拉曼光譜分析法

拉曼光譜分析法第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日§11-1拉曼光譜原理一、概述二、拉曼光譜圖1、瑞利散射與拉曼散射2、拉曼光譜圖3、拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系三、去偏振度四、共振拉曼效應(yīng)第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日

散射光譜（拉曼光譜）——拉曼散射光譜

分子振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)光譜

拉曼光譜分析技術(shù)是以拉曼散射為基礎(chǔ)建立起來的分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù)

，theIndianphysicist1930NobelPrize§11-1拉曼光譜原理一、概述

主要適用于有機(jī)物官能團(tuán)定性和結(jié)構(gòu)分析，與紅外光譜類似，但特點(diǎn)不同。第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日拉曼光譜的發(fā)展：是印度物理學(xué)家拉曼（）于1928年首次發(fā)現(xiàn)（獲1930年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。1928～1940年，受廣泛重視，曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。1940～1960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)榧t外技術(shù)的進(jìn)步和商品化得到發(fā)展；而拉曼效應(yīng)太弱（約為入射光強(qiáng)的10-6），且對(duì)被測(cè)樣品要求高。1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等優(yōu)點(diǎn)，成為拉曼光譜的理想光源。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，越來越受研究者重視。第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日1、瑞利散射與拉曼散射

光線通過試樣，透射仍為主體；由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于粒徑，小部分散射（垂直方向觀測(cè)）。散射過程有兩種：①：散射光的波長(zhǎng)與入射光相同。彈性碰撞無能量交換?！鹄⑸淙鹄⑸洇瞬蛔儮冢喝鹄⑸洳ㄩL(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。→拉曼散射拉曼散射λ變二、拉曼光譜圖第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日樣品池透過光λ不變?nèi)鹄⑸洇瞬蛔兝⑸洇俗儲(chǔ)嗽龃螃藴p小第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日受激虛態(tài)不穩(wěn)定，很快(10-8s)躍回基態(tài)大部分能量不變，小部分產(chǎn)生位移。室溫時(shí)處于激發(fā)態(tài)的分子比基態(tài)的分子數(shù)少，Anti-stocke線也遠(yuǎn)弱于stocks線。溫度升高，反斯托克斯線增加。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日散射示意圖0123e電子基態(tài)振動(dòng)能級(jí)eeRayleigh散射eeeRaman散射Stocks線Anti-Stocks線溫度升高概率大！第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日CCl4的散射光譜

Stockslinesanti-StockeslinesRayleighscatteringΔν/cm-1

2、拉曼光譜圖第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日CCl4的拉曼光譜便攜式儀器實(shí)測(cè)圖（Stocks線）可見，拉曼光譜觀測(cè)的是相對(duì)于入射光頻率的位移（用波數(shù)表示）。第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日拉曼位移（Ramanshift）

Δν=|ν拉曼散射

–ν激發(fā)光

|即拉曼散射光頻率與激發(fā)光頻率之差取絕對(duì)值。Δv取決于分子振動(dòng)能級(jí)的分布，具有特征性。

由于拉曼光譜是以激發(fā)光波數(shù)作為零并處于圖的最邊且略去反斯托克斯線而得到的譜帶，因此得到的是便于與紅外吸收光譜相比較的拉曼光譜圖。適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射光波長(zhǎng)無關(guān)

因此，拉曼光譜圖是以拉曼位移為橫坐標(biāo)，譜帶強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖得到。第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日3、拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系

分子極化率是誘導(dǎo)偶極矩與外電場(chǎng)的強(qiáng)度之比分子中兩原子距離最大時(shí)，α也最大拉曼散射強(qiáng)度與極化率成正比例關(guān)系拉曼活性取決于振動(dòng)中極化率是否變化。μ＝αEα為極化率

反映了分子中電子云變形的難易程度若分子在電場(chǎng)E（光波的電磁場(chǎng)）中，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極距μ第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日儀器結(jié)構(gòu)三、去偏振度

激光是偏振光。若在試樣池和前置單色器狹縫之間放置一起偏振器，根據(jù)起偏振器的安放方向與激光束的偏振方向平行或垂直，所記錄的拉曼譜帶強(qiáng)度（I⊥/I∥）有差別。從而得到去偏振度的概念。第三單色器檢測(cè)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)雙聯(lián)單色器試樣室前置單色器激光器第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日對(duì)稱分子ρ=0非對(duì)稱分子ρ介于0到3/4之間ρ值越小，分子對(duì)稱性越高去偏振度ρ（或退偏比）

一般的光譜只能得到頻率和強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)，而拉曼光譜還可得到另一個(gè)重要的參數(shù)——去偏振度。這對(duì)于各振動(dòng)形式的譜帶歸屬和重疊譜帶的分離是很有用的。第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日（b）試樣的平行偏振

處于218cm-1及314cm-1的拉曼譜帶，測(cè)得值約為ρ=0.75，屬于不對(duì)稱振動(dòng)；459cm-1處的ρ=0.007則為對(duì)稱振動(dòng)。第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日四、共振拉曼效應(yīng)

當(dāng)激光器的激發(fā)線等于或接近于待測(cè)分子中生色團(tuán)的電子吸收（紫外-可見吸收）頻率時(shí)，入射激光與生色基團(tuán)的電子耦合而處于共振狀態(tài)，所產(chǎn)生的共振拉曼效應(yīng)可使拉曼散射增強(qiáng)102～106倍。共振拉曼效應(yīng)除可使靈敏度得到提高外，還可提高選擇性。而利用共振拉曼光譜的某些拉曼譜帶的選擇增強(qiáng)，可得到分子振動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)相互作用信息。應(yīng)使用多譜線輸出的激光器或可調(diào)諧激光器試樣吸收激光能而熱分解（脈沖激光光源和旋轉(zhuǎn)試樣架）熒光干擾（利用時(shí)間差消除）

應(yīng)用中問題第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日同同屬分子振(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)§11-2

拉曼光譜與紅外光譜的關(guān)系

通常有必要同時(shí)測(cè)定第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)分析：H4C4N4拉曼C=C1623cm-1

強(qiáng)紅外C=C1621cm-1

強(qiáng)拉曼位移和紅外吸收峰的波數(shù)相同，只是相對(duì)強(qiáng)度不同。第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日拉曼活性與紅外活性O(shè)=C=O對(duì)稱伸縮O=C=O反對(duì)稱伸縮偶極矩不變無紅外活性極化率變有拉曼活性極化率不變無拉曼活性偶極矩變有紅外活性第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日互斥法則：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?；ソ▌t：對(duì)少數(shù)分子的振動(dòng)，其紅外和拉曼都是非活性的。如乙烯分子的扭曲振動(dòng)，不發(fā)生極化率和偶極矩的變化，其紅外和拉曼都是非活性的。第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日如果分子的振動(dòng)形式對(duì)于紅外和拉曼都是活性的，那么它們的基團(tuán)頻率是等效和通用的。拉曼光譜的各種基團(tuán)特征頻率在一些專著中都以分類列出并出版有標(biāo)準(zhǔn)譜圖（如Sadtler標(biāo)準(zhǔn)光譜圖）。目前紅外光譜圖明顯占優(yōu)勢(shì)，拉曼還需累積。綜上所述，拉曼光譜和紅外光譜各有所長(zhǎng)，相互補(bǔ)充，兩者結(jié)合可得到分子振動(dòng)光譜更為完整的數(shù)據(jù)，從而有利于研究分子振動(dòng)和結(jié)構(gòu)組成。第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日與紅外光譜相比拉曼光譜的其它優(yōu)點(diǎn)：拉曼光譜有較寬的測(cè)定范圍（4000cm-1～40cm-1）激光拉曼光譜較易確定譜帶的歸宿，譜圖解析較方便共振拉曼效應(yīng)對(duì)有生色團(tuán)的化合物研究有顯著優(yōu)越性拉曼光譜有利于水溶液的測(cè)定拉曼光譜試樣的制備處理很簡(jiǎn)單第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日LRS－II型激光拉曼/熒光光譜儀§11-3激光拉曼光譜儀色散型和傅里葉變換型激光拉曼光譜儀可分為第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日1960年激光的出現(xiàn)，為拉曼光譜儀提供了最理想的光源。基于：激光亮度極強(qiáng)，可得到較強(qiáng)的拉曼散射線激光的單色性極好，有利于得到高質(zhì)量的拉曼光譜圖激光的準(zhǔn)直性可獲得微區(qū)拉曼信息激光幾乎完全是線偏振光，可簡(jiǎn)化去偏振度的測(cè)量第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日一、色散型激光拉曼光譜儀第三單色器檢測(cè)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)雙聯(lián)單色器試樣室前置單色器激光器一般儀器方框圖第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日激光器激發(fā)光源常用連續(xù)氣體激光器；如最常用Ar＋激光器

488.0/514.5nm，頻率高，拉曼光強(qiáng)大；其它如氦-氖、氪離子激光器；共振拉曼光譜：從激光器的輸出激光線中選擇或用可調(diào)諧激光器（如染料激光器）。見表11-2（P.334）試樣室前置單色器：選取某固定波長(zhǎng)的激光并降低雜射光的影響90o照明方式；發(fā)射透鏡：使激光聚焦在樣品上；會(huì)集透鏡：使拉曼光聚焦在雙聯(lián)單色器的入射狹縫旋轉(zhuǎn)試樣技術(shù)：降低試樣分解，抑制熒光第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日單色器要求雜射光盡可能低，并有高的分辨率和透射率。雙聯(lián)單色器（儀器心臟）：2個(gè)光柵，七面反射鏡，4個(gè)狹縫；有效降低雜散光水平。第三單色器：為檢測(cè)拉曼位移很低波數(shù)。檢測(cè)器拉曼散射光位于可見區(qū)光電倍增管檢測(cè)器陣列型多道光電檢測(cè)器：電荷耦合陣列檢測(cè)器（CCD）和電荷注入陣列檢測(cè)器（CID）；CCD有很高的量子效率及很低的暗電流和噪聲，適于微弱光信號(hào)的檢測(cè)。第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、傅里葉變換近紅外激光拉曼光譜儀（NIR-FT-Raman）邁克爾遜干涉儀檢測(cè)系統(tǒng)拋物面會(huì)聚鏡試樣透鏡Nd-YAG激光光源儀器方框圖濾光片組

熒光背景出現(xiàn)機(jī)會(huì)小分辨率高波數(shù)精度和重現(xiàn)性好掃描快，操作方便近紅外光的特性（光纖維中傳遞性能好、可穿透生物組織）優(yōu)點(diǎn)

第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日近紅外激光光源Nd-YAG激光器代替可見光激光器；產(chǎn)生1.064μm近紅外激發(fā)光，比可見光長(zhǎng)約1倍，影響信噪比，F(xiàn)T技術(shù)克服；激發(fā)光能量低于熒光所需閾值。邁克爾遜干涉儀與FTIR使用的干涉儀一樣，只是使用CaF2分束器（適于近紅外）干涉圖經(jīng)計(jì)算機(jī)變換得到拉曼散射強(qiáng)度隨拉曼位移變化的拉曼光譜圖掃描速率快第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日試樣室采用背向照明方式，收集盡可能多的拉曼信號(hào)；儀器的光學(xué)反射鏡面鍍金，獲更高的反射率。檢測(cè)器室溫下的銦鎵砷檢測(cè)器液氮冷卻的鍺檢測(cè)器濾光片組

濾除很強(qiáng)的瑞利散射光；干涉濾光片組，由折射率高低不同的多層材料交替組合而成。第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日三、激光顯微拉曼光譜儀使入射激光通過顯微鏡聚焦到試樣的微小部位（直徑小至5μm），可精確獲取所照射部位的拉曼光譜圖。

共焦顯微激光拉曼光譜儀（使用CCD檢測(cè)器）：顯微鏡的物鏡和目鏡的焦點(diǎn)重合于一點(diǎn)，排除了非焦點(diǎn)處組分對(duì)成像的影響，可顯示微區(qū)的不同深度和三維結(jié)構(gòu)信息。

激光拉曼光纖探針：光導(dǎo)纖維傳感技術(shù)與顯微鏡耦合而成，可對(duì)遠(yuǎn)距離、特殊環(huán)境中試樣的拉曼散射進(jìn)行原位遙感探測(cè)。第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日一、無機(jī)體系

優(yōu)于紅外

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光譜測(cè)定H2SO4等強(qiáng)酸的解離常數(shù)。§11-4激光拉曼光譜的應(yīng)用第三十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、有機(jī)化合物

與紅外互補(bǔ)

Raman適骨架，IR適端基

C=C1900-1500vs-mm-wN=N芳取代1440-1410mm

振動(dòng)

σ/cm-1

拉曼強(qiáng)度紅外強(qiáng)度

O-H3650-3000ws第三十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日1

共振拉曼光譜RRS

激發(fā)頻率等于或接近電子吸收帶頻率時(shí)共振拉曼強(qiáng)度增萬至百萬倍，高靈敏度，宜定量共振，高選擇性可調(diào)染料激光器