红外光谱和拉曼光谱的联系和区别

w物理与工程红外光谱和拉曼光谱的联系和区别杨金梅张海明王旭王彩霞秦飞飞天津工业大学理学院，天津摘要文章综述红外光谱和拉曼光谱的基本原理、产生条件，讨论二者之间的联系和区别：红外光谱常用于研究极性基团的非对称振动；拉曼光谱常用于研究非极性基团与骨架的对称振动；（拉曼光谱一次可以同时覆盖—波数的区间，可对有机物及无机物进行分析；（拉曼光谱可测水溶液，而红外光谱不适用于水溶液的测定；（拉曼光谱中既有红外光谱解析中的定性三要素还有去偏度，通过测定，可以确定分子的对称性这两者在应用中互补，掌握和运用这两种光谱技术在分子定性、定量、分子结构及表面形态等研究方面具有一定的指导意义关键词红外光谱；拉曼光谱；基本原理；联系；区别：；，；；；；；；红外光谱和拉曼光谱是研究分子结构及组者常常在一起，共同用于完成一个物质分子结构态、物质成分鉴定和结构分析的有力工具，由于具的完整分析通常，红外光谱适用于分析干燥的有无损伤、灵敏度高和时间短等特点，在物理、化非水样品，拉曼光谱适合于含水的生物系统分析学、生物学、矿物学、考古学和工业产品质量控制等领域中得到了广泛的应用’在物质结构分析岭口收稿日期：第稿收稿日期：中，极性基团如、及具有强的红外金项目：天津工业大学学位与研究生教育改革研究项目延伸振动，而非极性基团如及具作者简介：杨金梅女，硕士研究生，主要从事低维半导体纳米结构，研究方向为纳米荧光增强效应物理与工程本文就红外光谱和拉曼光谱的基本原理、产生条根据式（、（和（可知，影响分子振动频件以及二者之间的联系和区别进行归纳总结率的直接因素是相对原子质量和化学键力常数化学键力常数越大、原子折合质量越小，则化学红外光谱的基本原理键的振动频率越高，吸收峰将出现在高波数区对于多原子分子，由于一个原子可能同时与当电磁辐射与物质分子相互作用时，其能量几个其他原子形成化学键，它们的振动相互牵连，与分子的振动或转动能量差相当时，引起分子由不易直观地加以解释，但可以把它的振动分解为低能级向高能级发生跃迁，结果使某些特定波长许多简单的基本振动，即简正振动一般将振动形的电磁辐射被物质分子所吸收，测量在不同波长式分成两大类：伸缩振动和弯曲振动伸缩振动处的辐射强度就得到了红外吸收光谱分子吸是指原子沿键轴方向伸缩使键长发生周期性变化收红外辐射后发生振动能级和转动能级的跃迁，而键角不变的振动弯曲振动又称变形振动，指基因而红外光谱又称为分子振动转动光谱团键角发生周期变化而键长不变的振动分子不是一个刚体，分子中原子以平衡点为红外光丨普产生的条件中心，以非常小隨幅作卿《动用经典力分子的每个基本議制应于定的振动频方法可把最简单的双原子分子麵动形式用两个性小球的弹簧振动雑拟，細所示夂纟卜辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量只—■—有当照射分子的红外辐射频率与分子某种振动方“式的频率相同时，分子吸收能量后，可从基态振动能级跃迁到较高能量的振动能级，从而在图谱上；出现相应的吸收带（只有能使偶极矩发生变化双原子分子振动示意图的振动形式才能吸收红外辐射因为这种振动使根据虎克定律，分子简谐振动的频率计算公⑶’胃可与红夕卜辐射的电磁场相互作用的电磁场对称分子，没有偶极矩变化，辐射不能引起共振，因而是非红外活⑴性，如：、、非称分子，有偶极矩变“化，是红外活性“基团振动与红外光谱区域式中，々是化学键力常数，反映化学键强弱，键对根据各种基团都有特征的红外吸收频率的特变形、伸展运动的阻力是双原子分子的折合质点，红外光谱可分为两大重要区域’量；叫、分别代表两个小球的质量的高波数段基频区和—以下的对于任意两个相邻的能级间的能量差和波数分另丨〗为基频区（—基频区又称特征区或官能团区，它是化学键和基团的特征振动频率区，其吸收光谱反映分子！！—中特征基团的振动，特征吸收峰可作为鉴定基团的依据可分为以下几个区域（见表表基频区划分名称波数—跃迁类型伸缩代表、、、等原子如饱和烃伸缩振动在以下，不饱和烃（包括烯烃、炔烃、振动区芳烃）伸缩振动在以上三键及累该区域红外光谱较少，主要包括、三键和、等累积双键区的不对称积双键区伸缩振动物理与工程续表名称波数—跃迁类型双键伸缩该区主要是、、、等的伸缩振动和苯环的骨架振动，以及芳香族化合物的倍振动区频谱带弯曲该区包括、等的弯曲振动如甲基在出现一个很特征的弯曲振动吸收振动区峰，这个吸收峰的位置很少受取代基的影响，可用作判断甲基存在的依据指纹区（响如物态效应、溶剂效应等指纹区的吸收峰是由、、单键的伸缩振动以及分子骨架中的多数基团的弯曲振动拉曼光谱的基本原理引起的由于各种单键的强度大体相同，相邻单键之间的相互作用，使得这个区域内的吸收光谱对当单色光照射至物质上时，光会发生散射，其结构上的微小变化非常敏感，只要在化学结构上中大部分散射光的频率与人射光频率。相同，这存在细小的差异如同分异构体、同系物和空间构种散射称为瑞利散射但也有一小部分散射光的象等），在指纹区就有明显的反映如利用该区的频率不同于人射光的频率，这种散射称为拉曼散吸收峰与区域苯环的面外弯射经典电磁理论认为，拉曼散射是分子中的原子曲振动吸收峰相结合，可以确定苯环的取代类型振动对感生电偶极矩周期性变化所产生的调制结在红外分析中，通常一个基团有多个振动形果设人射光场为式，同时产生多个谱峰基团特征峰及指纹峰），各。。类谱峰之间相互依存、相互佐证通过一系列的谱则分子因光场作用获得的感生电偶极矩为峰才能准确确定一个基团的存在。：式中，为极化率若为不随时间变化的常数，红外光谱进行定性分析的依据是组成分子的以人射光频率。作周難变化，由此散射光各种基团（如等）的讓軸是。，这就是瑞利散射若分子以固有频伸缩、振动、转动等）都有它固定的振动频率，而令口丨十山丨、丨伽丨丨率振动，促使极化率也以作周期性变化，则红外光谱反映隨是这些基麵化学贿物腳’職職彳；质对红外辐射的吸收强度与物质含量的关系符合朗伯比尔定律：将式和式代人式得—‘式中，是吸光度；是透射光的强度；。是人射工光的强度；了是透射比（或称透光度）；是比例常数，与入射光的波长、物质的性质和溶液的温度。一等因素有关；是液层厚度；是吸光物质的浓度，式（显示，感生电偶极矩的变化频率有。和士因此可用于定量分析’三种，邱对应拉曼光谱中的瑞利散射，对影响基团频率位移的因素应拉曼光谱当分子固有频率不止一个时，则得到组成分子的各种基团都有自己特定的红外特不止一对拉曼谱线然而，经典电磁理论对拉曼散征吸收峰不同化合物中，同一种官能团的吸收振射的解释不完整，特别是它不能解释为何反斯托动总是出现在一个窄的波数范围内，具体出现在克斯线的强度比斯托克斯线要弱得多这一实验事哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关实，完整的解释要用量子理论影响基团吸收谱带的内部结构因素主要有诱按照量子力学，当频率为的人射光子通过导效应、共轭效应、氢键效应，此外还有空间效应、介质时，将与分子发生碰撞，而拉曼散射是光子与耦合效应等（外部环境因素对吸收峰位置的影分子之间的非弹性碰撞过程图中用和￡■物理与工程表示分子的两个振动能级产生拉曼散射的跃迁是拉曼光谱对物质分子定性与结构分析的依需要经过虚能级的过渡，虚能级不是真据在一定条件下，拉曼散射光的强度与物质浓实的能级，它是分子在散射过程中可经历的一种度成正比，因此可用于物质的定量分析，但拉曼频中间能态，位于某个真实能级￡的下面，特别不稳移主要用于分子结构分析定，粒子处于这个能量状态的时间极为短暂光谱参数去偏度厂光谱分析中一般只用两个基本参数，即波数和强度对于拉曼光谱分析还有一个参数——去偏度…一般溶液和气态介质中，分子的取向是无‘规则的，在完全偏振人射光作用下，所产生的散射°不是完全偏振的，这就是散射光的去偏为了描述去偏程度，引人了散射光去偏度概念通过去偏度，；的测定可以确定分子的对称性厂值越小，分子的厂⑷斯托克斯线（反斯托克斯线对称性越高图拉曼散射红外光谱和拉曼光谱的联系与区别当人射光子如。和处于低能级的分子作用时，可以使分子向上跃迁到虚能级￡，再向下红外光谱与拉曼光谱同属于分子振动光谱，跃迁到高能级￡，发出散射光子，则但红外光谱是吸收光谱，拉曼光谱是散射光谱，二￡者机制不同，但互为补充红外光谱和拉曼光谱的一联系和区别具体如下：（红外光谱常用于研究这就是拉曼散射的斯托克，线，如图所示如极性基团的非对称振动；拉曼光谱常用于研究非果人射光子知。和处于高能级的分子作用，使极性基团与骨架的对称振动红外吸收弱或无吸之向上跃迁到虚能，再向下跃迁到低能级收的官能团在拉曼散射谱中均有强峰；反之，拉曼发出散射光子“，则散射峰弱则红外吸收强例如，许多情况下￡伸缩振动的拉曼谱带比相应的红外谱带较为强—化一烈的伸缩振动的红外谱带比相应的拉曼谱这是拉曼散射的反斯托克斯线，如图所—、《：带更为显著（拉曼光谱一次可以同时覆盖般处于高能级的分子数较低能级的少，所以斯托——工‘‘、—旦—波数的区间，可对有机物及无机物进仃分析若让红外光谱覆盖相酬区间则必须改变光谱仅般记录斯托克斯线，光谱范围为光栅、光束分离器、滤波器和检测器⑶拉曼光谱可测水溶液，而红外光谱不适用于水溶液的测定‘：极；胜■■糖对能产生拉曼散射对于非极性全对称振动模式的分子，强度和峰形〉对拉曼光：曰，析也适用士拉光在激发光刊細下錢胜好极化，产生巾还有錢度贿可以如分子的对拉曼活性，而且活性很强，而对于离子键的化合物，由于没有分子极化，故不能产生拉曼活性定性和定量分析拉曼散射光频率与入射光频率之差称为拉曼频移，单位为拉曼频移与物质分子的红外光谱和拉曼光谱都是一种无损分析技振动转动能级有关，不同物质分子有不同的振动术，具有非破坏性、检测灵敏度高和时间短等特转动能级，因而有不同的拉曼频移对于同一物点，是分析科学领域的研究热点本文综述了红质，使用不同频率的人射光，则会产生不同频率的外光谱和拉曼光谱的基本原理、产生条件以及二者拉曼散射光，但拉曼频移值一定因此，拉曼频移（下转第页）w,物理与工程圆盘对中心轴上点的电场强度大小一、“。〒。）由于圆盘为有限大小，讨论圆盘垂直轴上远近不同点处的电场强度大小的变化，可将圆盘半径作为比较的空间尺度，由式（，若分别取图不均匀带电导体圆盘轴线上电势的计算四种情形，可得弱”的现象，有助于引导学生建立数值概念，切实体会电荷与空间电场强度的数值关系，有效提升—学生对于电荷产生电场强度的平方反比律的基本°‘空间特征认识，对促进学生理解电场强度大小的工程意义和其他类似的相关物理问题均具有积极音女丄尺可以看出，由于轴对称性，圆盘对轴上由近到远不同点的电観度大小以半径的二次方反比律線华谋膝高等教育出版社’衰减，在距离圆盘中心为只和处，电过祥龙，董慎行，晏世雷基础物理学上版苏州：场强度的大小分别衰减至处的约和苏州大学出版社图为计算示意图邝向军，廖旭共轴均勻带电薄圆盘间的作用力物理与从上述两个例子可知，对不同范围的电场强工程，，度大小进行数值比较，可很好地阐明“近场强远场■上接第页）之间的联系和区别，对现实中掌握和运用这两种吕九如，张志琪万家亮，等分析化学版北京：髙光谱技术在分子定性、定量、分子结构及表面形态’张欣，方延平外技术的物基础及其军事用等研究方面具有一定的指导意乂、理与工程，，张秀萍，何书美红外光谱在定量分析中的应用分析科学学报，胡军，胡继明拉曼光谱在分析化学中的应用进展分析化学，：马靖，林斯乐，黄蓉苯的激光拉曼光谱研究物理与工程，，：陆峰，吴玉田，柴逸峰食品（药品）安全时代的分子光谱法，，生命科学仪器，：：■：