拉曼(Raman)光谱2000

分析测试设备系列讲座拉曼（Raman）光谱法主要内容一、引言二、Raman光谱法的基本原理三、Raman光谱仪的结构1.色散型激光Raman光谱仪2.傅立叶变换激光Raman光谱仪四、Renishaw2000显微Raman光谱仪五、Raman光谱的特点与应用一、引言1.光谱分析方法简介光谱法:电磁波与物质作用时，可能引起分子或原子内部量子化能级跃迁,从而产生发射、吸收或散射现象，通过检测这些光谱的特征波长和强度来对物质进行定性或定量分析的方法.10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm射线x射线紫外光红外光微波无线电波可见光根据物质与电磁辐射相互作用的机理不同光谱分析法发射光谱法吸收光谱法散射光谱法原子发射光谱原子荧光光谱分子荧光光谱红外光谱原子吸收光谱紫外可见分光光度法核磁共振波谱拉曼光谱2.Raman光谱概述1928年，印度科学家Raman发现Raman散射效应60年代激光器诞生,Raman光谱技术得以迅速发展Raman光谱属于分子振动光谱,主要用于分子结构分析.C.V.Raman近年来,各种新的Raman技术不断涌现样品池二、基本原理1.Raman效应当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用时，大部分光子仅是改变了方向，而光的频率保持不变(s=i)，这种散射称为瑞利散射。但也存在很微量的光子(约占10－6～10－10)不仅改变了光的传播方向，而且改变了光波的频率(s=i±)，这种散射称为拉曼散射,其中称为Raman位移,s=i-的散射带为Stokes散射,s=i+的散射带为反Stokes散射。拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换。物质中分子的运动可分为振动、转动和电子运动，则分子能量：rveEEEE上述能量都是量子化的，形成能级。每种分子都有自己特定的组成和结构，因而具有各自的特征能级图。2.分子能级Ee：能级间隔120eV可见和紫外区Ev：能级间隔0.051eV红外区Er：能级间隔0.0010.05eV微波区001212ABE分子能级结构示意图实验发现，Raman位移一般在103500cm-1之间，对应于红外光谱区，表明Raman散射现象与分子振动能级的改变有关。3.Raman散射的量子解释s=i瑞利散射is=i-Stokes散射s=i+反stokes散射室温下，分子多处于基态，故Stokes散射比反Stokes散射强得多E1振动激发态E0振动基态受激虚态Raman位移=（E1-E0)/hc,取决于分子振动能级的改变，与入射光频率无关ssis=i瑞利散射s=i-Stokes散射s=i+反stokes散射E1振动激发态E0振动基态受激虚态不同的化学键或基团有不同的振动形式和能级结构，因此Raman位移是分子结构的特征参数------定性分析的理论依据Raman谱线的强度与入射光的强度及样品分子的浓度成正比----定量分析依据4.Raman散射的经典解释和Raman活性的判据分子在光波交变电磁场作用下发生极化,产生诱导偶极矩:iiEPEP(1)将(2)、(3)、(4)式代入(1)式可得：分子振动时,原子核位置的移动改变了核对电子的吸引力,使得分子的电荷分布即电子云发生形变,这意味着极化率受到分子振动的调制,将极化率按原子核位移的简正坐标Q展开,即:(3)QQ00(2))]2(exp[0rktiEEiiii其中是分子极化率,Ei为入射光波的电场,可表示为:其中)]2(exp[rqtviAQ(4)]})()(2[exp{)]2(exp[0000rqktiEAQrktiEPiiiiii分析：●一个振荡的偶极矩是产生新波动的波源,上式表明散射波中除了频率为i的弹性散射波外,还可能产生频率为的非弹性散射波.i◆s=iks=ki瑞利散射◆s=i-ks=ki-q斯托克斯散射◆s=i+ks=ki+q反斯托克斯散射kiksqkiksq斯托克斯散射(产生一个声子)反斯托克斯散射(吸收一个声子)●Raman活性的判据00Q一个分子是否具有Raman活性,取决于分子在振动时极化率是否改变;即只有能引起分子极化率变化的振动才是Raman活性的.Raman散射取决于分子极化率的变化,即:]})()(2[exp{)]2(exp[0000rqktiEAQrktiEPiiiiii5.Raman光谱与红外光谱的关系从产生机理来看,Raman光谱是分子对激发光的散射，属散射光谱;而红外光谱是分子对红外光的吸收，属吸收光谱.相同点：同属于分子振动光谱，均可用于分子结构分析不同点：从选律来看,分子的非对称性振动和极性基团的振动,会引起分子偶极矩的变化,是红外活性的;而分子对称性振动和非极性基团的振动，会使分子变形，极化率随之变化，是Raman活性的.拉曼光谱适合研究相同原子的非极性键的振动，如C-C，S-S，N-N键等；红外光谱适合研究不同原子的极性键的振动，如C=O，C-H，N-H和O-H等.二者是相互补充的.相互排斥规则：凡具有对称中心的分子，若其分子振动对拉曼是活性的，则其红外就是非活性的。反之，若对红外是活性的，则对拉曼就是非活性的。相互允许规则：凡是没有对称中心的分子，则可能有一些振动对Raman和红外都是活性的。相互禁阻规则：对于少数分子振动，其红外和拉曼光谱都是非活性的。对任何分子可粗略地用下面的原则来判断其拉曼或红外活性：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三、Raman光谱仪结构1.色散型激光Raman光谱仪样品室双单色仪检测器记录仪激光器计算机●结构框图●结构示意图●主要组件采用可调谐激光器，可根据被测物质的特点选择合适的波长。2.单色仪1.激光器：Raman光谱仪通常采用连续波气体激光器,它们的单色性和稳定性较好.最常用有主波长为632.8nm的He-Ne激光器、主波长为514.5nm和488.0nmAr+激光器。激发光波长的选择：（1）Raman散射光的强度和频率的4次方成正比，选用短波长激光可提高信号强度；（2）有些样品受到短波长的激光照射会产生严重的荧光干扰，这时应选用较长波长的激光。------光谱仪的核心.光电倍增管的的灵敏度与入射光波长有关，在长波区即红外和近红外区，其灵敏度下降很多。3.探测器：由于Raman散射光极弱,一般来说,当激发光的功率为1W时,到达探测器的散射光功率仅为10-10—10-11W,甚至更低.因此要求探测放大系统具有高灵敏度和高信噪比.对于可见区的Raman散射光，可用光电倍增管作探测器.光电倍增管应避免强光进入，在Raman测试时，一定要把瑞利线挡住，以免造成过载而烧毁光电倍增管。●结构原理：与傅立叶变换红外光谱仪相类似。整个Raman光谱范围的散射光经干涉仪形成干涉图样，干涉图样经计算机进行傅立叶变换后即可得到Raman强度随位移变化的Raman光谱图。与色散型Raman光谱仪相比，其分析速度大大加快。2.傅立叶变换激光Raman光谱仪●结构示意图:采用Nd-YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器(1064nm).由于其能量低于荧光激发所需阈值,从而避免了荧光对Raman光谱的干扰.不足之处是散射光的强度降低,从而影响了仪器的信噪比.3.探测器:一般采用InGaAs或Ge半导体探测器,费用相对较高.●主要组件：2.Michelson干涉仪:1.近红外激光光源:●主要特点:分析速度快,无荧光干扰,分辨率高.四、Renishaw2000显微Raman光谱仪特点:可以对不均匀样品进行微区分析.Renishaw2000显微Raman谱仪Renishaw2000显微Raman谱仪结构示意图首先通过光学显微镜，得到样品放大的像，以选择待分析区域；通过光束转换装置，将聚焦后的激光束对准待测微区；将微区散射光聚焦于单色仪狭缝，即可得到指定微区的Raman光谱.结构特点:光学显微镜:局部放大自动移动平台:便于微区分析高低温控制系统:可在77~573K范围内实现在线测量激光器:He-Ne激光器(632.8nm)Ke+激光器(532nm)快速分析、鉴别各种无机、有机、生物材料的结构样品需用量很小，微区分辨率可小于2微米对样品无接触、无损伤；制样简单:液态样品一般封装在玻璃毛细管中;固态样品可直接测量适合含水样品局限性：不适于有荧光产生的样品解决方案：改变激光的激发波长；或尝试FT-Raman光谱仪五、Raman光谱的特点及应用主要特点:Raman光谱可获得的信息Raman特征频率材料的组成MoS2,MoO3Raman谱峰的改变加压/拉伸状态每1%的应变，Si产生1cm-1Raman位移Raman偏振峰晶体的对称性和取向用CVD法得到金刚石颗粒的取向Raman峰宽晶体的质量塑性变形的量应用举例：1.在化学、物理和材料科学中的应用测定无机化合物的结构,包括结晶状况(有序性)、晶粒大小及薄膜内应力等；确定同素异构体鉴别有机分子的特殊结构和特殊官能团400450500550600RelativeIntensity/a.u.Ramanshift/cm-11#2#3#400450500550600RelativeIntensity/a.u.Ramanshift/cm-1Si薄膜Raman谱480510520510520IIIIIIc金刚石（sp3)：1332cm-1单晶石墨：1580cm-1碳纳米管：1583cm-1和1355cm-1C60：共有46种振动膜，其中10种是Raman活性的。两个强度较大的峰分别位于1459和1469cm-1碳异构体的Raman谱2.在生物学中的应用由于水的Raman光谱很弱,可用Raman光谱对蛋白质、酶、核酸等生物大分子在接近生物体内环境的水溶液中进行。毒品鉴定3.物证鉴定非法药品、爆炸物及颜料和墨水的鉴定等。4.其它辅助临床病理诊断，珠宝玉石鉴定等