拉曼光谱原理及应用

第四章拉曼光谱RamanSpectroscopy光谱分类原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）、X射线荧光光谱法（XFS）、分子荧光光谱法（MFS）等紫外－可见光法（UV-Vis）、原子吸收光谱（AAS）、红外观光谱（IR）、核磁共振（NMR）等拉曼散射光谱（Raman）一.概述分子振动也可能引起分子极化率的变化，产生拉曼光谱。拉曼光谱不是观察光的吸收,而是观察光的非弹性散射。非弹性散射光很弱，过去较难观测。激光拉曼光谱的出现使灵敏度和分辨力大大提高，应用日益广泛。1928年，印度物理学家C.V.Raman他们在用汞灯的单色光来照射CCl4液体时，在液体的散射光中观测到了频率低于入射光频率的新谱线。在喇曼等人宣布了他们的发现的几个月后，苏联物理学家兰德斯别尔格等也独立地报道了晶体中的这种效应的存在。光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼（Raman）效应。拉曼散射效应的进展1928年，印度物理学家拉曼（C.V.Raman）首次发现曼散射效应，荣获1930年的诺贝尔物理学奖。1928-1940年，拉曼光谱成为研究分子结构的主要手段。因为拉曼光谱喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就是喇曼光谱具有广泛应用的原因。1940-1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等。40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。二.拉曼(Raman)光谱基本原理00透射光入射光散射光散射是光子与分子发生碰撞的结果拉曼光谱是研究分子和光相互作用的散射光的频率Rayleigh散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；Rayleigh散射Raman散射E0基态，E1振动激发态；E0+h0，E1+h0激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.hE0E1V=1V=0h0h0h0h(0+)E1+h0E0+h0h(0-)激发虚态Raman散射:Raman散射的两种跃迁能量差：E=h(0-)产生stokes线；强；基态分子多；E=h(0+)产生anti-stokes线；弱；Raman位移：Raman散射光与入射光频率差；ANTI-STOKES0-RayleighSTOKES0+0h(0+)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0hh0h(0-)设散射物分子原来处于基态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态(Virtualstate)，虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。当外来光子入射到分子时，可以设想分子吸收一个光子后跃迁到一个实际上不存在的虚能级，并立即回到原来所处的基态而重新发射光子，这是瑞利散射。如果分子跃迁到虚能级不回到原来所处基态，而落到另一较高能级发射光子，这个发射的新光子能量hv′显然小于入射光子能量hv，是拉曼散射的斯托克斯线(Stokes)，两光子能量差△E=h△v=h（v-v′）。△v就是拉曼散射光谱的频率位移。反之发射光子频率高于原入射光子频率，为反斯托克斯线(anti-Stokes)。Stockslinesanti-StockeslinesRayleighscatteringCCl4的拉曼光谱斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼谱线。由于在通常情况下，分子绝大多数处于振动能级基态，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。Δν/cm-1拉曼位移（Ramanshift）Δv即散射光频率与激发光频之差。由于拉曼位移Δv只取决于散射分子的结构而与vo无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。适用于分子结构分析与入射光波长无关拉曼光谱图从图中可见，拉曼光谱的横坐标为拉曼位移，以波数表示。其中和分别为Stokes位移和入射光波数。纵坐标为拉曼光强。由于拉曼位移与激发光无关，一般仅用Stokes位移部分。对发荧光的分子，有时用反Stokes位移。0svvvsv0v拉曼是指纹光谱20000150001000050000500100015002000250030003500i=o-(cm-1)50010001500200025003000350020000150001000050000Intensity(A.U.)OHstretchingCH3StretchingModesSkeletalBendingCCOmodesOHBendingCH3andCH2BendingModes甲醇vs.乙醇CH3OHvs.CH3CH2OH拉曼光谱与分子极化率的关系•诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子极化率•分子中两原子距离最大时，α也最大•拉曼散射强度与极化率成正比例关系分子在静电场E中，极化感应偶极距pp＝αEα为极化率1.对不同物质Raman位移不同；2.对同一物质与入射光频率无关；是表征分子振-转能级的特征物理量；是定性与结构分析的依据；3.拉曼线对称地发布在瑞利线两侧，长波一侧为斯托克斯线，短波一侧为反斯托克斯线；4.斯托克斯线强度比反斯托克斯线强；拉曼光谱的特征三.激光Raman光谱仪laserRamanspectroscopy激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm；Ar激光器，波长:514.5nm，488.0nm；单色器：光栅，多单色器；检测器：光电倍增管，光子计数器；激光器如具有30nm，351nm发射线的紫外激光器；Ar激光器一般在488.0nm,514.5nm等可见区发光；而Nd:YaG(钇铝石榴石)激光器则在1064nm的近红外区使用。试样室Ø发射透镜使激光聚焦在样品上Ø收集透镜使拉曼光聚焦在单色仪的入射狭缝单色仪Ø仪器心脏Ø1个光栅，2个狭缝Ø减少杂散收光傅立叶变换-拉曼光谱仪FT-Ramanspectroscopy光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064m）；检测器：高灵敏度的铟镓砷探头；特点：（1）避免了荧光干扰；（2）精度高；（3）消除了瑞利谱线；（4）测量速度快。仪器使用中的注意事项1.保证使用环境：具备暗室条件；无强震动源、无强电磁干扰；不可受阳光直射。2.光学器件表面有灰尘，不允许接触擦拭，可用气球小心吹掉。3.实验结束，首先取出样品，关断电源。4.注意激光器电源开、关机的顺序正好相反。四、拉曼光谱的应用ApplicationsofRamanspectroscopy由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：2红外光谱中，由CN，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。3环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。1同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼谱带，随单键双键三键谱带强度增加。4在拉曼光谱中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-这类键的对称伸缩振动是强谱带，反这类键的对称伸缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。5C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。6醇和烷烃的拉曼光谱是相似的：I.C-O键与C-C键的力常数或键的强度没有很大差别。II.羟基和甲基的质量仅相差2单位。III.与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。2941，2927cm-1ASCH22854cm-1SCH21029cm-1（C-C）803cm-1环呼吸1444，1267cm-1CH23060cm-1r-H)1600,1587cm-1c=c)苯环1000cm-1环呼吸787cm-1环变形1039,1022cm-1单取代高分子材料鉴定1000080006000400020000500100015002000250030003500Nylon6尼龙Kevlar合成纤维Pstyrene聚苯乙烯PETPaper纸纤维Ppropylene丙烯PE/EVA聚乙烯生物分子鉴定拉曼光谱法对于蛋白质中的酪胺酸可以测出它是埋藏在內或暴露于外。如果酪胺酸是被埋藏在內部，則它可做为强的氢键供给者（即提供氢原子給临近的氢鍵接受者）。此时拉曼光谱上850cm-1/830cm-1的比值为0.5，即830cm-1的光谱峰较高。反之，若酪胺酸暴露在蛋白质外部，則比值将升高，亦即850cm-1的光谱峰较高。从图中可以看出，不同的碳材料其拉曼光谱不同，因此可以彼此区分。海洛因罂粟碱如果毒品种混有其他白色粉末，怎么办？五.拉曼光谱与红外光谱分析方法比较拉曼光谱红外光谱光谱范围40-4000Cm-1光谱范围400-4000Cm-1水可作为溶剂水不能作为溶剂样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器中直接测定不能用玻璃容器测定固体样品可直接测定需要研磨制成KBR压片同同属分子振(转)动光谱异：红外分子对红外光的吸收强度由分子偶极距决定异：拉曼分子对激光的散射强度由分子极化率决定红外：适用于研究不同原子的极性键振动－OH,－C＝O，－C－X拉曼：适用于研究同原子的非极性键振动－N－N－,－C－C－互补O=C=O对称伸缩O=C=O反对称伸缩偶极距不变无红外活性极化率变有拉曼活性极化率不变无拉曼活性偶极距变有红外活性拉曼光谱与红外光谱的关系互排法则：有对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼之一有活性，则另一非活性互允法则：无对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼都是活性的。红外与拉曼谱图对比红外光谱：基团；拉曼光谱：分子骨架测定；红外可见，拉曼不可见拉曼可见，红外不可见HClClHCCsCCasCCsCC拉曼光谱的优点及其应用v一些在红外光谱中为弱吸收或强度变化的谱带，在拉曼光谱中可能为强谱带，从而有利于这些基团的检出。v拉曼光谱低波数方向的测定范围宽，有利于提供重原子的振动信息。v对于结构的变化，拉曼光谱有可能比红外光谱更敏感。v特别适合于研究水溶液体系。v比红外光谱有更好的分辨率。v固体样品可直接测定，无需制样。1.共振拉曼光谱RRS(ResonanceRamanScattering)六.拉曼光谱发展与联用技术Ø激发频率等于或接近电子吸收带频率时共振Ø拉曼强度增万至百万倍，高灵敏度，宜定量Ø共振，高选择性Ø可调染料激光器2.表面增强拉曼光谱SERS(Surface-EnhancedRamanScattering)Ø试样吸附在金属表面上，增103～106Ø表面与共振联用检测限10-9～1012mol/L表面增强拉曼(SERS)简介•什么是表面增强?SERS效应是在激发区域内，由于样品表面或近表面的电磁场的增强导致的拉曼散射信号极大的增强。•怎么得到表面增强?远小于激发波长的金属颗粒(Au,Ag)会使电磁场增强，增强的电磁场可以使在金属颗粒表面的分子拉曼信号极大的增强激光激发了金属表面的等离子体目前吸附分子产生表面增强拉曼散射的金属有Ag、Au、Cu、Li、Na、K、In、Al、Pt、Rh、Ni|、Ti、Hg、Cd、Pd等，化合物有TiO2、NiO等针尖增强拉曼光谱技术（TERS）(Tip-enhancedRamanSpectroscopy)扫描探针技术(SPM)红外吸收和拉曼共点测量AFM和拉曼光谱仪联用SEM和拉曼光谱仪联用Sample(x,y,z)SEElectronbeamDeflectioncoilBEScanningmoduleHJYspectrometerCCDBE:Back-scatteredelectronsSE:SecondaryelectronsTCSPC(时间分辨荧光光谱)系统和拉曼光谱仪耦合•单量子点•半导体•生物医学实例分