激光拉曼光譜分析法

1、一、一、 拉曼光譜拉曼光譜基本原理基本原理principle of Raman spectroscopy二、拉曼光譜的應(yīng)用二、拉曼光譜的應(yīng)用applications of Raman spectroscopy 三、三、 激光拉曼光譜儀激光拉曼光譜儀laser Raman spectroscopy第五節(jié) 激光拉曼光譜分析法laser Raman spectroscopy一、激光拉曼光譜基本原理principle of Raman spectroscopyRayleigh散射：散射： 彈性碰撞；無能量交換，僅改變方向；Raman散射：散射： 非彈性碰撞；方向改變且有能量交換；Rayleigh散射散

2、射Raman散射散射E0基態(tài)， E1振動激發(fā)態(tài)； E0 + h 0 ， E1 + h 0 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） h E0E1V=1V=0h 0h 0h 0h 0 + E1 + h 0E0 + h 0h( 0 - )激發(fā)虛態(tài)基本原理1 1. Raman. Raman散射散射Raman散射的兩種躍遷能量差： E=h( 0 - )產(chǎn)生產(chǎn)生stokes線；強；基線；強；基態(tài)分子多；態(tài)分子多； E=h( 0 + )產(chǎn)生反產(chǎn)生反stokes線；弱；線；弱；Raman位移：位移：Raman散射光與入射光頻率差；ANTI-

3、STOKES 0 - RayleighSTOKES 0 + 0h( 0 + )E0E1V=1V=0E1 + h 0E2 + h 0 h h 0h( 0 - )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；3.3.紅外活性和拉曼活性振動紅外活性和拉曼活性振動紅外活性振動紅外活性振動 永久永久偶極矩；極性基團；偶極矩；極性基團； 瞬間偶極矩；非對稱分子；瞬間偶極矩；非對稱分子；紅外活性振動紅外活性振動伴有伴有偶極矩變化的振動可以產(chǎn)生紅外吸收

4、譜帶偶極矩變化的振動可以產(chǎn)生紅外吸收譜帶. .拉曼活性振動拉曼活性振動 誘導(dǎo)誘導(dǎo)偶極矩偶極矩 = E 非極性基團，對稱分子；非極性基團，對稱分子；拉曼活性振動拉曼活性振動伴隨有極化率變化的振動。伴隨有極化率變化的振動。 對稱分子對稱分子： 對稱振動對稱振動拉曼活性。拉曼活性。 不對稱振動不對稱振動紅外活性紅外活性 Eeer4. 4. 紅外與拉曼譜圖對比紅外與拉曼譜圖對比紅外光譜：基團；紅外光譜：基團；拉曼光譜：分子骨架測定；拉曼光譜：分子骨架測定；紅外與拉曼譜圖對比紅外與拉曼譜圖對比 對稱中心分子對稱中心分子CO2，CS2等，選律不相容。等，選律不相容。 無對稱中心分子（例如無對稱中心分子（例

5、如SO2等），三種振動既是紅外活等），三種振動既是紅外活性振動，又是拉曼活性振動。性振動，又是拉曼活性振動。5.5.選律選律SCSSCSSCS 1 2 3 4拉曼活性拉曼活性紅外活性紅外活性紅外活性紅外活性振動自由度：振動自由度：3N- 4 = 4拉曼光譜拉曼光譜源于極化率變化源于極化率變化紅外光譜紅外光譜源于偶極矩變化源于偶極矩變化6. 拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較拉曼光譜拉曼光譜紅外光譜紅外光譜光譜范圍光譜范圍40-4000Cm-1光譜范圍光譜范圍400-4000Cm-1水可作為溶劑水可作為溶劑水不能作為溶劑水不能作為溶劑樣品可盛于玻璃瓶，毛細管等容器樣品可

6、盛于玻璃瓶，毛細管等容器中直接測定中直接測定不能用玻璃容器測定不能用玻璃容器測定固體樣品可直接測定固體樣品可直接測定需要研磨制成需要研磨制成 KBR 壓片壓片二、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：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。4）在拉曼光譜

7、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。2941，2927cm-1 ASCH22854cm-1 SCH21029cm-1 （C-C）803 cm-1環(huán)呼吸環(huán)呼吸 1444，1267 cm-1 CH23060cm-1 r-H)1600,1587cm-1 c=c)苯環(huán)苯環(huán)1000 cm-1環(huán)呼吸環(huán)呼吸

8、787 cm-1環(huán)變形環(huán)變形1039, 1022cm-1單取代單取代三、激光Raman光譜儀 laser Raman spectroscopy激光光源激光光源：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 單色器單色器： 光柵，多單色器； 檢測器檢測器： 光電倍增管， 光子計數(shù)器；傅立葉變換傅立葉變換-拉曼光譜儀拉曼光譜儀FT-Raman spectroscopy光源：光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（1.064m）；檢測器：檢測器：高靈敏度的銦鎵砷探頭；特點：特點：（1）避免了熒光干擾；）避免了熒光干擾；（2）精度高；）精度高

9、；（3）消除了瑞利譜線；）消除了瑞利譜線；（4）測量速度快。）測量速度快。 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。 5.6.1 拉曼光譜簡介拉曼光譜簡介從圖中可見，拉曼光譜的橫坐標(biāo)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)。縱坐標(biāo)為拉曼光強。由于拉曼位移與激發(fā)光無關(guān)，一般僅用S

10、tokes位移部分。對發(fā)熒光的分子，有時用反Stokes位移。 拉曼光譜的特點：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；

11、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。 5.6.2 拉曼及瑞利散射機理 瑞利和拉曼散射的產(chǎn)生 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

12、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Stokes線反Stokes線。隨溫度升高，反Stokes線的強度增加。 拉曼活性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(2pn

13、0t) (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： (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；

14、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 5.6.3 拉曼光譜參數(shù)拉曼光譜參數(shù) 頻率頻率即拉曼位移，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。 去偏振度去偏振度 r (depolarization)r 對確定分

15、子的對稱性很有用。 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 (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 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，

16、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。 如圖5.29，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)。 紅外

17、及拉曼光譜法的比較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)，兩者都反映分子的結(jié)構(gòu)信息。 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(biāo)用波數(shù)或波長表

18、示，而拉曼光譜測定的是光的散射，橫坐標(biāo)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

19、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-CO2分子振動過程中的極化度以及偶極矩變化返回頁首 5.6.4拉曼光譜儀拉曼光譜儀 拉曼光譜儀的光源為激光光源。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

20、在1064nm的近紅外區(qū)使用。 色散型拉曼光譜儀有色散型拉曼光譜儀有多個單色器多個單色器(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，用以避免分析物或雜質(zhì)的熒光干擾。 拉曼光譜儀的檢測器拉曼光譜儀的檢測器為光電倍增管、多探測器為光電倍增管、多探測器(如如CCD: Charge Coupled Device)等。等。 微區(qū)分析裝置的應(yīng)用。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。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