周四上午拉曼光譜

1、拉曼光譜簡(jiǎn)介及其在分析化學(xué)中的應(yīng)用拉曼光譜簡(jiǎn)介及其在分析化學(xué)中的應(yīng)用拉曼光譜簡(jiǎn)介1拉曼光譜與紅外光譜的比較2拉曼光譜的發(fā)展RR與SERS技術(shù)3拉曼光譜及其聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用4光譜分類光譜分析法聯(lián)合散射光譜吸收光譜發(fā)射光譜光譜分類發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜（AES）、原子熒光光譜（AFS）、X射線熒光光譜法（XFS）、分子熒光光譜法（MFS）等吸收光譜紫外可見(jiàn)光法（UV-Vis）、原子吸收光譜（AAS）、紅外光譜（IR）、核磁共振（NMR）等聯(lián)合散射光譜拉曼散射光譜（Raman）一.拉曼光譜簡(jiǎn)介192219281938斯梅卡爾預(yù)言新的譜線頻率與方向都發(fā)生改變拉曼（C.V.Raman）在氣體與液體中觀測(cè)到一種

2、特殊光譜的散射獲1930年諾貝爾物理獎(jiǎng)蘇聯(lián)人曼迭利斯塔姆、蘭茲貝爾格在石英中觀測(cè)到拉曼散射拉曼散射效應(yīng)的進(jìn)展：拉曼散射效應(yīng)是印度物理學(xué)家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次發(fā)現(xiàn)的，本人也因此榮獲1930年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 19281940年，受到廣泛的重視，曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。這是因?yàn)榭梢?jiàn)光分光技術(shù)和照相感光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的緣故；19401960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)槔?yīng)太弱（約為入射光強(qiáng)的10-6），并要求被測(cè)樣品的體積必須足夠大、無(wú)色、無(wú)塵埃、無(wú)熒光等等。所以到40年代中期，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落；1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)

3、展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等優(yōu)點(diǎn)，成為拉曼光譜的理想光源。隨探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和對(duì)被測(cè)樣品要求的降低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受研究者的重視。Raman光譜法分辨率高，重現(xiàn)性好，簡(jiǎn)單快速，具有以下特點(diǎn)：1. 適合水體系的研究，尤其對(duì)生物樣品和無(wú)機(jī)物的研究遠(yuǎn)較紅外吸收光譜方便。2. 一次可同時(shí)覆蓋504000 cm-1 波數(shù)的區(qū)間。3. Raman光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究。尤其是共振Raman光譜，靈敏度高，檢出限可到10-610-8 molL-1。4. Raman光譜所需樣品量少，g級(jí)即可。5. 由于共振Raman

4、光譜中譜線的增強(qiáng)是選擇性的，因此可用于研究發(fā)色基團(tuán)的局部結(jié)構(gòu)特征。 拉曼光譜的特點(diǎn)： 波長(zhǎng)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(cè)定水溶液，樣品處理簡(jiǎn)單。 低波數(shù)段測(cè)定容易(如金屬與氧、氮結(jié)合鍵的振動(dòng)nM-O, nM-N等)。而紅外光譜的遠(yuǎn) 紅外區(qū)不適用于水溶液，選擇窗口材料、檢測(cè)器困難。由Stokes、反Stokes線的強(qiáng)度比可以測(cè)定樣品體系的溫度。顯微拉曼的空間分辨率很高，為1mm。時(shí)間分辨測(cè)定可以跟蹤10-12s量級(jí)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程。利用共振拉曼、表面增強(qiáng)拉曼可以提高測(cè)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(cè)定一般不

5、適用，需改用近紅外激光激發(fā)等等。 晴天時(shí)的天空為什么是藍(lán)色的？瑞利散射（Rayleigh scattering）當(dāng)來(lái)自光源的光照射到樣品上時(shí)，除被吸收的光之外，絕大部分光沿入射方向穿過(guò)樣品，極少部分光則改變方向，即發(fā)生了光的散射。散射光的波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)相同。瑞利散射的強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比。拉曼散射（Raman scattering）當(dāng)光照射物質(zhì)時(shí)，除有彈性散射（瑞利散射），即產(chǎn)生頻率不變的散射光之外，還可產(chǎn)生非彈性散射，散射光的頻率改變。這種頻率的位移是分子振動(dòng)的特征，是分子振動(dòng)時(shí)發(fā)生極化率的改變。拉曼散射是光子和樣品分子間發(fā)生了非彈性碰撞，即光子除運(yùn)動(dòng)方向的改變之外還有能量的改變

6、：在碰撞時(shí)，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，光子的能量減少或增加，因而改變了光的頻率。瑞利散射與拉曼散射光線通過(guò)試樣，透射仍為主體波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于粒徑，小部分散射僅改變方向，波長(zhǎng)不變。 彈性碰撞無(wú)能量交換瑞利散射不變垂直方向觀測(cè)，原波長(zhǎng)兩側(cè)還有散射光非彈性碰撞，有能量交換，波長(zhǎng)有變化拉曼散射變從分子能級(jí)來(lái)討論光子和物質(zhì)分子的作用樣品分子處于電子能級(jí)的基態(tài)，振動(dòng)能級(jí)的基態(tài)或（第一）激發(fā)態(tài)。入射光子的能量遠(yuǎn)大于振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)所需的能量但達(dá)不到電子躍遷所需的能量。樣品分子在光子的作用下，達(dá)到一種準(zhǔn)激發(fā)態(tài)，這種準(zhǔn)激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，它將回到電子能級(jí)的基態(tài)并將發(fā)射光子。若樣品分子在被光

7、子作用前處于振動(dòng)能級(jí)的基態(tài)，作用后，弛豫，仍返回到振動(dòng)能級(jí)的基態(tài)并發(fā)射到光子，光子的能量未發(fā)生改變，-瑞利散射若樣品分子原處于振動(dòng)能級(jí)的基態(tài)，經(jīng)光子作用達(dá)到準(zhǔn)激發(fā)太后返回到振動(dòng)的第一激發(fā)態(tài)，發(fā)射的光子能量小于入射光光子的能量，-拉曼散射 斯托科斯線 （Stokes）s 為斯托克斯線頻率0 為入射光頻率E0 、E1 分別為分子在振動(dòng)基態(tài)、振動(dòng)第一激發(fā)態(tài)的能量H 為普朗克常數(shù) 若樣品分子處于電子能級(jí)基態(tài)，振動(dòng)能級(jí)的激發(fā)態(tài)，入射光光子使之躍遷到準(zhǔn)激發(fā)態(tài)，該分子再回到電子能級(jí)基態(tài)、振動(dòng)能級(jí)基態(tài)時(shí)，此時(shí)發(fā)射出的光子的能量則大于入射光子的能量， -拉曼散射 反斯托科斯線 （Anti Stokes） 同一種

8、物質(zhì)分子，隨著入射光頻率的改變，Raman線的頻率也改變，但Raman位移始終保持不變，因此Raman位移與入射光頻率無(wú)關(guān)，與物質(zhì)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。不同物質(zhì)分子有不同的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，因而有不同的Raman位移。 利用拉曼光譜可對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和定性鑒定CCl4的拉曼光譜 Stocks linesanti-Stockes linesRayleigh scattering/cm-1Raman光譜與紅外吸收光譜的比較 3.紅外活性和拉曼活性振動(dòng)紅外活性振動(dòng) 永久偶極矩；極性基團(tuán)； 瞬間偶極矩；非對(duì)稱分子；紅外活性振動(dòng)伴有偶極矩變化的振動(dòng)可以產(chǎn)生紅外吸收譜帶.拉曼活性振動(dòng) 誘導(dǎo)偶極矩

9、= E 非極性基團(tuán)，對(duì)稱分子；拉曼活性振動(dòng)伴隨有極化率變化的振動(dòng)。 對(duì)稱分子： 對(duì)稱振動(dòng)拉曼活性。 不對(duì)稱振動(dòng)紅外活性 Eeer4. 紅外與拉曼譜圖對(duì)比紅外光譜：基團(tuán)；拉曼光譜：分子骨架測(cè)定；紅外與拉曼譜圖對(duì)比 對(duì)稱中心分子CO2，CS2等，選律不相容。 無(wú)對(duì)稱中心分子（例如SO2等），三種振動(dòng)既是紅外活性振動(dòng)，又是拉曼活性振動(dòng)。5.選律1234拉曼活性紅外活性紅外活性振動(dòng)自由度：3N- 5= 4拉曼光譜源于極化率變化紅外光譜源于偶極矩變化6. 拉曼光譜與紅外光譜分析方法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(diǎn)在于，對(duì)于一個(gè)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(dòng)

10、能級(jí)的能量。因此，對(duì)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。 同一物質(zhì)，有些峰的紅外吸收與拉曼散射完全對(duì)應(yīng)，但也有許多峰有拉曼散射卻無(wú)紅外吸收，或有紅外吸收卻無(wú)拉曼散射。紅外光譜與拉曼光譜互補(bǔ)，可用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。 紅外光譜的入射光及檢測(cè)光均是紅外光，而拉曼光譜的入射光大多數(shù)是可見(jiàn)光 ，散射光也是可見(jiàn)光。紅外光譜測(cè)定的是光的吸收，橫坐標(biāo)用波數(shù)或波長(zhǎng)表示，而拉曼光譜測(cè)定的是光的散射，橫坐標(biāo)是拉曼位移。 兩者的產(chǎn)生機(jī)理不同。紅外吸收是由于振動(dòng)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

11、間變形引起暫時(shí)極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，當(dāng)返回基態(tài)時(shí)發(fā)生的散射。散射的同時(shí)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(wú)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(dòng)引起核間距變化但無(wú)偶極矩改變，對(duì)振動(dòng)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(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性變化：核間距最遠(yuǎn)時(shí)極化度最大，最近時(shí)極化度最小。由此產(chǎn)生拉曼位移。二氧化碳分子的對(duì)稱伸縮振動(dòng)（O C O）無(wú)紅外活性，但可以產(chǎn)生周期性極化度的改變(距離近時(shí)電子云變形小，距離遠(yuǎn)時(shí)電子云變形大)，因此有拉曼活性。而非對(duì)稱伸縮振動(dòng)（O C O）有紅外活性無(wú)拉曼活性。此時(shí)一個(gè)鍵的核間距減小，一個(gè)鍵的核間距增大(一個(gè)

12、鍵的極化度小，一個(gè)鍵的極化度大)，總的結(jié)果是無(wú)拉曼活性。色散型Raman光譜儀Raman光譜儀主要由光源、樣品池、單色器及檢測(cè)器組成，如圖所示：激光Raman光譜儀 激光Raman光譜儀 laser Raman spectroscopy激光光源：He-Ne激光器，波長(zhǎng)632.8nm； Ar激光器， 波長(zhǎng)514.5nm， 488.0nm； 散射強(qiáng)度1/4 單色器： 光柵，多單色器； 檢測(cè)器： 光電倍增管， 光子計(jì)數(shù)器；光源由于Raman散射很弱，現(xiàn)代Raman光譜儀的光源多采用高強(qiáng)度的激光光源。激光光源包括連續(xù)波激光器和脈沖激光器。由于高強(qiáng)度激光光源易使試樣分解，尤其是對(duì)生物大分子、聚合物等，因

13、此一般采用旋轉(zhuǎn)技術(shù)加以克服。樣品池Raman光譜法用玻璃作窗口。氣體試樣放在多重反射氣槽或激光器的共振腔內(nèi)。液體試樣采用常規(guī)試樣池。透明棒狀、塊狀和片狀固體可直接進(jìn)行測(cè)定。粉末試樣可放入玻璃試樣管或壓片測(cè)定。 色散型Raman光譜儀 單色器色散型Raman光譜儀采用多單色器系統(tǒng)，如雙單色器、三單色器。最好的是帶有全息光柵的雙單色器，能有效消除雜散光，使與激光波長(zhǎng)非常接近的弱Raman線得到檢測(cè)。在傅里葉變換Raman光譜儀中，以Michelson(邁克耳孫)干涉儀代替色散元件，光源利用率高，可采用紅外激光光源，以避免分析物或雜質(zhì)的熒光干擾。檢測(cè)器一般采用光電倍增管。為減少熒光的干擾，在色散型儀

14、器中可用CCD檢測(cè)器。常用的檢測(cè)器為Ga-As光陰極光電倍增管，光譜響應(yīng)范圍寬，量子效率高，而且在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)的響應(yīng)穩(wěn)定。傅里葉變換型儀器中多選用液氮冷卻鍺光電阻作為檢測(cè)器。 色散型Raman光譜儀 儀器結(jié)構(gòu)傅里葉變換Raman光譜儀的光路設(shè)計(jì)與傅里葉變換紅外光譜儀非常相似，只是干涉儀與樣品池排列次序不同。傅里葉變換Raman光譜儀 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(cè)器：高靈敏度的銦鎵砷探頭；特點(diǎn)：（1）避免了熒光干擾；（2）精度高；（3）消除了瑞利譜線；（4）測(cè)量速度快。特點(diǎn)傅里葉變換Raman光譜儀光源發(fā)射

15、波長(zhǎng)位于近紅外區(qū)，能量較低，既可以消除熒光干擾，還可以避免某些試樣受激光照射而分解，非常有利于有機(jī)化合物、高分子及生物大分子等的研究。但對(duì)一般分子的研究，其Raman散射信號(hào)比常規(guī)激光Raman散射信號(hào)要弱。同時(shí)，該儀器與傅里葉變換紅外光譜儀一樣，還具有掃描速度快、分辨率高、波數(shù)精度及重現(xiàn)性好等特點(diǎn)。傅里葉變換Raman光譜儀 共振Raman光譜當(dāng)入射激光波長(zhǎng)與待測(cè)分子的某個(gè)電子吸收峰接近或重合時(shí)，Raman躍遷的概率大大增加，使這一分子的某個(gè)或幾個(gè)特征Raman譜帶強(qiáng)度可達(dá)到正常Raman譜帶的104106倍，這種現(xiàn)象稱為共振Raman（Resonance Raman）效應(yīng)?；诠舱馬ama

16、n效應(yīng)建立的Raman光譜法稱共振Raman光譜法。共振Raman光譜有利于低濃度和微量樣品的檢測(cè)，最低檢出濃度約為10-610-8 mol L-1。 其他Raman光譜法表面增強(qiáng)Raman光譜將試樣吸附在金、銀、銅等金屬的粗糙表面或膠粒上可大大增強(qiáng)其Raman光譜信號(hào)，基于這種具有表面選擇性的增強(qiáng)效應(yīng)而建立的方法為表面增強(qiáng)Raman光譜法。該法可使某些Raman線的增強(qiáng)因子達(dá)104108。由于表面增強(qiáng)Raman光譜法靈敏度高，它已成為表面科學(xué)、催化、電化學(xué)等領(lǐng)域的重要研究手段。其定量分析檢出限可達(dá)納克或亞納克級(jí)。若它與電化學(xué)方法聯(lián)用，可以研究許多生物物質(zhì)，如氧合血紅蛋白、肌紅蛋白、腺苷、多肽

17、、核酸等。將表面增強(qiáng)Raman光譜和共振Raman光譜技術(shù)聯(lián)用時(shí)，其檢出限可達(dá)10-910-12 mol L-1。其他Raman光譜法拉曼光譜的應(yīng)用 applications of Raman spectroscopy 由拉曼光譜可以獲得有機(jī)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(dòng)產(chǎn)生的譜帶一般較弱或強(qiáng)度可變，而在拉曼光譜中則是強(qiáng)譜帶。3）環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(dòng)常常是最強(qiáng)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(qiáng)拉曼譜帶， 隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強(qiáng)度增加。4）在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-這類鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)是強(qiáng)譜帶，反

18、這類鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)是弱譜帶。紅外光譜與此相反。5）C-C伸縮振動(dòng)在拉曼光譜中是強(qiáng)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(qiáng)度沒(méi)有很大差別。II. 羥基和甲基的質(zhì)量?jī)H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 1444，1267 cm-1 CH23060cm-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單取代定性分析Raman位移 表征了分子

19、中不同基團(tuán)振動(dòng)的特性，因此，可以通過(guò)測(cè)定 對(duì)分子進(jìn)行定性和結(jié)構(gòu)分析。另外，還可通過(guò)退偏比的測(cè)定確定分子的對(duì)稱性。無(wú)機(jī)、有機(jī)、高分子等化合物的定性分析；生物大分子的構(gòu)象變化及相互作用研究；各種材料（包括納米材料、生物材料、金剛石）和膜（包括半導(dǎo)體薄膜、生物膜）的Raman分析；礦物組成分析；寶石、文物、公安樣品的無(wú)損鑒定等方面。激光Raman光譜法的應(yīng)用 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析官能團(tuán)不是孤立的，在不同的分子中，相同官能團(tuán)的Raman位移有一定的差異， 不是固定的頻率，而是在某一頻率范圍內(nèi)變動(dòng)。對(duì)于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)研究，雖然Raman光譜的應(yīng)用遠(yuǎn)不如紅外吸收光譜廣泛，但Raman光譜適合于測(cè)定有機(jī)分子

20、的骨架，并能夠方便地區(qū)分各種異構(gòu)體，如位置異構(gòu)、幾何異構(gòu)、順?lè)串悩?gòu)等。CC，CC，SS，CS，SH，CN，SN，NN等基團(tuán)，Raman散射信號(hào)強(qiáng)，特征明顯，也適合Raman光譜測(cè)定。 定性分析高分子聚合物的研究激光Raman光譜特別適合于高聚物的幾何構(gòu)型、碳鏈骨架或環(huán)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度等的測(cè)定。對(duì)于含有無(wú)機(jī)物填料的高聚物，可以不經(jīng)分離而直接測(cè)定。生物大分子的研究激光Raman光譜是研究生物大分子的有效手段?？梢栽诮咏匀粻顟B(tài)的極稀濃度下來(lái)研究生物分子的組成、構(gòu)象和分子間的相互作用。對(duì)于眼球晶體、皮膚及癌組織等生物組織切片，可以不經(jīng)處理而直接進(jìn)行測(cè)定。定性分析由于Raman信號(hào)弱，儀器價(jià)格較貴，激光R

21、aman光譜法在定量分析中不占太大優(yōu)勢(shì)，直到共振Raman光譜法和表面增強(qiáng)Raman光譜法出現(xiàn)。與熒光光譜類似，Raman散射光強(qiáng)度與活性成分的濃度成正比。據(jù)此，可利用Raman光譜進(jìn)行定量分析。 定量分析用通常的拉曼光譜可以進(jìn)行半導(dǎo)體、陶瓷等無(wú)機(jī)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。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。 表面增強(qiáng)拉曼 SERS(Surface-Enhanced Raman Scattering)表面增強(qiáng)拉曼是用通常的拉曼光譜法測(cè)定吸附在膠質(zhì)金屬顆粒如銀、金或銅表面的樣品，或吸附在這些金屬片的粗糙表面上的樣品。盡管原因尚不明朗，人們發(fā)現(xiàn)被吸附的樣品其拉曼光譜的強(qiáng)度可提高103-106倍。如果將表面增強(qiáng)拉曼與共振拉曼結(jié)合，光譜強(qiáng)度的凈增加幾乎是兩種方法增強(qiáng)的和。檢測(cè)限可低至10-9-10-12 摩爾/升。表面增強(qiáng)拉曼主要用于吸附物種的狀態(tài)解析等。三.拉曼光譜的發(fā)展RR與SERS技術(shù)共振拉曼效應(yīng)(Res