（应用化学专业论文）激光拉曼光谱与红外光谱法研究氨基酸金属配合物.pdf

浙江工业大学 学位论文原创性声明 m i i l li i i i i i ii i i il i i i l u l i il i l l i i l l l i l i i i l i i i i i i il i i i i y 1810 8 6 7 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：羡忒抵日期：0 7 年改月挖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密囱，在三年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：口7 年吐月2 2 日 日期：a 刀7 年歹月乒a 日 ， 嘏伤 、圣 、u 0 l 吴芦 名名签签 者师 作导 s e r s f t r a m a n n i r f t i r t g d t g n m r m s l - glu l cys l p h e u 璐 u s 6 p w p t 符号说明 表面增强拉曼散射 傅立叶变换拉曼光谱 傅立叶变换近红外光谱 差热一热重 核磁共振谱 质谱 l 一谷氨酸 l 一半胱氨酸 l 一苯丙氨酸 不对称伸缩振动 对称伸缩振动 面内弯曲振动 面外摇摆 面内摇摆 目录 摘要0 1 oooo g 0oo ooo80 aooa i a b s t r a c t ”“”一一”一”o o oqg oo ooomoo d0 第一章绪论ol 1 1 引言 0 1 1 2 红外光谱与拉曼光谱0 2 1 2 1 红外光谱与拉曼光谱简介0 2 1 2 2 红外光谱与拉曼光谱的比较0 3 1 2 3 红外光谱与拉曼光谱的特性0 4 1 2 4 红外光谱与拉曼光谱的主要应用0 6 1 2 5 红外光谱与拉曼光谱无损检测技术的发展0 8 l - 3 氨基酸配合物机理研究的意义、进展及制备1 1 1 3 1 氨基酸配合物的研究意义11 1 3 2 氨基酸配合物的研究进展1 2 1 3 3 氨基酸配合物的制备方法1 4 1 4 本论文的主要内容1 5 参考文献1 6 第二章氨基酸锌配位反应及配比的研究2 3 2 1 引言2 3 2 2 仪器与试剂o o oo o i 2 4 2 2 1 仪器“”2 4 2 2 2 试剂2 4 2 3 实验方法2 4 2 4 结果与讨论2 5 2 4 1 反应时间的选择2 5 2 4 2 反应温度的选择2 7 2 4 3 配比的选择2 8 2 5 本章小结3 4 参考文献3 4 第三章氨基酸和氨基酸锌配合物的拉曼与红外光谱研究3 6 3 1 引言3 6 3 2 实验部分0 q ooo oo oo 3 7 3 2 1 仪器3 7 3 2 2 试剂”3 7 3 2 3 实验方法3 7 3 3 结果与讨论o o o oo0 3 8 3 3 1 氨基酸与氨基酸锌配合物的拉曼与红外光谱研究3 8 3 3 2p h 对氨基酸及氨基酸锌配合物拉曼与红外光谱的影响4 9 3 3 3 共存阴离子对氨基酸锌配合物拉曼与红外光谱的影响6 2 3 4 本章小结o 00 od 6 5 参考文献6 6 第四章氨基酸铜、氨基酸铁配合物的拉曼与红外光谱研究7 l 4 1 引言o o o obooo oo o o o o ooodo o o 7 1 4 2 实验部分7 l 4 2 1 仪器”7 1 4 2 2 试剂7 2 4 2 3 实验方法7 2 4 3 结果与讨论7 2 4 3 1 氨基酸铜( i i ) 配合物的拉曼与红外光谱研究7 2 4 3 2 氨基酸铁配合物的拉曼与红外光谱研究7 5 4 3 3 理论探讨8 2 4 4 本章小结8 3 参考文献8 3 第五章论文总结与展望8 6 5 1 论文总结8 6 5 2 论文的创新点8 7 5 3 展望8 8 附录一”8 9 硕士期间发表论文9 1 致谢”- ”o o oooboo boo mb oo0 0 0 ”9 2 浙江工业大学硕士学位论文 激光拉曼光谱与红外光谱法研究 氨基酸金属配合物 摘要 氨基酸是生物体内大量存在的一类生物配体，是蛋白质、酶等的 基本结构单元。各种氨基酸与金属配合参与人体内的各种代谢及生理 生化过程，在生命过程中所扮演着极其重要角色。因此，对氨基酸金 属配合物的研究可以为复杂生物体的深入研究提供十分重要的信息和 有益的基础。 本论文主要研究l 一谷氨酸、l 一半胱氨酸、l 一苯丙氨酸及其锌配合 物的结构和配位反应的机理。通过对这三种氨基酸及其锌配合物的电 导率的测定，探讨反应时间、反应温度、介质p h 值对氨基酸锌配位反 应体系的影响，确定三种氨基酸锌配合物的配比：l g l u ：z n 为l ：l ； l c y s ：z n 为2 ：1 ；l p h e ：z n 为2 ：1 。并在此基础上研究谷氨酸锌、半 胱氨酸锌、苯丙氨酸锌配合物的拉曼与红外光谱图，分析氨基酸与z n ? 的相互作用，并探讨p h 值、共存阴离子对氨基酸锌配合物的影响，总 结了此三种氨基酸锌配合物的配位规律及反应机理。此外，还对它们 的铜( i i ) 、铁( i i ) 、铁( 1 1 7 ) 配合物进行研究。研究结果表明： ( 1 ) 当氨基酸分子处于等电点状态时，氨基酸以c o o 。氧原子参 与和z n 2 + 进行配位，其中l 谷氨酸分子中的羧基氧原子以桥式配位方 式参与和z n 2 + 的配位，而l 半胱氨酸、l 苯丙氨酸分子中的羧基氧原 浙江工业大学硕士学位论文 子则以双齿配位方式参与和z n 2 + 的配位。 ( 2 ) 当氨基酸处于不同p h 值条件下时，以不同的离子状态存在。 当氨基酸以r - c h 2 c h ( n h 3 + ) c o o h 状态存在时，氨基酸分子中的 - n h 3 + 、c o o h 基团中均不含有孤对电子，无法与z n 2 + 进行配位。当氨 基酸以r - c h 2 c h ( n h 2 ) c o o 。状态存在时，氨基酸分子中的- n h 2 、c o o 。 基团中均能晦- z n 2 + 提供孤对电子，参与配对，此时c o o 中氧原子以单 齿配位方式进行配位。 ( 3 ) 当在制备氨基酸锌配合物时，其配位反应体系中存在共存酸 根离子( s 0 4 二、n 0 3 3 时，s 0 4 2 。、n 0 3 以单齿、双齿配位方式参与配合 物的生成，改变配合物的组成及结构。 ( 4 ) 氨基酸以氨基氮原子、羧基氧氧原子与铜( i i ) 、铁( i i ) 、铁 ( 1 1 1 ) 进行配位，而巯基硫原子则只与铁( i i ) 、铁( ) 进行配位。 其中铜( i i ) 采取s p 3 杂化，以四配位形式与氨基酸进行配位，形成平面 方形构型的氨基酸铜( i i ) 配合物；铁( i i ) 、铁( 1 1 1 ) 均采取d 2s p 3 杂化， 从而以六配位的形式进行配位，形成八面体构型的氨基酸铁配合物。 ( 5 ) 氨基酸铜( i i ) 、氨基酸铁( i i ) 配合物的稳定性还与金属离 子电荷成正比，与离子半径成反比。因此，两者配合物的稳定性为： 氨基酸铜( i i ) 配合物 氨基酸铁( i i ) 配合物。 关键词拉曼光谱，红外光谱，l 一谷氨酸，l 一半胱氨酸，l 一苯丙氨酸， 氨基酸锌配合物，氨基酸铜配合物，氨基酸铁配合物 t h es t u d y o fa m i n oa c i dc o m p l e x b y r a m a na n d 玎帅a r e ds p e c t r a t h ea m i n oa c i di sak i n do f b i o l o g i c a ll i g a n d sw h i c he x i s ti no r g a n i s m i ti sa l s oab a s eu n i tw h i c hm a k e s u pt h ep r o t e i na n de n z y m e a n dn l e a m i n oa c i dc o m p l e xw i t hm e t a li s p a r t i c i p a t i n gi nv a r i o u sm e t a b o l i s ma 1 1 d b i o c h e m i s t r yp r o c e s s e si nh u m a nb o d y , s oi t p l a y sa ni m p o r t a n ti nl i f e p r o c e s s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo na m i n oa c i d sa n da m i n oa c i d c o m p l e x e s c a no f f e r v e r yi m p o r t a n ti n f o r m a t i o na n db e n e f i c i a l f o m l d a t i o no n d e e p e n i n go ft h ec o m p l i c a t e db i o l o g i c a ls y s t e m t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si st os t u d yt h es t m c t u r eo ft h e 锄i n o a c i d c o m p l e xa n dt h em e c h a n i s mo fc o m p l e x a t i o nr e a c t i o n b yd e t e r m i n a t i o no f l - g l u t a m i c a c i d ，l - c y s t e i n e ，l - p h e n y l a l a n i n ea n dt h e i r c o m p l e x e s ， c o n d u c t a n c e ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h er e a c t i o nt i m e ，t h er e a c t i o n t e m p e r a t u r ea n dp hv a l u eh a v eb e e n d i s c u s s e d ，a n dt h ec 0 0 r d i n a t i o n n u m b e ro fz i n ca m i n oa c i dc o m p l e xh a sb e e nc o n f i r m e d t h el - g i u ： i i i z n 2 + i s1 ：1 ，t h el - c y s ：z n 2 + i s2 ：1a n dt h el - - p h e ：z n 2 十i s 2 ：1 f 。1 1 0 w i n g t h e s ec o n c l u s i o n s ，t h eg l u t a m a t e z i n c ，c y s t e i n a t ez i n ca n dp h e n y l a l a n a t e z i n ch a sb e e np r e p a r e d a n dt h e r ew e r ea n a l y z e db ym e a n s o fr a m a na n d i n f r a r e ds p e c t r a t h e nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e na m i n oa c i da n dz n 2 + h a s b e e na n a l y z e d a n dt h ei n f l u e n c eo f z i n ca m i n oa c i dc o m p l e x a l s ow a s d i s c u s s e d ，s u c ha st h ed i f f e r e n tp hv a l u ea n dc o - e x i s t e dn e g a t i v ei o n s b e s i d e s ，t h ec o o r d i n a t i o nl a w sa n dr e a c t i o nm e c h a n i s mo fz i n ca m i n o a c i dc o m p l e xw e r eg e n e r a l i z e d a n dt h ec o p p e ra m i n oa c i dc o m p l e x , t h ei r o na m i n oa c i dc o m p l e xh a v eb e e ns t u d i e d t h e r e f o r e ，t h er e s e 铀c h r e s u l t sc a l lb ec o n c l u d e da sf o l l o w ( 1 ) w h e nt h ea m i n oa c i di si ni s o e l e c t r i cp o i n t ，i tc a nb er e a c t sw 池 z n 2 + b y - c o o , f o r m a t sm 0c o o r d i n a t i o nb o n d t h ec o o r d 访a t i o nm o d e s o fc a r b o x y li na l lt h et i t l ec o m p l e x e sw e r ed e t e r m i n e d t h eg i u t 锄a t e z i n c sc o o r d i n a t i o nm o d ew a sd e d u c e d t ob eb i d e n t a t e b r i d g i n g c o o r d i n a t i o n h o w e v e r , t h ec y s t e i n a t ez i n ca n dp h e n y l a l a n a t ez i n c ，s c o o r d i n a t i o nm o d ew e r eb i d e n t a t ec h e l a t i n gc o o r d i n a t i o n ( 2 ) i ft h ea m i n oa c i di si nd i f f e r e n tp hv a l u e ，i tw o u l db ec o m p l e x w i t h z i n c ( i i ) i nd i f f e r e n tw a y w h e na m i n oa c i de x i s t s i n r c h 2 一c h ( n h b * ) 一c o o h ， b o t h o f - m 禺+ 、c o o hw e r en o to w n l o n e p a i r e de l e c t r o n s ，s oa m i n oa c i dc o u l dn o tc o m p l e xw i t hz n 2 + w h e n a m i n oa c i de x i s t si n r - c h 2 一c h ( n h 2 ) 一c o o 。，t h e n h 2a n d c o o 。a r e l o n e 。p a i r e de l e c t r o nd o n n i n gg r o u p sw h i c hc a nc o m p l e xw i t hz n 2 + t of o m l i v ( 孙i f t h ea m i n oa c i di sc o e x i s tw i t ha c i di o nd u r i n gt h ep r e p a r a t i o n ， t h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fc o m p l e xw o u l db ec h a n g e d t a k ef o r e x a m p l e8 0 4 2 , n 0 3 , t h ez i n c ( i i ) i sc o o r d i n a t e dw i t hs u l f u ra t o m so f s 0 4 2 a n dn i 仃o g e na t o m so f n 0 3 。f o rs i n g l e d e n t a lo rb i d e n t a lc o o r d i n a t i o n ( 4 ) b o t ho ft h e - n h 2a n d - c o o 。c a nc o o r d i n a t ew i t hc u 2 + ，f e 2 + a n d f e 3 + ，b u tt h e - s 。c a no n l yc o m p l e xw i t hf e 2 + a n df e 3 + a n d 此s e 岫ei o n s h a v ed i f f e r e n th y b r i ds t a t e s ( c u 2 + 一s p 3 ，f e 2 + a n d f e 3 + - - d 2 s p 3 ) s o ，t h e s t r u c t u r eo fc o p p e r ( i i ) a m i n oa c i dc o m p l e xc o n t a i n s f o u r - c 0 0 r d i n a t e c o p p e ra t o m si n ap l a n a r - s q u a r e c o n f i g u r a t i o n a n dt h es n l j c t l l r eo f i r o n ( i i ) ，i r o n ( m ) a m i n oa c i dc o m p l e x e sc o n s i s to fd i s c r e t em o l e c u l e s c o n t a i n i n gs i x c o o r d i n a t e i r o na t o m si n a d i s t o r t e do c t a l l e 山o n c o n f i g u r a t i o n ( 5 ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t a b i l i z a t i o no fc o p p e r ( i i ) a m i n o a c i dc o m p l e xa n di r o n ( i i ) a m i n oa c i dc o m p l e x i si np r o p o r t i o nt ot h e c h a r g en u m b e ro fm e t a li o n ，b u tb ei n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ei o n i c r a d i u s t h e r e f o r e ，t h ec o p p e r ( i i ) a m i n oa c i dc o m p l e xi sm o r es t a b l et h a n i r o n ( i i ) a m i n oa c i dc o m p l e x k e yw o r d sr a m a n s p e c t r a ，i n f r a r e ds p e c t r a ，l - g l u t a m i c a c i d ， v v i 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 9 2 8 年，印度物理学家拉曼发现了光的非弹性散射效应【l 】。拉曼散射是光与 物质相互作用的一种形式，其实质是光子和散射物质中的分子之间发生了非弹性 碰撞【2 】。拉曼光谱是物质受激发辐射后产生的散射光谱，由于拉曼散射线相对瑞 利散射线的频率差仅与物质本身的分子振动能级的改变有关，反映了分子内部化 学键的特征，使得拉曼光谱与红外光谱一样成为物质定性分析的重要依据【3 1 。 红外光谱、拉曼光谱同属于分子振动光谱【4 l ，反映物质分子振动转动结 构的信息，但由于两者机理上的差别，所给出谱图的信息存在着一定的差异，因 而通过两种不同的分子振动光谱的研究，可获得互补的分子结构信息1 5 1 。现今， 红外光谱、拉曼光谱技术在化学1 6 - 9 1 、生物医学川1 1 及中草药【1 2 】等领域的研究中 拥有广泛的应用前景。由于红外光谱、拉曼光谱技术还具有测试样品非接触性、 非破坏性，时问短、样品需要量小、样品制备简单等特点【3 1 ，在分析过程中不会 对样品造成化学的、机械的、光化学和热的分解，成为分析科学领域的又一研究 热点。科研人员利用这一技术解决了生物化学、生物物理和分子生物学中的许多 难题，包括分子的特殊基团与界面的相互作用、生物分子与金属表面的键合方式 1 1 4 1 ，并为中药药材鉴别1 5 1 、公安法证【1 6 1 、文物考古【1 刀和宝石鉴定【1 8 】等方面的鉴 定提供了很好的方法。 氨基酸是有机生命体组织细胞的基本组成单位，各种氨基酸、氨基酸一金属 配合物还参与了人体内的各种代谢、生理生化过程，在生命过程中所扮演着极其 重要的角色，对生命活动发挥着举足轻重的作用。因此，对生物分子的研究首先 要从研究氨基酸着手【1 9 】。目前，国内外均有某些氨基酸、氨基酸一金属配合物 研究的报道，其研究大部分集中在对氨基酸配合物的性质和氨基酸配合物应用两 方面。而对氨基酸一金属配合物的结构报道中，一般仅采用传统的红外光谱法， 将红外光谱、拉曼光谱法相结合的研究较少，不同研究人员所得同一种氨基酸、 氨基酸一金属配合物光谱有一定区别，还没有形成一个统一、完整的氨基酸、氨 浙江工业大学硕士学位论文 基酸一金属配合物的光谱图体系，且对影响氨基酸一金属配合物的各种因素的考 察还不够全面系统。因此，对氨基酸一金属配合物的红外光谱、拉曼光谱研究还 有待于进一步深入。 1 2 红外光谱( i n f r a r e ds p e c t r a ) 与拉曼光谱( r a m a ns p e c t r a ) 红外光谱与拉曼光谱分析技术，作为一种分子结构分析的有效手段，从建立 之日起就受到人们广泛的关注，得到不断的发展。现今，红外光谱与拉曼光谱作 为一项成熟的检测技术已在无机和有机化学、生物化学、高分子化学、石油化学 和环境科学等领域得到日益广泛的应用【2 0 】。 1 2 1 红外光谱与拉曼光谱简介 1 2 1 1 红外光谱 1 9 0 5 年c o b e l t z 发表了1 2 8 种有机和无机化合物的红外吸收光谱，标志着一种 新的分析方法红外光谱法诞生【2 1 1 。在此后的几十年中，人们研制出第一台 红外分光光度计。到6 0 年代，红外光谱仪得到不断发展并初具规模，以光栅代替 棱镜作色散元件的第二代红外分光光度计投人了使用。由于它比棱镜作色散型仪 器的分辨率高，测定波长范围宽，且价格便宜，对周围环境要求有所降低，又加 上各种附件的开发和利用，使红外光谱法的应用范围己由有机化合物拓宽到络合 物、高分子化合物、无机化合物的鉴定和分析，而以傅里叶变换红外分光光度计 和计算机化色散型红外分光光度计为代表的第三代红外分光光度计，更是使红外 光谱得到越来越广泛的应用。近年来，由于激光技术的发展，采用可调激光作为 红外光源来代替单色器，具有更高分辨本领( 1 0 4 锄1 ) ，更高灵敏度，即第四代 红外分光光度计瞄】。 在红外光谱谱图解析方面，经过近百年的发展与积累，建立起大量已知化合 物的标准谱图以及各种官能团的特征频率资料库，并开始利用计算机进行光谱的 存贮和检索并进行光谱自动解析的探讨。现今，红外光谱法已成为分析领域一种 常见的检测手段1 2 1 1 。 1 2 1 2 拉曼光谱 早在1 9 2 3 年，德国的a s m e k a l l 2 3 】等人就在理论上预言了光的非弹性散射：光 2 浙江工业大学硕士学位论文 通过介质时，由于它们之间的相互作用，可以观测到光频率发生变化，相位也发 生无规律变化。1 9 2 8 年，c v r a m a n 和k s k r i s h m a n t 2 4 】首先在c c l 4 液体的散射 光中发现了频率变化。在他们的论文发表不久，俄国物理学家g s l a n d s b e r g 和 l i m a n d e l e s t a m ! i 】就在石英中观察到散射光频率变化的现象，他们将其称为联合 散射光谱；并g c a b a n u e s 和r o c a r d l 2 4 】在巴黎也证实了c v r a m a n 的观察结果。在 发现拉曼效应的1 9 2 8 年，有关拉曼效应的论文就发表了5 8 篇，第二年则多达1 7 5 篇。1 9 2 3 年，c v r a m a n 曾发现苯的散射光谱是不连续的，到19 2 6 年发表论文并 没有肯定这种散射是非弹性的，以后他又进行了很多实验证明此种散射是非弹性 的，但是当时c v r a m a n 只将这种效应简单称为“一种新辐射”。p r i n g s h e i m ! l 】当 时写了一篇详细的报告，总结并指出了c v r a m a n 所发现的是一种全新的现象， 他建议称这种现象为拉曼效应，这种新的光谱则称为拉曼光谱。这一术语当时很 快就被人们所接受并沿用至今，只有俄国人在7 0 年代以前称其为联合散射。由于 发现并系统地研究了拉曼散射，在1 9 3 0 年，4 2 岁的c v r a m a n 获得了诺贝尔物理 学奖，这是亚洲人获得的第一个诺贝尔科学奖。 拉曼效应发现之后，很快就在拉曼效应的基础上建立了拉曼光谱分析法。然 而，原始的拉曼光谱以汞弧灯作为激发光源，用常规摄谱仪做色散系统，虽然设 备简单方便，但出现的谱线极其微弱，需要较长的实验曝光时间和较多的样品用 量，而且只有透明的液体样品才适合于实验，还常受到非常难于除去的痕量荧光 杂质引起的背景干扰。至1 j 1 9 4 6 年前后，拉曼光谱的发展仍处于停滞阶段1 2 3 1 。自 1 9 6 0 年激光器问世后，以单色性好、能量集中、功率高的激光光源替代汞弧灯作 为拉曼光谱的激发光源，才使拉曼散射的研究工作得以迅速的发展。被用作红外 光谱学的补充，拉曼光谱可提供在红外或无红外吸收谱带的某些官能团的信息 【l j 。1 9 6 2 年，美国的p o r t o 和w 0 0 d 1 1 6 】首次用红宝石脉冲激光器作激发光源，用照 相法测得了苯、二硫化碳和四氯化碳的拉曼光谱，这项工作是激光拉曼光谱的开 拓性工作。 1 2 2 红外光谱与拉曼光谱的比较 1 2 2 1 红外光谱的基本原理 当用红外光去照射样品时，此辐射不足以引起分子中电子的跃迁，但可以被 浙江工业大学硕士学位论文 分子吸收引起振动和转动能级的跃迁。在红外光谱区实际所测得的谱图是分子振 动与转动运动的加和表现，故红外光谱亦被称为振动光谱。其按红外光波长不同， 将红外吸收光谱划分为三个区域：近红外区o 7 5 2 5 岬，中红外区2 5 一2 5 哪， 远红外区2 5 - - 1 0 0 0i x m 。 物质分子吸收红外光发生振动和转动能级跃迁，必须满足以下两个条件：( 1 ) 红外辐射光量子具有的能量等于分子能级能量差；( 2 ) 分子振动时必须伴随偶极 矩的变化，具有偶极矩变化的分子振动是红外活性振动【2 】。 1 2 2 2 拉曼散射理论 当一束具有一定频率( u - - - u o 的单色光照射到样品分子上，入射光将被分子散 射。大部分散射光子是弹性散射，意味着这些散射光子的频率和入射光相同。极 少部分( 约为百万分之一) 散射光子是非弹性散射，其散射光频率为加铷曲吣，散 射频率小于入射光频率称为斯托克斯散射( 咧矿) ，另一大于入射光频率的称为 反斯托克斯散射詈i ) o + 埘。散射光与入射光频率之差( 伊) 实际上就是分子的 振动频率，这个现象被称为拉曼散射( 图1 1 ) 。记录这个位移频率得到的光谱就 称为拉曼光谱【1 _ 。 jkjk 瑞利线反斯托妄 斯托克斯线 jk hu0 h ( uo + u hu0 h ( uo - u 1 ) huo 、，h u 日 、 、r、 ，工h t ( u o + u 1 ) 口卸 图1 1 拉曼和瑞利散射的能级图 在两种非弹性散射中，斯托克斯受激态的强度相对分布要大大超过反斯托克 斯受激态。在散射光谱中，反斯托克斯线给出和斯托克斯线一样的结构信息，但 由于其强度要弱得多，很少用于分析目的，因此，光谱中仅斯托克斯线部分被实 际应用。另外，光谱中的坐标通常不用频率位移( 1 ) ) 而是用波数( c m 。1 ) 表示。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 红外光谱与拉曼光谱的特性 红外光谱与拉曼光谱同属分子振动光谱，反映物质分子结构振动一转动的信 息，但由于两者机理不同，给出的光谱谱图信息也有一定差异，因此通过二种不 同振动光谱的研究，可以获得互补的分子结构信息。 对某一特定的价键，在拉曼光谱实验观察到的能量位移和其红外吸收光谱谱 线能量是一致的，表明相关的振动模型对红外吸收光谱和拉曼散射光谱是一致 的。尽管红外光谱和拉曼光谱具有相同的振动模型，但产生振动的机理是不同的， 因此两者之间存在不同之处也是不奇怪的1 2 5 1 。红外吸收光谱要求分子的振动模 型具有偶极距的变化，即分子振动时，分子的价键间偶极距变化不等于零，且入 射光频率和分子的振动频率相同时，才能使分子激发至振动态，产生红外吸收光 谱。而拉曼光谱涉及的是分子受光照射后，分子的价键电子云分布的暂时扭变( 即 极化度变化) ，随着价键返回基态时而发射出的一种散射光谱，散射光的频率不 等于入射光的频率。当其扭曲变形时，分子暂时被极化，产生随价键返回基态和 再发射而消失的瞬时极化偶极。由于产生光谱机理的不同，给定的振动模型的拉 曼活性和红外活性可能明显不同1 2 6 】。所以红外光谱最适合用于研究不同原子的 极性键的振动，而拉曼光谱最适合用于研究同原子的非极性键。 非线性分子有三个转动态和3 n 一6 个振动态，线性分子有二个转动态和3 n - - 5 个振动态，此处n 是分子中原子数，分子越大，振动态的信息越多。这些就 是在大多数单一化合物或混合物中观察到的红外和拉曼指纹光谱。任一分子化学 键都以特定频率振动，振动频率不仅与分子的价键结构相关，而且还和分子所处 化学环境有关。拉曼光谱和红外光谱是研究测定分子化学键振动一转动特征不同 的方法，由于它们基于不同的物理现象，因而常用于解决不同问题【2 7 1 。 获得拉曼光谱和红外光谱可以采用下述任一物质态：结晶态、无定型、液体、 气体或等离子体态【2 8 3 0 1 。而许多其它测定方法受物质态的限制，例如，x r a y 衍 射光谱要求单晶态或粉末态测定，质谱必须先将样品气化，一般核磁共振和紫外 吸收光谱测定需要在溶液状态完成。因此，振动光谱能起到不同光( 波) 谱方法之 间的桥梁作用。 红外光谱记录的是入射光被样品吸收的光谱，而拉曼光谱记录的是样品散射 光谱。因此，两种光谱仪器是非常不同的【2 6 】。相对来说，拉曼光谱的样品制备 浙江工业大学硕士学位论文 要容易得多。 虽然绝大多数振动包括红外吸收和拉曼散射两种信号，但选择定律常给出非 常不同的相对强度和谱线形状。对称振动和非极性基团振动很容易观察到拉曼光 谱，不对称振动和极性基团振动常可以观察到强的红外光谱。例如，水的红外吸 收光谱很强，而拉曼光谱较弱，使得可用拉曼光谱在水介质中研究生物和药物化 堂【2 6 】 亍 a 研究极性小的价键如c = c ，c = c ，c = n ，c s ，或s s 时，常常选择拉曼光 谱。这些价键在红外光谱中常见吸收峰的强度较弱或是不可见的，但常可产生很 强的拉曼谱带。 1 2 4 红外光谱与拉曼光谱的主要应用 随着，拉曼光谱技术的不断发展与成熟，及其与红外光谱的互补特性，使拉 曼光谱技术与红外光谱一样成为一种常用的物质分析检测手段。它们通过分子内 部各种简正振动频率及有关振动能级的情况，来鉴定分子中存在的官能团，并以 此确定分子结构。目前，红外光谱与拉曼光谱已在化学、生物医学及中草药等领 域的研究中得到广泛应用。 1 2 4 1 化学研究中的应用 在化学研究领域中，红外与拉曼光谱主要用于结构表征、高分子材料过程控 制及催化研究领域等。 在结构表征研究中，红外与拉曼光谱一直以来的都是结构表征的有效手段。 随着新型物质材料的不断开发、利用，红外与拉曼光谱技术拥有了更为广泛的应 用空间。近年来纳米材料成为研究的热点，而红外光谱，特别是拉曼光谱成为研 究纳米材料的重要手段，通过拉曼光谱能很好的对单壁纳米碳管的结构、特征进 行表征1 3 1 d 3 1 。 在高分子材料研究中，通常采用红外光谱研究含氢键的聚合物相容性，采用 广义二维傅立叶变换一拉曼光谱研究无氢键共混物的组成去相容性f 3 4 】；通过光 纤拉曼光谱的应用对聚合物固化过程进行监测【3 5 d 7 】、应用红外与拉曼光谱监控聚 合物反应过程，对控制反应的进行，得到所需性能的高分子材料有重要作用。此 外，还可用于表面增塑机理、聚合物水溶液和凝胶体系中水的结构与分子间、分 6 浙江工业大学硕士学位论文 子内相互作用力的研列n 。 在催化研究领域中【3 8 。3 9 】，主要采用红外光谱与拉曼光谱技术，通过对催化剂 进行表征，从而得到催化剂的晶相结构、相变过程、活性位的配位结构及在催化 反应中催化剂的变化过程等信息；通过对催化剂表面吸附状态的分析，研究催化 剂表面物种的结构。 在腐蚀研究中，红外光谱主要应用在鉴定缓蚀剂的结构【4 0 】、剖析各种金属 腐蚀表面结构【4 l 】和探测各种分子在金属表面的振动结构阳1 等。而拉曼光谱则主 要是用电化学调制的原位表面增强拉曼散射( s e r s ) 对一些重要的缓蚀剂体系的 研究；用电化学调制的s e r s 、普通拉曼光谱以及其它的原位或准原位拉曼光谱 应用形式对一些氧化或钝化膜进行表征和研究。 1 2 4 2 生物医学研究中的应用 近年来，红外光谱与拉曼光谱技术在生物及医学研究中拥有广阔的应用空 间。人们采用红外与拉曼光谱技术对生物大分子进行研究，解决了生物化学、生 物物理和分子生物学中的许多难题，包括分子特殊基团( 如氨基酸中的氨基、羧 基、苯环等) 与界面的相互作用、生物分子与金属表面的键合方式、d n a 、r n a 、 卟啉等在银胶中的吸附状态等研究。通过对多肽及蛋白质的构型进行分析，成功 获取蛋白质的主链构象、侧链残基的构型以及所处环境等多种信息，为研究蛋白 质中各种功能的研究打下基础 4 3 4 6 。 此外，红外与拉曼光谱技术还越来越多的应用于医学研究。由于组成细胞和 组织的蛋白质、核酸、糖、脂质、辅酶、维生素和许多其它基本成分均为复杂结 构的高分子化合物，而疾病都是细胞和组织的生物化学变化造成的。因此许多学 者应用这项技术研究了动物组织和细胞，并对各种疾病成因进行探讨【4 8 1 。而这 项技术更在癌症等疾病的医学诊断方面【4 ”1 1 ，取得了极大的成功。 1 2 4 3 药物研究中的应m t 5 2 - 5 4 1 对药物的研究与监测一直以来都是专家学者关注的热点之一。红外与拉曼光 谱以其快速、直接的检测特性，被广泛应用在药物研究领域。 现阶段，对药物的研究主要集中在药物合成与药物使用两方面。如在药物合 7 浙江工业大学硕士学位论文 成阶段中，对生产原料的分析、溶剂残留的测定、晶型的鉴定、晶型与结晶度的 定量分析等药物生产过程中的质量控制及最终产品中有效组分的解析；在药物使 用阶段中，药物在人体代谢过程中进行监控，确定代谢产物结构与代谢途径，为 医药动力学等方面的研究提供有效的依据。 1 2 5 红外光谱与拉曼光谱无损检测技术 无损检测技术是现代物理学、电子学、电子计算机技术、信息处理技术等学 科的基础上发展起来的一门综合性技术。利用红外与拉曼光谱技术对样品进行无 损分析，除了具有测试样品非接触性、非破坏性以外，还具有时间短、样品需求 量小等特点。因此，在分析过程中不会对样品造成化学的、机械的、光化学和热 的分解，成为分析科学领域的研究热点，被广泛应用于生物 4 6 5 5 1 7 1 、中药药材 5 9 - 6 2 、公安法证1 6 3 - 6 6 1 、文物考古【6 7 石8 j 和宝石鉴定6 9 。7 0 1 等方面。 1 2 5 1 生物样品的无损分析 生物样品的红外光谱与拉曼光谱无损分析技术，可以从分子结构上了解样品 的结构、特性及其变化规律。由于不会对d n a 产生影响，现今人们将这一技术 用于d n a 的分析研究，对不同状态中的d n a 构型进行分析，讨论其构型、构 象的变化；对酸碱变性、热变性及光或射线诱变d n a 进行研究，分析碱基损伤、 氢键的断裂等对遗传物质的影响；对金属离子、金属配合物及药物分子与d n a 进行相互作用的影响，探讨金属离子在生物体内的储存、循环、代谢。此外，还 对酶和蛋白质等生物分子与d n a 的相互作用，病毒中d n a 进行研究 4 6 5 5 5 田。 近年来，拉曼光谱无损分析技术发展、形成一种新的技术表面增强拉曼 光谱技术，并得到广泛关注，它可以在分子水平上研究被散射物质分子的结构信 息，并且能有效地消除荧光干扰，其短程增强特性在d n a 的复合物拓扑结构研 究中体现出独特优势【5 8 j 。 1 2 5 2 中药药材的无损分析 红外与拉曼光谱无损检测技术可以提高鉴定技术水平，保证药材质量可靠， 用药安全有效【5 9 击1 1 。如：近红外一傅立叶变换红外光谱( n i r - - f t i r ) 、水平衰 减全反射傅里叶变换红外光谱( h a t r f t i r ) 、漫反射傅立叶变换红外光谱( d r 浙江工业大学硕士学位论文 - - f t i r ) 和傅立叶变换拉曼光谱法( f t - - r a m a n ) 等分析技术可快速、无损、 直接地检测中药材，根据它们谱图的特征分类、鉴别及进行质控系统研究，即“本 草考证”。这对于药材的真伪鉴别，复方的优化、中药的质量控