激光拉曼光譜法課件

激光拉曼光譜法

LaserRamanspectroscopy

一、激光拉曼法光譜概述二、激光拉曼光譜原理三、激光拉曼光譜儀四、激光拉曼光譜分析法的應(yīng)用激光拉曼光譜法

LaserRamanspectrosco*一、激光拉曼光譜法概述Rayleigh散射：彈性碰撞：無(wú)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

h

E0E1υ=1υ=0h0h0h0h0+

E1+h0E0+h0h(0-

)激發(fā)虛態(tài)E0基態(tài)，E1振動(dòng)激發(fā)態(tài)；E0+h0，

E1+h0激發(fā)虛態(tài)。*一、激光拉曼光譜法概述Rayleigh散射：Rayleig*TheNobelPrizeinPhysics1930“forhisworkonthescatteringoflightandforthediscoveryoftheeffectnamedafterhim”SirChandrasekharaVenkataRaman(1888–1970)CalcuttaUniversity

Calcutta,India

1928年印度物理學(xué)家Raman發(fā)現(xiàn)，1930年獲諾貝爾獎(jiǎng)，1960年快速發(fā)展*TheNobelPrizeinPhysics19*拉曼（C.V.Raman）于1928年首次發(fā)現(xiàn)的。1928~1940年，受到廣泛的重視，曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。這是因?yàn)榭梢?jiàn)光分光技術(shù)和照相感光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的緣故；1940~1960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)槔?yīng)太弱（約為入射光強(qiáng)的10-6），并要求被測(cè)樣品的體積必須足夠大、無(wú)色、無(wú)塵埃、無(wú)熒光等等。所以到40年代中期后，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落；拉曼散射效應(yīng)的進(jìn)展：*拉曼（C.V.Raman）于1928年首次發(fā)現(xiàn)的。*1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。這是由于激光器輸出的激光具有很好的單色性、方向性，且強(qiáng)度很大，因而它們成為獲得拉曼光譜的近乎理想的光源，特別是連續(xù)波氬離子激光器。于是拉曼光譜學(xué)的研究又變得非?；钴S了，其研究范圍也有了很大的擴(kuò)展。隨探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和對(duì)被測(cè)樣品要求的降低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受研究者的重視。除擴(kuò)大了所研究的物質(zhì)的品種以外，在研究燃燒過(guò)程、探測(cè)環(huán)境污染、分析各種材料等方面拉曼光譜技術(shù)也已成為很有用的工具。*1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。這是由于*拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)提供快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、且更重要的是無(wú)損傷的定性定量分析，它無(wú)需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過(guò)光纖探頭或者通過(guò)玻璃、石英、和光纖測(cè)量。此外

1、由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。

2、拉曼一次可以同時(shí)覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對(duì)有機(jī)物及無(wú)機(jī)物進(jìn)行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測(cè)器

*拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)提供快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、且更重要的是無(wú)損*3、拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。

4、因?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對(duì)常規(guī)紅外光譜一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。

5、共振拉曼效應(yīng)可以用來(lái)有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。

*3、拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、以*1瑞利散射與拉曼散射光線通過(guò)試樣，透射仍為主體波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于粒徑，小部分散射散射：僅改變方向，波長(zhǎng)不變。彈性碰撞無(wú)能量交換瑞利散射λ不變垂直方向觀測(cè),原波長(zhǎng)兩側(cè)還有散射光非彈性碰撞，有能量交換，波長(zhǎng)有變化拉曼散射λ變二、拉曼光譜原理

（一）Raman散射與Raman位移*1瑞利散射與拉曼散射光線通過(guò)試樣，透射仍為主體散射：僅改*1.Raman散射Raman散射的兩種躍遷能量差：

E=h(0-

)產(chǎn)生stokes線；強(qiáng)；基態(tài)分子多。

E=h(0+

)產(chǎn)生反stokes線；弱。Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差。Raman散射與Raman位移*1.Raman散射Raman散射與Raman位移*2.Raman位移

(1)對(duì)不同物質(zhì)：不同。

(2)對(duì)同一物質(zhì)：與入射光頻率無(wú)關(guān)；表征分子振-轉(zhuǎn)能級(jí)的特征物理量；定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)；分子振-轉(zhuǎn)光譜；與紅外光譜互補(bǔ)。

(3)Raman散射的產(chǎn)生：光電場(chǎng)E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩，即

=E

分子極化率，分子電子云分布改變的難易程度。*2.Raman位移(1)對(duì)不同物質(zhì)：*Δν=|ν0–νs|,即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。Δv取決于分子振動(dòng)能級(jí)的改變，所以他是特征的。適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)*Δν=|ν0–νs|,適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入*3.紅外活性和拉曼活性振動(dòng)①紅外活性振動(dòng)

ⅰ.永久偶極矩；極性基團(tuán)。

ⅱ.瞬間偶極矩；非對(duì)稱分子。

紅外活性振動(dòng)-伴有偶極矩變化的振動(dòng)可以產(chǎn)生紅外吸收譜帶。②拉曼活性振動(dòng)

誘導(dǎo)偶極矩

=E

非極性基團(tuán)，對(duì)稱分子。

拉曼活性振動(dòng)-伴隨有極化率變化的振動(dòng)。

對(duì)稱分子：對(duì)稱振動(dòng)→拉曼活性。不對(duì)稱振動(dòng)→紅外活性Eeer*3.紅外活性和拉曼活性振動(dòng)①紅外活性振動(dòng)紅外活性振動(dòng)*(二)

Raman光譜CCl4的Ramam光譜圖

*(二)Raman光譜CCl4的Ramam光譜圖*1.Raman光譜特點(diǎn)(1)拉曼光譜記錄的是stoke線。(2)測(cè)量相對(duì)單色激發(fā)光頻率的位移。

把入射光頻率位置作為零，頻率位移(拉曼位移)的數(shù)值正好對(duì)應(yīng)于分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷的頻率。(3)激發(fā)光是可見(jiàn)光，在可見(jiàn)光區(qū)測(cè)分子振動(dòng)光譜。(4)拉曼光譜中的基團(tuán)振動(dòng)頻率和紅外光譜相同。

酮羰基的伸縮振動(dòng)在紅外光譜中位于1710cm-1附近，而拉曼光譜中總在（1710土3）cm-1。

*1.Raman光譜特點(diǎn)(1)拉曼光譜記錄的是stoke*2拉曼光譜的譜圖特征由拉曼光譜可以獲得有機(jī)化合物的各種結(jié)構(gòu)信息：2）紅外光譜中，由C≡N，C＝S，S—H伸縮振動(dòng)的譜帶較弱或強(qiáng)度可變，而拉曼光譜中則是強(qiáng)譜帶。3）強(qiáng)極性基團(tuán)在拉曼中是弱譜帶如極性基因C＝O在紅外中是強(qiáng)譜帶，而在Raman中是弱譜帶。

1）同種原子非極性鍵S—S，C＝C，N＝N，C≡C,強(qiáng)拉曼譜帶，隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強(qiáng)度增加。*2拉曼光譜的譜圖特征由拉曼光譜可以獲得有機(jī)化合物的各種*4）環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(dòng)常常是最強(qiáng)的拉曼譜帶。形成環(huán)狀骨架的鍵同時(shí)振動(dòng)。5）在拉曼光譜中，X＝Y(jié)＝Z，C＝N＝C，O＝C＝O這類鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)是強(qiáng)譜帶，反之，非對(duì)稱伸縮振動(dòng)是弱譜帶。紅外光譜與此相反。6）C—C伸縮振動(dòng)譜帶在拉曼光譜中強(qiáng)，紅外光譜中弱。*4）環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(dòng)常常是最強(qiáng)的拉曼譜帶。形成環(huán)狀*7）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(qiáng)度沒(méi)有很大差別。

II.

羥基和甲基的質(zhì)量?jī)H相差2單位。

III.與C—H和N—H譜帶比較，O—H拉曼譜帶較弱。*7）醇和烷烴的拉曼光譜是相似的。*3.紅外與拉曼譜圖對(duì)比紅外光譜：基團(tuán)；拉曼光譜：分子骨架測(cè)定。*3.紅外與拉曼譜圖對(duì)比紅外光譜：基團(tuán)；*紅外與拉曼譜圖對(duì)比*紅外與拉曼譜圖對(duì)比*4拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系同同屬分子振(轉(zhuǎn))動(dòng)光譜異：紅外分子對(duì)紅外光的吸收強(qiáng)度由分子偶極距決定異：拉曼分子對(duì)激光的散射強(qiáng)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(dòng)－OH,－C＝O，－C－X拉曼：適用于研究同原子的非極性鍵振動(dòng)－N－N－,－C－C－互補(bǔ)*4拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系同同屬分子振(轉(zhuǎn))動(dòng)光譜異：紅*拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系O=C=O對(duì)稱伸縮O=C=O反對(duì)稱伸縮偶極距不變無(wú)紅外活性極化率變有拉曼活性極化率不變無(wú)拉曼活性偶極距變有紅外活性*拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系偶極距不變無(wú)紅外活性極化率變有拉曼*拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系互排法則：有對(duì)稱中心的分子其分子振動(dòng)對(duì)紅外和拉曼之一有活性，則另一非活性互允法則：無(wú)對(duì)稱中心的分子其分子振動(dòng)對(duì)紅外和拉曼都是活性的。結(jié)構(gòu)分析：H4C4N4拉曼C=C1623cm-1

強(qiáng)紅外C=C1621cm-1

強(qiáng)*拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系互排法則：有對(duì)稱中心的分子其分子振*(三)拉曼光譜選律

對(duì)稱中心分子CO2，CS2等，選律不相容。無(wú)對(duì)稱中心分子（例如SO2等），三種振動(dòng)既是紅外活性振動(dòng)，又是拉曼活性振動(dòng)。1234拉曼活性紅外活性紅外活性拉曼光譜—源于極化率變化紅外光譜—源于偶極矩變化*(三)拉曼光譜選律對(duì)稱中心分子CO2，*三、激光拉曼光譜儀（結(jié)構(gòu)流程）（一）結(jié)構(gòu)流程激光光源、試樣池、單色器、檢測(cè)器。*三、激光拉曼光譜儀（結(jié)構(gòu)流程）（一）結(jié)構(gòu)流程激光光源、試樣*激光器最常用Ar＋激光器488.0/514.5nm頻率高，拉曼光強(qiáng)大He-Ne激光器，波長(zhǎng)632.8nm。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雙單色儀的入射狹縫（二）主要部件*激光器最常用Ar＋激光器試樣室發(fā)射透鏡（二）主要部件*雙單色儀儀器心臟2個(gè)光柵，4個(gè)狹縫減少雜散收光檢測(cè)器

光電倍增管，

光子計(jì)數(shù)器*雙單色儀儀器心臟檢測(cè)器*（三）傅里葉變換-拉曼光譜儀光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（1.064m）。檢測(cè)器：高靈敏度的銦鎵砷探頭。*（三）傅里葉變換-拉曼光譜儀光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激*傅里葉變換-拉曼光譜儀特點(diǎn)特點(diǎn)：（1）避免了熒光干擾；（2）精度高；（3）消除了瑞利譜線；（4）測(cè)量速度快。*傅里葉變換-拉曼光譜儀特點(diǎn)特點(diǎn)：*

當(dāng)激發(fā)光的頻率接近或等于試樣的電子吸收譜帶的頻率時(shí)，發(fā)生共振拉曼效應(yīng)。當(dāng)激發(fā)光的頻率接近電子吸收譜帶的頻率時(shí)，稱為準(zhǔn)共振拉曼效應(yīng)。當(dāng)激發(fā)光的頻率等于電子吸收譜帶的頻率時(shí)，稱為嚴(yán)格的共振拉曼效應(yīng)。1

共振拉曼光譜RRS（四）發(fā)展拉曼強(qiáng)度增萬(wàn)至百萬(wàn)倍，高靈敏度，宜定量共振，高選擇性可調(diào)染料激光器*當(dāng)激發(fā)光的頻率接近或等于試樣的電子吸收譜帶的頻率時(shí)*1.多譜線輸出的激光器（或可調(diào)諧的激光器）。2.試樣的濃度必須很低

避免產(chǎn)生熱分解作用，通常在10-8mol·L-1左右。共振拉曼散射的強(qiáng)度較普通拉曼譜帶的強(qiáng)度增加104～106倍，需要的試樣濃度很低，故在研究具有發(fā)色基團(tuán)的樣品和低濃度的生物樣品有很大應(yīng)用。

測(cè)量共振拉曼效應(yīng)時(shí)的注意點(diǎn)：*1.多譜線輸出的激光器（或可調(diào)諧的激光器）。測(cè)量共振拉曼效*2

表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS

試樣吸附在金屬表面上，增103～106

表面與共振聯(lián)用檢測(cè)限10－9～1012mol/L1.保證使用環(huán)境：具備暗室條件；無(wú)強(qiáng)震動(dòng)源、無(wú)強(qiáng)電磁干擾；不可受陽(yáng)光直射。2.光學(xué)器件表面有灰塵，不允許接觸擦拭，可用氣球小心吹掉。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，首先取出樣品，關(guān)斷電源。4.注意激光器電源開(kāi)、關(guān)機(jī)的順序正好相反。表面增強(qiáng)拉曼使用中的注意事項(xiàng)*2表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS試樣吸附在金屬表面上，增10*四、激光拉曼光譜法的應(yīng)用（一）拉曼光譜與紅外光譜的比較*四、激光拉曼光譜法的應(yīng)用（一）拉曼光譜與紅外光譜的比較*（二）無(wú)機(jī)體系

優(yōu)于紅外，基于M－Org鍵的振動(dòng)

M－O也具有Raman活性

Raman譜證實(shí)：

V(IV)是VO2＋不是V(OH)22＋

硼酸離解是B(OH)4-不是H2(BO)3－

Raman光譜可求H2SO4等強(qiáng)酸的解離常數(shù)*（二）無(wú)機(jī)體系優(yōu)于紅外，基于M－Org鍵的振動(dòng)*（三）有機(jī)化合物

與紅外互補(bǔ)，

Raman適骨架，IR適端基C=C1900-1500vs-mo-wN=N芳取代1440-1410mo

振動(dòng)σ/cm-1

拉曼強(qiáng)度紅外強(qiáng)度O-H3650-3000ws*（三）有機(jī)化合物與紅外互補(bǔ)，C=C1900-1500v*（四）在生命科學(xué)領(lǐng)域額1、生物分子的鑒定與結(jié)構(gòu)表征拉曼光譜技術(shù)在測(cè)量生物分子時(shí),具有結(jié)構(gòu)信息量大,測(cè)量速度快,操作方便等優(yōu)點(diǎn),尤其是在測(cè)量DNA水溶液時(shí),幾乎不受水的干擾,故在DNA的研究中非常直接和有效。通過(guò)對(duì)DNA分子的拉曼光譜研究,可以從分子水平上了解遺傳、代謝、分化及癌變等過(guò)程的生命本質(zhì)。2、藥物與生物分子的作用機(jī)理探討藥物和生物大分子的相互作用機(jī)理可通過(guò)其拉曼光譜圖中新譜帶的出現(xiàn)，譜帶位移和譜帶強(qiáng)度變化等加以研究。對(duì)藥物和生物大分子相互作用的研究,有助于加深理解藥物與生物大分子的作用機(jī)理、探索新的有效的藥物。實(shí)例：抗壞血酸主要是通過(guò)OH的氫鍵和C2O基團(tuán)與DNA的磷酸鹽、堿基及脫氧核酸供體原子發(fā)生相互作用。*（四）在生命科學(xué)領(lǐng)域額1、生物分子的鑒定與結(jié)構(gòu)表征*3、細(xì)胞、組織和器官的活體與體外檢測(cè)組織和細(xì)胞發(fā)生癌變總是從構(gòu)成它們的分子開(kāi)始，癌變過(guò)程中各種生物分子的構(gòu)型、構(gòu)象及各成分的構(gòu)成比例發(fā)生變化。這些早期變化不引起臨床癥狀且常規(guī)的臨床檢測(cè)手段往往難以發(fā)現(xiàn)，而拉曼光譜可反映分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)、振轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，能夠從分子水平上檢測(cè)出這些變化，已成為早期診斷癌癥的潛在途徑。組織細(xì)胞在發(fā)生癌變后氨基酸、脂類、碳水化合物都可能發(fā)生變化，可能成為特征拉曼標(biāo)志光譜。通過(guò)正常和癌變組織細(xì)胞的拉曼光譜對(duì)比分析可以得出癌變組織內(nèi)生物分子結(jié)構(gòu)及其含量的變化，在分子和細(xì)胞水平上來(lái)診斷疾病，為癌癥的早期診斷及癌變機(jī)理的分析提供重要的理論基礎(chǔ)。相對(duì)于其他方法，拉曼光譜用于醫(yī)學(xué)診斷是一種具有非破壞性、靈敏度高和高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)的嶄新技術(shù)。*3、細(xì)胞、組織和器官的活體與體外檢測(cè)組織和細(xì)胞發(fā)生癌變總是*實(shí)例胃癌組織與胃正常黏膜組織間存在明顯差異，正常組織的酰胺Ⅰ振動(dòng)分裂為1660cm-1

、1640cm-1

兩個(gè)峰，而癌變組織仍保留單峰特征，并略向高波數(shù)位移，這反映出胃黏膜組織發(fā)生癌變后蛋白質(zhì)的種類發(fā)生了變化。更為重要的是，位于1525～1585cm-1

處的特征振動(dòng)峰的相對(duì)強(qiáng)度在癌變組織中明顯減弱，此峰應(yīng)歸屬于脂類物質(zhì)中非飽和脂肪酸的C=C伸縮振動(dòng)，說(shuō)明組織細(xì)胞癌變過(guò)程中耗能快，脂類物質(zhì)難以在組織和細(xì)胞內(nèi)聚集，因而含量降低。1445cm-1

與1655cm-1

的拉曼光譜強(qiáng)度比能很好的區(qū)別肺正常組織與癌組織。還有關(guān)于乳腺癌、皮膚癌、結(jié)腸癌、宮頸癌，顱內(nèi)腫瘤的報(bào)道。*實(shí)例胃癌組織與胃正常黏膜組織間存在明顯差異，正常組織的酰胺*思考題什么是Raman散射、Stockes線和反Stockes線？什么是Raman位移？Raman光譜法與紅外譜法相比，在結(jié)構(gòu)分析中的特點(diǎn)是什么？通過(guò)文獻(xiàn)查閱，舉出共振拉曼光譜和表面增強(qiáng)拉曼光譜的應(yīng)用例子。*思考題什么是Raman散射、Stockes線和反Stock激光拉曼光譜法

LaserRamanspectroscopy

一、激光拉曼法光譜概述二、激光拉曼光譜原理三、激光拉曼光譜儀四、激光拉曼光譜分析法的應(yīng)用激光拉曼光譜法

LaserRamanspectrosco*一、激光拉曼光譜法概述Rayleigh散射：彈性碰撞：無(wú)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

h

E0E1υ=1υ=0h0h0h0h0+

E1+h0E0+h0h(0-

)激發(fā)虛態(tài)E0基態(tài)，E1振動(dòng)激發(fā)態(tài)；E0+h0，

E1+h0激發(fā)虛態(tài)。*一、激光拉曼光譜法概述Rayleigh散射：Rayleig*TheNobelPrizeinPhysics1930“forhisworkonthescatteringoflightandforthediscoveryoftheeffectnamedafterhim”SirChandrasekharaVenkataRaman(1888–1970)CalcuttaUniversity

Calcutta,India

1928年印度物理學(xué)家Raman發(fā)現(xiàn)，1930年獲諾貝爾獎(jiǎng)，1960年快速發(fā)展*TheNobelPrizeinPhysics19*拉曼（C.V.Raman）于1928年首次發(fā)現(xiàn)的。1928~1940年，受到廣泛的重視，曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。這是因?yàn)榭梢?jiàn)光分光技術(shù)和照相感光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的緣故；1940~1960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)槔?yīng)太弱（約為入射光強(qiáng)的10-6），并要求被測(cè)樣品的體積必須足夠大、無(wú)色、無(wú)塵埃、無(wú)熒光等等。所以到40年代中期后，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落；拉曼散射效應(yīng)的進(jìn)展：*拉曼（C.V.Raman）于1928年首次發(fā)現(xiàn)的。*1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。這是由于激光器輸出的激光具有很好的單色性、方向性，且強(qiáng)度很大，因而它們成為獲得拉曼光譜的近乎理想的光源，特別是連續(xù)波氬離子激光器。于是拉曼光譜學(xué)的研究又變得非?；钴S了，其研究范圍也有了很大的擴(kuò)展。隨探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和對(duì)被測(cè)樣品要求的降低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受研究者的重視。除擴(kuò)大了所研究的物質(zhì)的品種以外，在研究燃燒過(guò)程、探測(cè)環(huán)境污染、分析各種材料等方面拉曼光譜技術(shù)也已成為很有用的工具。*1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。這是由于*拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)提供快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、且更重要的是無(wú)損傷的定性定量分析，它無(wú)需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過(guò)光纖探頭或者通過(guò)玻璃、石英、和光纖測(cè)量。此外

1、由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。

2、拉曼一次可以同時(shí)覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對(duì)有機(jī)物及無(wú)機(jī)物進(jìn)行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測(cè)器

*拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)提供快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、且更重要的是無(wú)損*3、拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。

4、因?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對(duì)常規(guī)紅外光譜一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。

5、共振拉曼效應(yīng)可以用來(lái)有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。

*3、拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、以*1瑞利散射與拉曼散射光線通過(guò)試樣，透射仍為主體波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于粒徑，小部分散射散射：僅改變方向，波長(zhǎng)不變。彈性碰撞無(wú)能量交換瑞利散射λ不變垂直方向觀測(cè),原波長(zhǎng)兩側(cè)還有散射光非彈性碰撞，有能量交換，波長(zhǎng)有變化拉曼散射λ變二、拉曼光譜原理

（一）Raman散射與Raman位移*1瑞利散射與拉曼散射光線通過(guò)試樣，透射仍為主體散射：僅改*1.Raman散射Raman散射的兩種躍遷能量差：

E=h(0-

)產(chǎn)生stokes線；強(qiáng)；基態(tài)分子多。

E=h(0+

)產(chǎn)生反stokes線；弱。Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差。Raman散射與Raman位移*1.Raman散射Raman散射與Raman位移*2.Raman位移

(1)對(duì)不同物質(zhì)：不同。

(2)對(duì)同一物質(zhì)：與入射光頻率無(wú)關(guān)；表征分子振-轉(zhuǎn)能級(jí)的特征物理量；定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)；分子振-轉(zhuǎn)光譜；與紅外光譜互補(bǔ)。

(3)Raman散射的產(chǎn)生：光電場(chǎng)E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩，即

=E

分子極化率，分子電子云分布改變的難易程度。*2.Raman位移(1)對(duì)不同物質(zhì)：*Δν=|ν0–νs|,即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。Δv取決于分子振動(dòng)能級(jí)的改變，所以他是特征的。適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)*Δν=|ν0–νs|,適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入*3.紅外活性和拉曼活性振動(dòng)①紅外活性振動(dòng)

ⅰ.永久偶極矩；極性基團(tuán)。

ⅱ.瞬間偶極矩；非對(duì)稱分子。

紅外活性振動(dòng)-伴有偶極矩變化的振動(dòng)可以產(chǎn)生紅外吸收譜帶。②拉曼活性振動(dòng)

誘導(dǎo)偶極矩

=E

非極性基團(tuán)，對(duì)稱分子。

拉曼活性振動(dòng)-伴隨有極化率變化的振動(dòng)。

對(duì)稱分子：對(duì)稱振動(dòng)→拉曼活性。不對(duì)稱振動(dòng)→紅外活性Eeer*3.紅外活性和拉曼活性振動(dòng)①紅外活性振動(dòng)紅外活性振動(dòng)*(二)

Raman光譜CCl4的Ramam光譜圖

*(二)Raman光譜CCl4的Ramam光譜圖*1.Raman光譜特點(diǎn)(1)拉曼光譜記錄的是stoke線。(2)測(cè)量相對(duì)單色激發(fā)光頻率的位移。

把入射光頻率位置作為零，頻率位移(拉曼位移)的數(shù)值正好對(duì)應(yīng)于分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷的頻率。(3)激發(fā)光是可見(jiàn)光，在可見(jiàn)光區(qū)測(cè)分子振動(dòng)光譜。(4)拉曼光譜中的基團(tuán)振動(dòng)頻率和紅外光譜相同。

酮羰基的伸縮振動(dòng)在紅外光譜中位于1710cm-1附近，而拉曼光譜中總在（1710土3）cm-1。

*1.Raman光譜特點(diǎn)(1)拉曼光譜記錄的是stoke*2拉曼光譜的譜圖特征由拉曼光譜可以獲得有機(jī)化合物的各種結(jié)構(gòu)信息：2）紅外光譜中，由C≡N，C＝S，S—H伸縮振動(dòng)的譜帶較弱或強(qiáng)度可變，而拉曼光譜中則是強(qiáng)譜帶。3）強(qiáng)極性基團(tuán)在拉曼中是弱譜帶如極性基因C＝O在紅外中是強(qiáng)譜帶，而在Raman中是弱譜帶。

1）同種原子非極性鍵S—S，C＝C，N＝N，C≡C,強(qiáng)拉曼譜帶，隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強(qiáng)度增加。*2拉曼光譜的譜圖特征由拉曼光譜可以獲得有機(jī)化合物的各種*4）環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(dòng)常常是最強(qiáng)的拉曼譜帶。形成環(huán)狀骨架的鍵同時(shí)振動(dòng)。5）在拉曼光譜中，X＝Y(jié)＝Z，C＝N＝C，O＝C＝O這類鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)是強(qiáng)譜帶，反之，非對(duì)稱伸縮振動(dòng)是弱譜帶。紅外光譜與此相反。6）C—C伸縮振動(dòng)譜帶在拉曼光譜中強(qiáng)，紅外光譜中弱。*4）環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(dòng)常常是最強(qiáng)的拉曼譜帶。形成環(huán)狀*7）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(qiáng)度沒(méi)有很大差別。

II.

羥基和甲基的質(zhì)量?jī)H相差2單位。

III.與C—H和N—H譜帶比較，O—H拉曼譜帶較弱。*7）醇和烷烴的拉曼光譜是相似的。*3.紅外與拉曼譜圖對(duì)比紅外光譜：基團(tuán)；拉曼光譜：分子骨架測(cè)定。*3.紅外與拉曼譜圖對(duì)比紅外光譜：基團(tuán)；*紅外與拉曼譜圖對(duì)比*紅外與拉曼譜圖對(duì)比*4拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系同同屬分子振(轉(zhuǎn))動(dòng)光譜異：紅外分子對(duì)紅外光的吸收強(qiáng)度由分子偶極距決定異：拉曼分子對(duì)激光的散射強(qiáng)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(dòng)－OH,－C＝O，－C－X拉曼：適用于研究同原子的非極性鍵振動(dòng)－N－N－,－C－C－互補(bǔ)*4拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系同同屬分子振(轉(zhuǎn))動(dòng)光譜異：紅*拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系O=C=O對(duì)稱伸縮O=C=O反對(duì)稱伸縮偶極距不變無(wú)紅外活性極化率變有拉曼活性極化率不變無(wú)拉曼活性偶極距變有紅外活性*拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系偶極距不變無(wú)紅外活性極化率變有拉曼*拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系互排法則：有對(duì)稱中心的分子其分子振動(dòng)對(duì)紅外和拉曼之一有活性，則另一非活性互允法則：無(wú)對(duì)稱中心的分子其分子振動(dòng)對(duì)紅外和拉曼都是活性的。結(jié)構(gòu)分析：H4C4N4拉曼C=C1623cm-1

強(qiáng)紅外C=C1621cm-1

強(qiáng)*拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系互排法則：有對(duì)稱中心的分子其分子振*(三)拉曼光譜選律

對(duì)稱中心分子CO2，CS2等，選律不相容。無(wú)對(duì)稱中心分子（例如SO2等），三種振動(dòng)既是紅外活性振動(dòng)，又是拉曼活性振動(dòng)。1234拉曼活性紅外活性紅外活性拉曼光譜—源于極化率變化紅外光譜—源于偶極矩變化*(三)拉曼光譜選律對(duì)稱中心分子CO2，*三、激光拉曼光譜儀（結(jié)構(gòu)流程）（一）結(jié)構(gòu)流程激光光源、試樣池、單色器、檢測(cè)器。*三、激光拉曼光譜儀（結(jié)構(gòu)流程）（一）結(jié)構(gòu)流程激光光源、試樣*激光器最常用Ar＋激光器488.0/514.5nm頻率高，拉曼光強(qiáng)大He-Ne激光器，波長(zhǎng)632.8nm。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雙單色儀的入射狹縫（二）主要部件*激光器最常用Ar＋激光器試樣室發(fā)射透鏡（二）主要部件*雙單色儀儀器心臟2個(gè)光柵，4個(gè)狹縫減少雜散收光檢測(cè)器

光電倍增管，

光子計(jì)數(shù)器*雙單色儀儀器心臟檢測(cè)器*（三）傅里葉變換-拉曼光譜儀光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（1.064m）。檢測(cè)器：高靈敏度的銦鎵砷探頭。*（三）傅里葉變換-拉曼光譜儀光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激*傅里葉變換-拉曼光譜儀特點(diǎn)特點(diǎn)：（1）避免了熒光干擾；（2）精度高；（3）消除了瑞利譜線；（4）測(cè)量速度快。*傅里葉變換-拉曼光譜儀特點(diǎn)特點(diǎn)：*

當(dāng)激發(fā)光的頻率接近或等于試樣的電子吸收譜帶的頻率時(shí)，發(fā)生共振拉曼效應(yīng)。當(dāng)激發(fā)光的頻率接近電子吸收譜帶的頻率時(shí)，稱為準(zhǔn)共振拉曼效應(yīng)。當(dāng)激發(fā)光的頻率等于電子吸收譜帶的頻率時(shí)，稱為嚴(yán)格的共振拉曼效應(yīng)。1

共振拉曼光譜RRS（四）發(fā)展拉曼強(qiáng)度增萬(wàn)至百萬(wàn)倍，高靈敏度，宜定量共振，高選擇性可調(diào)染料激光器*當(dāng)激發(fā)光的頻率接近或等于試樣的電子吸收譜帶的頻率時(shí)*1.多譜線輸出的激光器（或可調(diào)諧的激光器）。2.試樣的濃度必須很低

避免產(chǎn)生熱分解作用，通常在10-8mol·L-1左右。共振拉曼散射的強(qiáng)度較普通拉曼譜帶的強(qiáng)度增加104～106倍，需要的試樣濃度很低，故在研究具有發(fā)色基團(tuán)的樣品和低濃度的生物樣品有很大應(yīng)用。

測(cè)量共振拉曼效應(yīng)時(shí)的注意點(diǎn)：*1.多譜線輸出的激光器（或可調(diào)諧的激光器）。測(cè)量共振拉曼效*2

表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS

試樣吸附在金屬表面上，增103～106

表面與共振聯(lián)用檢測(cè)限10－9～1012mol/L1.保證使用環(huán)境：具備暗室條件；無(wú)強(qiáng)震動(dòng)源、無(wú)強(qiáng)電磁干擾；不可受陽(yáng)光直射。2.光學(xué)器件表面有灰塵，不允許接觸擦拭，可用氣球小心吹掉。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，首先取出樣品，關(guān)斷電源。4.注意激光器電源開(kāi)、關(guān)機(jī)的順序正好相反。表面增強(qiáng)拉曼使用中的注意事項(xiàng)*2表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS試樣吸附在金屬表面上，增10*四、激光拉曼光譜法的應(yīng)用（一）拉曼光譜與紅外光譜的比較*四、激光拉曼光譜法的應(yīng)用（一）拉曼光譜與紅外光譜的比較*（二）無(wú)機(jī)體系

優(yōu)于紅外，基于M－Org鍵的振動(dòng)

M－O也具有Raman活性

Raman譜證實(shí)：

V(IV)是VO2＋不是V(OH)22＋

硼酸離解是B(OH)4-不是H2(B