Raman拉曼光谱

激光拉曼光谱●拉曼(Raman)光谱与红外光谱(IR)均属分子振动光谱,均是研究分子振动能级的跃迁.二者得到的信息相互补充,是有机官能团鉴定及物质微观结构研究的两种常用方法.●但就原理而论,红外光谱与拉曼光谱有很大差别.前者是吸收光谱,后者为散射光谱.一束光通过样品时,可能发生透射(吸收)、反射,也可能发生散射,其中有一种散射为拉曼散射,它与样品分子的振动能级相关,反映了分子的微观结构.●由于光谱产生的原理不同,故拉曼光谱在分析方法和适用范围等方面与红外光谱相比,有其独到之处.第一节概述1928年,印度物理学家Raman首次发现Raman散射效应,1930年获诺贝尔奖.但由于拉曼散射光仅为入射光强的10-10,当时所用光源强度不高,产生的拉曼效应太弱,故很快被红外光谱所取代.C.V.Raman●拉曼光谱的发展20世纪60年代起,随着激光技术的飞速发展,引入新型激光作为激发光源,使得拉曼光谱技术获得迅速发展(激光拉曼光谱).相继出现了一些新的拉曼光谱技术,如共振拉曼光谱法,表面增强拉曼光谱法,非线性拉曼光谱法,快速扫描拉曼光谱法等.目前拉曼光谱技术已在化学化工,半导体电子,聚合物,生物医学,环境科学等各领域得到广泛应用.光的吸收自发辐射跃迁E2E1由于许多原子各自地进行自发辐射，所以发出的光，方向不同，初相位也不相同，相干性差。自发辐射第二节激光基础知识(了解)huE2E1受激辐射当一个具有hu21能量的光子照射到处于激发态E2的原子上,它就诱使(带动)原子从E2跃迁到E1,同时辐射出一个与入射光子频率、位相、传播方向完全一致的光子。●原子系统中各发光中心是相互关联的，相干性●发生1次受激辐射，光子数目增加1倍，受激放大激发态原子数大于基态原子数的现象，称为粒子数反转分布。处于粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。当光通过增益介质时，光就被放大。I＝I0exp(GL)I和I0－分别为初始和增益后的光强G－增益系数；L－工作物质长度粒子数反转激光振荡与激光器激光器示意图1234全反射镜部分反射镜激励能源工作物质光在工作物质两端的反射镜间来回反射，光程增长，受激发射光强增大，产生雪崩式的光放大作用。产生激光振荡的一个重要条件：两个反射镜之间的光必须是驻波，波节在两个反射镜处。激光器的选频作用激光的特性:单色性好，相位一致，方向性好，亮度高第三节激光拉曼光谱原理一、光的散射光散射是自然界常见的现象.当一束光照射介质时,除被吸收之外,大部分被反射或透过,另一部分光被介质向四面八方散射.在散射光中,大部分是瑞利散射,小部分是拉曼散射.瑞利散射:弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；频率不发生改变的辐射散射(u=u0)；强度与l0的四次方成反比拉曼散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；频率发生改变的辐射散射(u=u0△u)光的散射光的散射样品池透过光λ不变瑞利散射λ不变拉曼散射λ变λ增大λ减小二、拉曼散射的产生h△受激虚态h0振动激发态基态h0h0h0h(0+△)h(0-△)h0h0Stokes线0-0+0Anti-stokes线Rayleigh线分子的散射能级图样品分子中的电子首先被一个频率为0的光子激发至受激虚态(准激发态,不稳定),当电子从虚态跃迁回基态时,将发射频率为的光子.瑞利散射：光子与分子间无能量交换瑞利线=0拉曼散射：●分子由基态跃迁到激发态斯托克斯线=0-△●分子由激发态跃迁到基态反斯托克斯线=0+△△－拉曼位移分子在光电场E中,产生诱导偶极矩即感应偶极矩=E为极化率在分子振动过程中,若其诱导偶极矩发生变化,则分子会与入射光子进行能量交换,产生拉曼光谱。拉曼光谱的产生源于分子振动过程中诱导偶极矩的变化■是衡量分子在电场作用下发生极化的难易程度■分子中两原子距离最大时，也最大■只有引起极化率变化的分子振动才产生拉曼散射(光谱选律)■拉曼散射强度与极化率成正比例关系从光的波动性分析拉曼散射的产生：三、拉曼光谱图与拉曼位移四氯化碳的部分拉曼光谱图激光器辐射波长l0=488nm•瑞利线强度最大,△=0•斯托克斯线和反斯托克斯线对应，完全对称地分布于瑞利线两侧。•反斯托克斯线比斯托克斯线弱得多,一般记录的拉曼光谱只取斯托克斯线,且略去负号.拉曼光谱图以散射强度为纵标，拉曼位移为横标，瑞利线位置为零点。一幅完整的拉曼光谱包括瑞利线，斯托克斯线，反斯托克斯线。●表征分子振-转能级的特征物理量●对不同物质：不同●对同一物质：与入射光频率无关拉曼位移(Ramanshift)散射光频率与激发光频率之差：=|0–s|受激虚态h0振动激发态基态h0h0h0h(0+△)h(0-△)h0h0拉曼位移是拉曼光谱法进行结构与定性分析的依据h△■全对称振动（各向同性）：p~0■非对称振动（各向异性）：p介于0到3/4之间■p值越小，分子振动对称性越高在入射激光的垂直与平行方向置偏振器，分别测得散射光强，则退偏度：p=I⊥/I‖四、退偏度CCl4的拉曼偏振光谱■459cm-1所对应的振动，ρp~0，各向同性■314和218cm-1所对应的振动，ρp较大，为各向异性例：四氯化碳的拉曼偏振光谱第四节拉曼光谱与红外光谱的比较拉曼光谱与红外光谱均起源于分子的振动和转动。但产生两种光谱的机理有本质的区别。红外光谱是分子对红外光源的吸收所产生的光谱，拉曼光谱是分子对可见光（在FT-Raman中可选用近红外光）的散射所产生的光谱。拉曼散射h0h(0+)h(0-)受激虚态h入射散射E0E1h红外吸收同一振动模的拉曼位移和红外吸收光谱的频率是一致的。用相对于瑞利线的位移表示的拉曼光谱波数与红外光谱的波数相一致。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－，C＝C互补拉曼光谱与红外光谱●红外活性振动：伴有偶极矩变化的振动●拉曼活性振动：伴随有极化率变化的振动对称分子：对称振动→拉曼活性。不对称振动→红外活性拉曼光谱与红外光谱互排法则：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。拉曼光谱与红外光谱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对称中心分子CO2，CS2等，选律不相容。无对称中心分子（例如SO2等），三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。SCSSCSSCS1234拉曼活性红外活性红外活性线型分子CS2振动自由度：3N-5=4拉曼光谱—源于极化率变化红外光谱—源于偶极矩变化;拉曼光谱与红外光谱分析方法的几点比较拉曼光谱红外光谱光谱范围40～4000cm-1光谱范围一般400～4000cm-1(FT-IR:可包括中红外和远红外区，即4000~10cm-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压片相对于红外光谱，拉曼谱峰较尖锐，很少有重叠，且几乎没有倍频和组合频，谱图较简单。激光Raman光谱仪的基本构造发射透镜收集透镜第五节激光拉曼光谱的应用一、有机化合物的结构分析（P49~51）●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。●环化合物有一很强的拉曼谱带(环呼吸振动)，其频率由环的大小决定。●同种分子的非极性键S-S，C-C，N-N产生强拉曼谱带，随单键双键三键谱带强度增加。一般而言，拉曼光谱适于测定有机分子的骨架，而红外光谱适于测定有机分子的端基。●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，这类键的反对称伸缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。●C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。●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谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。C-H弯曲举例1：AsymmetricC-HStretchSymmetricC-HStretchC≡CStretch举例2：乙炔的红外和拉曼光谱SCH2：2941，2927，2854cm-1（C-C）：1029cm-1环呼吸：803cm-1CH2：1444，1267cm-1举例3：环己烷的拉曼光谱CH脂肪族CH芳族芳族C=C单取代苯环呼吸环变形举例4：苯甲醚的拉曼光谱在Raman光谱中没有C-O伸缩振动谱带，而它是红外光谱的显著特征（芳烷基醚：1000~1300cm-1区间两个中等强度的吸收峰）。CCCNCNNH2NH2分子结构的几何构型（P51）结构分析：H4C4N4拉曼C=C1623cm-1强红外C=C1621cm-1强＝1＋n4＋(n3－n1)/2＝5拉曼光谱与红外光谱配合，对于鉴定顺反异构体常常是非常有效的。二、拉曼光谱在催化研究中的应用作为与红外光谱互为补充的一种谱学表征手段，激光拉曼光谱尤其在氧化物体系的研究中发挥更为有效的功能。在中低频红外区，通常用作催化剂担体的氧化物，如Al2O3、SiO2等，有很强的吸收，拉曼散射信号很弱，而作为活性组分的一些过渡金属氧化物，如MoO3、WO3、V2O5、NiO、Cr2O3、Re2O7等，即使担载量很少，也具有明显的特征拉曼谱带。因此，激光拉曼光谱对于表征这些氧化物催化剂的表面相结构非常灵敏。1.催化剂表面结构的研究Mo/Al2O3催化剂的Raman表征Ramanshift/cm-1Ramanshift/cm-1110℃干燥500℃焙烧Mo/Al2O3的拉曼光谱360995941819667896干燥后，Mo物种以七钼酸盐物种（360,896,941cm-1）存在。焙烧后，高负载量时有晶体MoO3（667,819,995cm-1）生成。结果表明，在低负载量时即有聚集态Mo物种存在。随负载量提高，其聚集度逐渐增大。举例：Mo/Al2O3催化剂的拉曼光谱表征20040060080010001200O=V(-O-Si)3V2O5.............................................1V/SiO2103599369052547540512V/SiO29V/SiO26V/SiO23V/SiO2SiO2Ramanshift/cm-1280Intensity/a.u.举例：V/SiO2催化剂的拉曼光谱表征分立的VO4物种多钒酸盐物种V2O5晶相钒负载量增加V/SiO2催化剂的Raman表征2.催化剂表面吸附物种及催化反应机理的研究氨合成铁催化剂A110-3在N2/3H2气体体系下的拉曼光谱拉曼光谱可用于反应条件下催化剂表面吸附物种的检测，从而推测催化反应机理。如对于氨合成铁催化剂A110-3在N2/3H2原位拉曼光谱的研究，表明其催化反应途径可能以N2的化学吸附及其与化学吸附H的加氢反应为速度控制步骤。因为没有观察到可能归属于uFe-N(1088cm-1)和uFe-NH(890cm-1)峰，故按解离机理的反应可能为次要反应。Fe-N:423,443Fe-N2(吸附活化的N≡N）:1940，2040Fe-H:1951三、拉曼光谱在生物化学中的应用拉曼光谱技术已成功应用于测定诸如氨基酸、糖、胰岛素、激素、核酸、DNA等生化物质。①绝大多数生化样品都溶于水，而水的拉曼散射散射强度极弱；②样品用量少。激光光束可聚焦至很小范围，测定样品用量可低至几微克，并在接近于自然状态的极稀浓度下测定生物分子的组成、构象和分子间的相互作用等问题。第六节其它类型的拉曼光谱法一、共振拉曼散射正常的拉曼散射是样品分子中的电子首先被一个入射光子激发至“虚态”，再由“虚态”跃迁回基态或振动激发态而发射出光子。若