拉曼光谱的原理及应用.ppt

共振拉曼光谱的原理及应用 学生 张静导师 李灿研究员 SeminarI 2004 11 4 背景介绍 拉曼光谱的发展简史 共振拉曼的原理简介 共振拉曼的应用 分析 生物 物理 共振拉曼的展望 拉曼散射现象的发现 C V Raman NobelPrizeinPhysics1930 拉曼光谱的发展简史 共振拉曼效应 Shorygin 1953 激光出现1960 共振拉曼选择性的研究血色素和肌球素中亚铁血红素的发色团 T C StrekasandT G Spiro 1972 1928 拉曼光谱简介 拉曼散射现象 经典理论光 电磁波将散射体作为独立的振转子量子理论光 电磁波量子力学方法处理散射体 对拉曼散射进行量子力学处理 一般采用微扰理论 将一束光辐射看作是一个微扰项 分子受微扰产生的感生电偶极矩 1激发光频率 ri电子吸收带频率 a c b d 正常拉曼散射 预共振拉曼散射 分离共振拉曼散射 连续共振拉曼散射 很大 可以达到连续能级 图1四种类型拉曼散射 A代表一般意义上的振动拉曼跃迁过程 即分子从基态跃迁至电子激发态再跃迁至终态的过程 整个过程中电子态不发生耦合 若A不为零 即共振跃迁过程是允许的 那么 振动跃迁的极化张量 电子 振动 共振拉曼 ef eg振动共振拉曼 ef eg 不为零 振动重叠积分 要求振动波函数是非正交的 有两种途径 对于电子态 eg 和 er 两电子态的势能曲线的形状不同可以产生 对于电子态 eg 和 er 沿着简正坐标势能最低点之间有一差值 即 只有全对称的模式才有这样的差值 在激发态时分子对称性发生改变除外 根据上面的分析 有如下四种情况 图2基态电子态eg与激发态电子态er的某一振动能级的势能面的示意图 纵坐标代表分子势能 横坐标代表分子的简正坐标 只有全对称振动 模式产生的跃迁才是允许的 是普遍情况 瑞利散射 全对称和非全对称模式跃迁都是允许的 er eg b d c a 图3共振拉曼跃迁过程的电子偶极跃迁与振动跃迁过程的积分示意 图左为从基态电子态eg到激发态电子态er的电子跃迁过程 右边是两种振动跃迁过程 v 0 v 0 v 1和v 0 v 1 v 1的积分示意 如果电子激发态的简正坐标相对于基态有很大的位移 Qk很大 重叠积分很大 这样 不仅能观测到基频 从到 而且能观测到倍频 甚至是三 四倍频 从到 2 3 4 一般分子振动都是发生在基频 但在共振的条件下 有时泛频和合频的强度也会得到增强 Vibrationalpart b a 图4共振拉曼中倍频振动跃迁过程示意 图左为从基态电子态eg到激发态电子态er的电偶极跃迁 右边是倍频跃迁过程v 0 v 2 v 2的积分示意 a b 对于全对称振动模式而言 由于B远小于A 所以B可以忽略不计 B中包含电子激发态 er 和其它电子激发态 es 振动耦合 即Herzberg Teller耦合 正是由于耦合 使得非全对称模式会产生共振增强效应 C中包含电子基态 eg 和一个电子激发态 et 之间的振动耦合 D中包含电子激发态 er 和其它两电子激发态 es 和 es 振动耦合 C和D都非常小 因此可以忽略不计 基频的强度可以达到瑞利线的强度 泛频和合频的强度有时大于或等于基频的强度 通过改变激发频率 使之仅与样品中某一种物质发生共振 从而选择性的研究某一种物质 和普通拉曼相比 其散射时间短 一般为10 12 10 5S 环境污染物的监测 稠环芳烃的共振拉曼光谱及紫外可见吸收光谱 质谱 制样繁琐荧光光谱 谱峰较宽 难以区分类似物质的光谱 AsherS A etal Anal Chem 1984 56 11 液态煤组分的检测 在乙氰中的液态煤蒸馏物的吸收光谱图 AsherS A etal Science1984 225 煤在燃烧时会产生NO2 SO2有害气体 污染环境 固体 不便运输 Ramanshift cm 1 Intensity A U Intensity A U Intensity A U Ramanshift cm 1 液态煤组分的检测 不同激发波长下不同蒸馏温度的共振拉曼光谱图 244nm 人工合成金刚石的检测 IIa型金刚石的吸收光谱 BormettR W etal J Appl Phys 1995 77 11 在金刚石的质量及物性的检测中 拉曼光谱是一种有效的方法 但常规拉曼光谱的信噪比不好 而且会受到荧光的干扰 珠宝级金刚石的共振 228 9nm 和普通拉曼 488nm 光谱图 人工合成金刚石的检测 BormettR W etal J Appl Phys 1995 77 11 1332 2467 20 3825 3300 100 Ramanshift cm 1 2000 229nm Intensity A U 4000 四种不同的 螺旋 折叠片 蛋白质二级结构的鉴定 蛋白质的二级结构指的是多肽链借助氢链排列成沿一个方向上具有周期性结构的构象 通常有 螺旋和 折叠片 蛋白质二级结构的鉴定 a 鲸脑球肌球素的结构b 鲸脑球肌球素的吸收光谱c f 不同激发波长下的共振拉曼光谱e f 血红素的环呼吸振动引起的吸收c d 色氨酸 酪氨酸 缩氨酸的 跃迁引起的吸收 wavelength nm absorbance a b c e f d Sanford