第三章-激光拉曼散射光譜法

第一頁，共59頁。第二頁，共59頁。拉曼散射光譜的基本概念拉曼散射：拉曼光譜為散射光譜。當(dāng)一束頻率為0的入射光照射到氣體、液體或透明晶體樣品上時(shí)，絕大部分可以透過，大約有0.1％的入射光與樣品分子之間發(fā)生非彈性碰撞，即在碰撞時(shí)有能量交換，這種光散射稱為拉曼散射；瑞利散射：若入射光與樣品分子之間發(fā)生彈性碰撞，即兩者之間沒有能量交換，這種光散射稱為瑞利散射。第三頁，共59頁。一、激光拉曼光譜基本原理

principleofRamanspectroscopyRayleigh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(dòng)激發(fā)態(tài)；

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RamanCV發(fā)現(xiàn)；1960年快速發(fā)展）

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激發(fā)虛態(tài)第四頁，共59頁。處于振動(dòng)基態(tài)E0的分子受入射光hν0的作用激發(fā)而躍遷到一個(gè)受激虛態(tài)。因?yàn)檫@個(gè)受激虛態(tài)是不穩(wěn)定的能級(jí)（實(shí)際上是不存在的），所以分子立即躍遷回基態(tài)E0，此過程對(duì)應(yīng)于彈性碰撞，為瑞利射線。同樣處于激發(fā)態(tài)E1的分子受入射光子hν0的激發(fā)而躍遷到受激虛態(tài)，因?yàn)樘搼B(tài)是不穩(wěn)定的而立即躍遷回到激發(fā)態(tài)E1，此過程對(duì)應(yīng)于彈性碰撞，為瑞利射線。第五頁，共59頁。處于虛態(tài)的分子也可能躍遷回到激發(fā)態(tài)E1，此過程對(duì)應(yīng)于非彈性碰撞，光子的部分能量傳遞給分子，使光子的頻率降低，為拉曼散射的斯托克斯線。處于虛態(tài)的分子也可能躍遷回到基態(tài)E0，此過程對(duì)應(yīng)于非彈性碰撞，光子從分子的振動(dòng)得到部分能量，使其頻率增加，為拉曼散射的反斯托克斯線。第六頁，共59頁。第七頁，共59頁。1.Raman位移定義：斯托克斯線或反斯托克斯線與入射光頻率之差特點(diǎn)：拉曼位移的大小和分子的躍遷能級(jí)差一樣對(duì)不同物質(zhì)：不同；對(duì)同一物質(zhì)：與入射光頻率無關(guān)；表征分子振-轉(zhuǎn)能級(jí)的特征物理量；定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)；拉曼位移的大小與入射光的頻率無關(guān)，只與分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)范圍為：40~4000cm-1，因此入射光的能量應(yīng)大于分子振動(dòng)躍遷所需能量，小于電子能級(jí)躍遷的能量。拉曼光譜的參數(shù)指標(biāo)第八頁，共59頁。對(duì)于同一分子能級(jí)，斯托克斯線和反斯托克斯線的拉曼位移應(yīng)該相等，而且躍遷的幾率也相等。斯托克斯線的頻率比入射光的低，而反斯托克斯線的頻率比入射光的高，二者分布在瑞利線的兩側(cè)。常溫下分子大多處于振動(dòng)基態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子很少，因此，斯托克斯線強(qiáng)于反斯托克斯線。所以在一般拉曼光譜分析中，都采用斯托克斯線研究拉曼位移。2.Raman位移強(qiáng)度與樣品分子的濃度成正比第九頁，共59頁。3.退偏振比表征分子對(duì)稱性振動(dòng)模式的高低在多數(shù)的吸收光譜中，只具有二個(gè)基本參數(shù)(頻率和強(qiáng)度)，但在激光拉曼光譜中還有一個(gè)重要的參數(shù)即退偏振比(也可稱為去偏振度)。

由于激光是線偏振光，而大多數(shù)的有機(jī)分子是各向異性的，在不同方向上的分子被入射光電場(chǎng)極化程度是不同的。在紅外中只有單晶和取向的高聚物才能測(cè)量出偏振，而在激光拉曼光譜中，完全自由取向的分子所散射的光也可能是偏振的，因此一般在拉曼光譜中用退偏振比(或稱去偏振度)

表征分子對(duì)稱性振動(dòng)模式的高低。第十頁，共59頁。式中I⊥和

I//

——分別代表與激光電矢量相垂直和相平行的譜線的強(qiáng)度。

＜3/4的譜帶稱為偏振譜帶，表示分子有較高的對(duì)稱振動(dòng)模式；

=3/4的譜帶稱為退偏振譜帶，表示分子的對(duì)稱振動(dòng)模式較低，即分子是不對(duì)稱的。

第十一頁，共59頁。在光的傳播方向上，光矢量只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng)，這種光稱為平面偏振光，由于光矢量端點(diǎn)的軌跡為一直線，又叫做線偏振光。光矢量的方向和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為振動(dòng)面。線偏振光的振動(dòng)面固定不動(dòng)，不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性也不同，這就是晶體的各向異性。第十二頁，共59頁。1.紅外活性和拉曼活性振動(dòng)條件①紅外活性振動(dòng)

ⅰ永久偶極矩；極性基團(tuán)；

ⅱ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②拉曼活性振動(dòng)

誘導(dǎo)偶極矩=E（分子極化率）拉曼活性振動(dòng)—伴隨有極化率變化的振動(dòng)。Eeer

Raman散射的產(chǎn)生條件：光電場(chǎng)E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極距第十三頁，共59頁。非極性分子在外電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生偶極，成為極性分子；極性分子在外電場(chǎng)作用下本來就具有的固有偶極會(huì)增大，分子極性進(jìn)一步增大。這種在外電場(chǎng)作用下，正、負(fù)電荷中心不重合程度增大的現(xiàn)象，稱為變形極化，變形極化所致的偶極稱為誘導(dǎo)偶極(induceddipole)。第十四頁，共59頁。激光拉曼光譜紅外光譜拉曼效應(yīng)產(chǎn)生于入射光子與分子振動(dòng)能級(jí)的能量交換.紅外光譜是入射光子引起分子中成鍵原子振動(dòng)能級(jí)的躍遷而產(chǎn)生的光譜。拉曼頻率位移的程度正好相當(dāng)于紅外吸收頻率。因此紅外測(cè)量能夠得到的信息同樣也出現(xiàn)在拉曼光譜中.互補(bǔ)紅外光譜解析中的定性三要素(即吸收頻率、強(qiáng)度和峰形)對(duì)拉曼光譜解析也適用。但拉曼光譜中還有退偏振比。紅外光譜分析中的定性三要素（吸收頻率、強(qiáng)度和峰形非極性官能團(tuán)的拉曼散射譜帶較為強(qiáng)烈，因?yàn)榉菢O性對(duì)稱分子價(jià)電子振動(dòng)時(shí)偶極矩變化較小，例如，許多情況下C=C伸縮振動(dòng)的拉曼譜帶比相應(yīng)的紅外譜帶較為強(qiáng)烈.極性官能團(tuán)的紅外譜帶較為強(qiáng)烈,C=O的伸縮振動(dòng)的紅外譜帶比相應(yīng)的拉曼譜帶更為顯著。而碳鏈的振動(dòng)用拉曼光譜表征更為方便對(duì)于鏈狀聚合物來說，碳鏈上的取代基用紅外光譜較易檢測(cè)出來3.1.2激光拉曼光譜與紅外光譜比較第十五頁，共59頁。紅外光譜：基團(tuán)；拉曼光譜：分子骨架測(cè)定；第十六頁，共59頁。

紅外與拉曼光譜在研究聚合物時(shí)的區(qū)別可以聚乙烯為例加以說明。聚乙烯分子中具有對(duì)稱中心，紅外與拉曼光譜呈現(xiàn)完全不同的振動(dòng)模式。在紅外光譜中，CH2振動(dòng)為最顯著的譜帶。而拉曼光譜中，C-C振動(dòng)有明顯的吸收。

線型聚乙烯的紅外(a)及拉曼(b)光譜第十七頁，共59頁。拉曼光譜中：芳環(huán)的C-C伸縮振動(dòng)；紅外光譜中：C=O和C-O第十八頁，共59頁。拉曼光譜的低頻區(qū)出現(xiàn)了較為豐富的譜帶信號(hào)，而紅外光譜的同一區(qū)域中的譜帶信息卻很弱。拉曼：C-C振動(dòng)；紅外：C=O和C-O第十九頁，共59頁。RamanandInfraredSpectraofH-C≡C-HAsymmetricC-HStretchSymmetricC-HStretchC≡CStretch第二十頁，共59頁。第二十一頁，共59頁。與FTIR相比，Raman具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)拉曼光譜是一個(gè)散射過程，因而任何尺寸、形狀、透明度的樣品，只要能被激光照射到，就可直接用來測(cè)量。由于激光束的直徑較小，且可進(jìn)一步聚焦，因而極微量樣品都可測(cè)量。(2)水是極性很強(qiáng)的分子，因而其紅外吸收非常強(qiáng)烈。但水的拉曼散射卻極微弱，因而水溶液樣品可直接進(jìn)行測(cè)量，這對(duì)生物大分子的研究非常有利。此外，玻璃的拉曼散射也較弱，因而玻璃可作為理想的窗口材料，例如液體或粉末固體樣品可放于玻璃毛細(xì)管中測(cè)量。(3)對(duì)于聚合物及其他分子，拉曼散射的選擇定則的限制較小，因而可得到更為豐富的譜帶。S-S，C-C，C=C，N=N等紅外較弱的官能團(tuán)，在拉曼光譜中信號(hào)較為強(qiáng)烈。

第二十二頁，共59頁。3.激光拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較第二十三頁，共59頁。3.2實(shí)驗(yàn)方法激光拉曼光譜儀

激光光源

樣品室單色器檢測(cè)記錄系統(tǒng)計(jì)算機(jī)3.2.1儀器組成第二十四頁，共59頁。1.激光光源

激光是原子或分子受激輻射產(chǎn)生的。激光和普通光源相比，具有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)具有極好的單色性。激光是一種單色光，如氦氖激光器發(fā)出的6328?的紅色光，頻率寬度只有910-2Hz。

(2)具有極好的方向性。激光幾乎是一束平行光，例如，紅寶石激光器發(fā)射的光束，其發(fā)射角只有3分多。激光是非常強(qiáng)的光源。由于激光的方向性好，所以能量能集中在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)，即激光在單位面積上的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通光源。

第二十五頁，共59頁。由于激光的這些特點(diǎn)，它是拉曼散射光譜的理想光源，激光拉曼譜儀比用汞弧燈作光源的經(jīng)典拉曼光譜儀具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）被激發(fā)的拉曼譜線比較簡(jiǎn)單，易于解析；（2）靈敏度高，樣品用量少，普通拉曼光譜液體樣品需50ml左右，而激光拉曼光譜只要1l即可，固體0.5g，氣體只要1011個(gè)分子；（3）激光是偏振光，測(cè)量偏振度比較容易。拉曼光譜儀中最常用的是He-Ne氣體激光器。Ar+激光器是拉曼光譜儀中另一個(gè)常用的光源。第二十六頁，共59頁。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。激光Raman光譜儀

laserRamanspectroscopy第二十七頁，共59頁。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；第二十八頁，共59頁。拉曼實(shí)驗(yàn)用的樣品主要是溶液(以水溶液為主)，固體(包括纖維)

各種形態(tài)樣品在拉曼光譜儀中放置方法

(a)透明固體

(b)半透明固體

(c)粉末

(d)極細(xì)粉末

(e)液體

(f)溶液

1—反射鏡

2—多通道池

3—鍥型鏡

4—液體

多重反射槽為了有效收集從小體積發(fā)出的拉曼輻射，多采用一個(gè)90度（較通常）或180度的試樣光學(xué)系統(tǒng)。3.2.2樣品的放置方法第二十九頁，共59頁。第三十頁，共59頁。由于拉曼與紅外光譜具有互補(bǔ)性，因而二者結(jié)合使用能夠得到更豐富的信息。這種互補(bǔ)的特點(diǎn)，是由它們的選擇定則決定的。凡具有對(duì)稱中心的分子，它們的紅外吸收光譜與拉曼散射光譜沒有頻率相同的譜帶，這就是所謂的“互相排斥定則”。例如聚乙烯具有對(duì)稱中心，所以它的紅外光譜與拉曼光譜沒有一條譜帶的頻率是一樣的。

3.3拉曼光譜在聚合物結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

拉曼光譜的選擇定則與高分子構(gòu)象第三十一頁，共59頁。

對(duì)稱中心分子CO2，CS2等，選律不相容。

無對(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)。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—源于偶極矩變化第三十二頁，共59頁。拉曼光譜選律紅外和拉曼光譜同屬于分子振動(dòng)光譜。但是同一分子的紅外和拉曼光譜不盡相同。分子中某一基團(tuán)的振動(dòng)是在紅外光譜中出現(xiàn)譜帶，還是在拉曼光譜中出現(xiàn)譜帶，是由光譜選律決定的。光譜選律的直觀說法是：分子振動(dòng)時(shí)，如果分子偶極矩改變，則產(chǎn)生紅外吸收光譜而不產(chǎn)生拉曼光譜；如果分子極化程度改變則產(chǎn)生拉曼光譜而不產(chǎn)生紅外光譜。第三十三頁，共59頁。在分子中，某個(gè)振動(dòng)可以既是拉曼活性，又是紅外活性，也可以是只有其一。判斷拉曼和紅外是否活性的兩個(gè)原則：互不相容規(guī)則：凡具有對(duì)稱中心的分子，若是紅外活性，則拉曼是非活性的；反之，若紅外是非活性的，則拉曼是活性的。必須指出，具有對(duì)稱中心的分子，也有少數(shù)分子的振動(dòng)在拉曼光譜和紅外光譜中都是非活性。相互允許規(guī)則：沒有對(duì)稱中心的分子，其紅外和拉曼光譜可以都是活性的。多數(shù)有機(jī)化合物分子的對(duì)稱性低或沒有對(duì)稱性，其振動(dòng)頻率通常同時(shí)是紅外和拉曼活性的。由于振動(dòng)的強(qiáng)弱不同，有些振動(dòng)雖然是紅外和拉曼活性的，但不一定能在譜圖中觀測(cè)到這些振動(dòng)所產(chǎn)生的譜帶。第三十四頁，共59頁。上述原理可以幫助推測(cè)聚合物的構(gòu)象。例如聚硫化乙烯(PES)的分子鏈的重復(fù)單元為（CH2CH2SCH2CH2-S），假設(shè)C-C鍵是反式構(gòu)象，C-S為旁式構(gòu)象，那它就具有對(duì)稱中心，從理論上可以預(yù)測(cè)PES的紅外及拉曼光譜中沒有頻率相同的譜帶。假如PES采取像聚氧化乙烯(PEO)那樣的螺旋結(jié)構(gòu)，那就不存在對(duì)稱中心，它們的紅外及拉曼光譜中就有頻率相同的譜帶。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PEO的紅外及拉曼光譜有20條頻率相同的譜帶。而PES的兩種光譜中僅有二條譜帶的頻率比較接近。第三十五頁，共59頁。因而，可以推論P(yáng)ES具有與PEO不同的構(gòu)象：在PEO中，C-C鍵是旁式構(gòu)象，C-O為反式構(gòu)象；而在PES中，C-C鍵是反式構(gòu)象，C-S為旁式構(gòu)象。分子結(jié)構(gòu)模型的對(duì)稱因素決定了選擇原則。比較理論結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的光譜，可以判別所提出的結(jié)構(gòu)模型是否準(zhǔn)確。這種方法在研究小分子的結(jié)構(gòu)及大分子的構(gòu)象方面起著很重要的作用。

第三十六頁，共59頁。高分子的紅外二向色性及拉曼去偏振度聚酰胺-6薄膜被拉伸250％后的紅外偏振光譜

NH伸縮振動(dòng)(3300cm-1)垂直于拉伸方向取向CH2伸縮振動(dòng)(3000～2800cm-1)，垂直于拉伸方向取向1260cm-1和120lcm-1C-N伸縮振動(dòng)平行于拉伸方向取向第三十七頁，共59頁。聚酰胺-6薄膜拉伸400％后的激光拉曼散射光譜

∥表示偏振激光電場(chǎng)矢量與拉伸方向平行

⊥表示偏振激光電場(chǎng)矢量與拉伸方向垂直

1081cm-1譜帶(C-N伸縮振動(dòng))1126cm-1譜帶(C-C伸縮振動(dòng))C-C、C-N伸縮振動(dòng)平行于拉伸方向取向。第三十八頁，共59頁。二向色性：在微觀領(lǐng)域，分子的光吸收率不是一個(gè)標(biāo)量，而是具有一定的方向性（矢量）。若三個(gè)方向的吸收系數(shù)不同，則兩系數(shù)之差稱為二向色性。宏觀上吸收率的二向色性表現(xiàn)為吸收系數(shù)具有方向性，宏觀上的二向色性既與分子的二向色性有關(guān)，也與分子排列有關(guān)，故二向色性可作為取向度的一種表征方法。另外，大分子鏈上某些官能團(tuán)具有一定的方向性，它對(duì)振動(dòng)方向不同的紅外光亦會(huì)表現(xiàn)出二向色性，稱為紅外二向色性。第三十九頁，共59頁。纖維狀聚合物在拉伸形變的過程中，鏈段與鏈段之間的相對(duì)位置發(fā)生了移動(dòng)，從而使拉曼線發(fā)生變化。3.3.3聚合物形變的拉曼光譜研究第四十頁，共59頁。生物大分子中，蛋白質(zhì)、核酸、磷脂等是重要的生命基礎(chǔ)物質(zhì)，研究它們的結(jié)構(gòu)、構(gòu)像等化學(xué)問題以闡明生命的奧秘是當(dāng)今極為重要的研究課題。應(yīng)用激光拉曼光譜除能獲得有關(guān)組分的信息外，更主要的是它能反映與正常生理?xiàng)l件（如水溶液、溫度、酸堿度等）相似的情況下的生物大分子分結(jié)構(gòu)變化信息，同時(shí)還能比較在各相中的結(jié)構(gòu)差異，這是其他儀器難以得到的成果。3.3.4生物大分子的拉曼光譜研究第四十一頁，共59頁。第四十二頁，共59頁。紅外與拉曼光譜法的異同點(diǎn)相同點(diǎn)

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)能級(jí)的能量，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)信息互補(bǔ)，可用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。第四十三頁，共59頁。不同點(diǎn)

紅外光譜的入射光及檢測(cè)光都是紅外光，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(cè)定的是分子對(duì)光的吸收，橫坐標(biāo)用波長(zhǎng)或波數(shù)表示；而拉曼光譜測(cè)定的是分子對(duì)光的散射，橫坐標(biāo)是拉曼位移。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)生瞬間變形引起暫時(shí)變化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，當(dāng)返回基態(tài)時(shí)發(fā)生的散射。因此，拉曼光譜最適合于研究由相同原子組成的分子的非極性鍵，如C-C、N-N、S-S等的振動(dòng)，以及對(duì)稱分子，如CS2的骨架振動(dòng)。第四十四頁，共59頁。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CN，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。拉曼光譜與有機(jī)結(jié)構(gòu)第四十五頁，共59頁。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，這類鍵的反對(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。第四十六頁，共59頁。第四十七頁，共59頁。2941