件，由光學(xué)顯微鏡、電子攝像管、顯象熒光屏、照相機等組成?？梢詫⒕植繕悠返姆糯髨D顯示在熒光屏上，用照相機拍攝樣品的顯微圖象。如人眼球晶體中白內(nèi)障病變部位的觀測等,33,5.6.5 拉曼光譜的應(yīng)用,用通常的拉曼光譜可以進行半導(dǎo)體、陶瓷等無機材料的分析。如剩余應(yīng)力分 析、晶體結(jié)構(gòu)解析等。拉曼光譜還是合成高分子、生物大分子分析的重要手 段。如分子取向、蛋白質(zhì)的巰基、卟啉環(huán)等的分析。直鏈CH2碳原子的折疊振 動頻率可由下式確定：n=2400/Nc(cm-1)。Nc為碳原,34,從圖中可以看出，不同的碳材料其拉曼光譜不同， 因此可以彼此區(qū)分,35,共振拉曼 RRS(Resonance Raman Scattering)以分析物的紫外-可見吸收光