拉曼光譜原理與應用

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－可見光法（UV-Vis）、原子吸收光譜（AAS）、紅外觀光譜（IR）、核磁共振（NMR）等聯(lián)合散射光譜拉曼散射光譜（Raman）一.概述第一頁，共46頁。

分子振動也可能引起分子極化率的變化，產(chǎn)生拉曼光譜。拉曼光譜不是觀察光的吸收,而是觀察光的非彈性散射。非彈性散射光很弱，過去較難觀測。激光拉曼光譜的出現(xiàn)使靈敏度和分辨力大大提高，應用日益廣泛。第二頁，共46頁。

1928年，印度物理學家C.V.Raman他們在用汞燈的單色光來照射CCl4液體時，在液體的散射光中觀測到了頻率低于入射光頻率的新譜線。在喇曼等人宣布了他們的發(fā)現(xiàn)的幾個月后，蘇聯(lián)物理學家蘭德斯別爾格等也獨立地報道了晶體中的這種效應的存在。光照射到物質(zhì)上時會發(fā)生非彈性散射，散射光中除有與激發(fā)光波長相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長長的和短的成分，后一現(xiàn)象統(tǒng)稱為拉曼（Raman）效應。拉曼效應的發(fā)現(xiàn)第三頁，共46頁。拉曼散射效應的進展

1928年，印度物理學家拉曼（C.V.Raman）首次發(fā)現(xiàn)曼散射效應，榮獲1930年的諾貝爾物理學獎。

1928-1940年，拉曼光譜成為研究分子結構的主要手段。因為拉曼光譜喇曼頻率及強度、偏振等標志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從這些資料可以導出物質(zhì)結構及物質(zhì)組成成分的知識。這就是喇曼光譜具有廣泛應用的原因。

1940-1960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因為拉曼效應太弱（約為入射光強的10-6），并要求被測樣品的體積必須足夠大、無色、無塵埃、無熒光等。40年代中期，紅外技術的進步和商品化更使拉曼光譜的應用一度衰落。

1960年以后，激光技術的發(fā)展使拉曼技術得以復興。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等優(yōu)點，成為拉曼光譜的理想光源。隨探測技術的改進和對被測樣品要求的降低，目前在物理、化學、醫(yī)藥、工業(yè)等各個領域拉曼光譜得到了廣泛的應用，越來越受研究者的重視。第四頁，共46頁。二.拉曼(Raman)光譜基本原理透射光入射光散射光散射是光子與分子發(fā)生碰撞的結果拉曼光譜是研究分子和光相互作用的散射光的頻率第五頁，共46頁。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)；

E0+h0

，

E1+h0

激發(fā)虛態(tài)；獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài).

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h(0

+

)E1+h0E0+h0h(0

-

)激發(fā)虛態(tài)第六頁，共46頁。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anti-stokes線；弱；Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差；ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)第七頁，共46頁。

設散射物分子原來處于基態(tài)，振動能級如圖所示。當受到入射光照射時，激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態(tài)(Virtualstate)，虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發(fā)光，即為散射光。當外來光子入射到分子時，可以設想分子吸收一個光子后躍遷到一個實際上不存在的虛能級，并立即回到原來所處的基態(tài)而重新發(fā)射光子，這是瑞利散射。如果分子躍遷到虛能級不回到原來所處基態(tài)，而落到另一較高能級發(fā)射光子，這個發(fā)射的新光子能量hv′顯然小于入射光子能量hv，是拉曼散射的斯托克斯線(Stokes)，兩光子能量差△E=h△v=h（v-v′）?！鱲就是拉曼散射光譜的頻率位移。反之發(fā)射光子頻率高于原入射光子頻率，為反斯托克斯線(anti-Stokes)。第八頁，共46頁。

Stockslinesanti-StockeslinesRayleighscatteringCCl4的拉曼光譜

斯托克斯線和反斯托克斯線統(tǒng)稱為拉曼譜線。由于在通常情況下，分子絕大多數(shù)處于振動能級基態(tài)，所以斯托克斯線的強度遠遠強于反斯托克斯線。Δν/cm-1第九頁，共46頁。拉曼位移（Ramanshift）

Δv即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。由于拉曼位移Δv只取決于散射分子的結構而與vo無關，所以拉曼光譜可以作為分子振動能級的指紋光譜。適用于分子結構分析與入射光波長無關第十頁，共46頁。拉曼光譜圖從圖中可見，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，一般僅用Stokes位移部分。對發(fā)熒光的分子，有時用反Stokes位移。第十一頁，共46頁。拉曼是指紋光譜ni=no-n(cm-1)

50010001500200025003000350020000150001000050000Intensity(A.U.)OHstretchingCH3StretchingModesSkeletalBendingCCOmodesOHBendingCH3andCH2BendingModes甲醇vs.乙醇CH3OHvs.

CH3CH2OH第十二頁，共46頁。拉曼光譜與分子極化率的關系

誘導偶極矩與外電場的強度之比為分子極化率分子中兩原子距離最大時，α也最大拉曼散射強度與極化率成正比例關系分子在靜電場E中，極化感應偶極距pp＝αEα為極化率第十三頁，共46頁。1.對不同物質(zhì)Raman位移不同；2.對同一物質(zhì)與入射光頻率無關；是表征分子振-轉(zhuǎn)能級的特征物理量；是定性與結構分析的依據(jù)；3.拉曼線對稱地發(fā)布在瑞利線兩側，長波一側為斯托克斯線，短波一側為反斯托克斯線；4.斯托克斯線強度比反斯托克斯線強；拉曼光譜的特征

第十四頁，共46頁。三.激光Raman光譜儀

laserRamanspectroscopy激光光源：He-Ne激光器，波長632.8nm；

Ar激光器，波長:514.5nm，488.0nm；單色器：

光柵，多單色器；檢測器：光電倍增管，光子計數(shù)器；第十五頁，共46頁。激光器如具有30nm，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(釔鋁石榴石)激光器則在1064nm的近紅外區(qū)使用。試樣室發(fā)射透鏡使激光聚焦在樣品上收集透鏡使拉曼光聚焦在單色儀的入射狹縫單色儀儀器心臟1個光柵，2個狹縫減少雜散收光第十六頁，共46頁。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。第十七頁，共46頁。儀器使用中的注意事項1.保證使用環(huán)境：具備暗室條件；無強震動源、無強電磁干擾；不可受陽光直射。2.光學器件表面有灰塵，不允許接觸擦拭，可用氣球小心吹掉。3.實驗結束，首先取出樣品，關斷電源。4.注意激光器電源開、關機的順序正好相反。第十八頁，共46頁。四、拉曼光譜的應用

ApplicationsofRamanspectroscopy

由拉曼光譜可以獲得有機化合物的各種結構信息：2紅外光譜中，由CN，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。第十九頁，共46頁。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。第二十頁，共46頁。2941，2927cm-1

ASCH22854cm-1

SCH21029cm-1

（C-C）803cm-1環(huán)呼吸

1444，1267cm-1

CH2第二十一頁，共46頁。3060cm-1r-H)1600,1587cm-1c=c)苯環(huán)1000cm-1環(huán)呼吸787cm-1環(huán)變形1039,1022cm-1單取代第二十二頁，共46頁。高分子材料鑒定Nylon6

尼龍Kevlar

合成纖維Pstyrene

聚苯乙烯PETPaper

紙纖維Ppropylene丙烯PE/EVA聚乙烯第二十三頁，共46頁。生物分子鑒定拉曼光譜法對于蛋白質(zhì)中的酪胺酸可以測出它是埋藏在內(nèi)或暴露于外。如果酪胺酸是被埋藏在內(nèi)部，則它可做為強的氫鍵供給者（即提供氫原子給臨近的氫鍵接受者）。此時拉曼光譜上850cm-1/830cm-1的比值為0.5，即830cm-1的光譜峰較高。反之，若酪胺酸暴露在蛋白質(zhì)外部，則比值將升高，亦即850cm-1的光譜峰較高。第二十四頁，共46頁。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。第二十五頁，共46頁。海洛因罌粟堿如果毒品種混有其他白色粉末，怎么辦？第二十六頁，共46頁。五.拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較第二十七頁，共46頁。同同屬分子振(轉(zhuǎn))動光譜異：紅外分子對紅外光的吸收強度由分子偶極距決定異：拉曼分子對激光的散射強度由分子極化率決定紅外：適用于研究不同原子的極性鍵振動－OH,－C＝O，－C－X拉曼：適用于研究同原子的非極性鍵振動－N－N－,－C－C－互補第二十八頁，共46頁。O=C=O對稱伸縮O=C=O反對稱伸縮偶極距不變無紅外活性極化率變有拉曼活性極化率不變無拉曼活性偶極距變有紅外活性拉曼光譜與紅外光譜的關系第二十九頁，共46頁?；ヅ欧▌t：有對稱中心的分子其分子振動對紅外和拉曼之一有活性，則另一非活性互允法則：無對稱中心的分子其分子振動對紅外和拉曼都是活性的。第三十頁，共46頁。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；第三十一頁，共46頁。紅外可見，拉曼不可見拉曼可見，紅外不可見第三十二頁，共46頁。拉曼光譜的優(yōu)點及其應用

一些在紅外光譜中為弱吸收或強度變化的譜帶，在拉曼光譜中可能為強譜帶，從而有利于這些基團的檢出。拉曼光譜低波數(shù)方向的測定范圍寬，有利于提供重原子的振動信息。對于結構的變化，拉曼光譜有可能比紅外光譜更敏感。特別適合于研究水溶液體系。比紅外光譜有更好的分辨率。固體樣品可直接測定，無需制樣。第三十三頁，共46頁。1.共振拉曼光譜RRS

(ResonanceRamanScattering)六.拉曼光譜發(fā)展與聯(lián)用技術

激發(fā)頻率等于或接近電子吸收帶頻率時共振拉曼強度增萬至百萬倍，高靈敏度，宜定量共振，高選擇性可調(diào)染料激光器2.表面增強拉曼光譜SERS

(Surface-EnhancedRamanScattering)

試樣吸附在金屬表面上，增103～106表面與共振聯(lián)用檢測限10-9～1012mol/L第三十四頁，共46頁。表面增強拉曼(SERS)簡介什么是表面增強?

SERS效應是在激發(fā)區(qū)域內(nèi)，由于樣品表面或近表面的電磁場的增強導致的拉曼散射信號極大的增強。怎么得到表面增強?

遠小于激發(fā)波長的金屬顆粒(Au,Ag)會使電磁場增強，增強的電磁場可以使在金屬顆粒表面的分子拉曼信號極大的增強激光激發(fā)了金屬表面的等離子體目前吸附分子產(chǎn)生表面增強拉曼散射的金屬有Ag、Au、Cu、Li、Na、K、In、Al、Pt、Rh、Ni|、Ti、Hg、Cd、Pd等，化合物有TiO2、NiO等第三十五頁，共46頁。針尖增強拉曼光譜技術（TERS）(Tip-enhancedRamanSpectroscopy)

掃描探針技術(SPM)第三十六頁，共46頁。紅外吸收和拉曼共點測量第三十七頁，共46頁。AFM和拉曼光譜儀聯(lián)用第三十八頁，共46頁。SEM和拉曼光譜儀聯(lián)用Sampl