拉曼光谱及其应用

1、拉曼光谱及其应用,拉曼光谱简介及其在分析化学中的应用,光谱分类,光谱分类,Inelastic scattering of light at a molecule,Basic Principles of Vibrational Spectroscopy,拉曼光谱简介,斯梅卡尔 预言新的谱线 频率与方向都发生改变,拉曼（C.V.Raman） 在气体与液体中观测到一种特殊光谱的散射 获1930年诺贝尔物理奖,苏联人曼迭利斯塔姆、兰兹贝尔格 在石英中观测到拉曼散射,History,拉曼散射效应的进展： 拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发现的，本人也因此荣获1930年

2、的诺贝尔物理学奖。 1928-1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故； 1940-1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落； 1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研

3、究者的重视,拉曼散射,用单色光照射透明样品，大部分光透过而小部分光会被样品在各个方向上散射。 散射分为瑞利散射与拉曼散射两种,1.瑞利散射 ：若光子与样品分子发生弹性碰撞，即光子与分子之间没有能量交换，光子的能量保持不变，散射光频率与入射光相同，但方向可以改变。这是弹性碰撞，叫瑞利散射,2.拉曼散射： 当光子与分子发生非弹性碰撞时，产生拉曼散射,处于振动基态的分子在光子作用下，激发到较高的不稳定的能态（虚态）后又回到较低能级的振动激发态。此时激发光能量大于散射光能量，产生拉曼散射的斯托克斯线，散射光频率小于入射光,若光子与处于振动激发态（V1）的分子相互作用，使分子激发到更高的不稳定能态后又回

4、到振动基态（V0）, 散射光的能量大于激发光，产生反斯托克斯散射，散射光频率大于入射光,激光拉曼光谱基本原理principle of Raman spectroscopy,Rayleigh散射： 弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向； Raman散射： 非弹性碰撞；方向改变且有能量交换,Rayleigh散射,Raman散射,E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态,基本原理,1. Raman散射 Raman散射的两种跃迁能量差： E=h(0 - ) 产生stokes线；强；基态分子多； E=h(0 + ) 产生反stokes线；弱；

5、Raman位移： Raman散射光与入射光频率差,2. Raman位移,对不同物质： 不同； 对同一物质： 与入射光频率无关；表征分子振-转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据； Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极距 = E 分子极化率,3.红外活性和拉曼活性振动,红外活性振动 永久偶极矩；极性基团； 瞬间偶极矩；非对称分子,红外活性振动伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带. 拉曼活性振动 诱导偶极矩 = E 非极性基团，对称分子； 拉曼活性振动伴随有极化率变化的振动。 对称分子： 对称振动拉曼活性。 不对称振动红外活性,4. 红外与拉曼谱图对比,红外光谱：基团； 拉曼光

6、谱：分子骨架测定,红外与拉曼谱图对比,对称中心分子CO2，CS2等，选律不相容。 无对称中心分子（例如SO2等），三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动,5.选律,振动自由度：3N- 4 = 4,拉曼光谱源于极化率变化,红外光谱源于偶极矩变化,6. 拉曼光谱与红外光谱分析方法比较,拉曼光谱和红外光谱同属分子振动光谱，但它们的机理却不同：红外光谱是分子对红外光的特征吸收，而拉曼光谱则是分子对光的散射。由于拉曼散射光的频率位移对应于分子的振动能级的改变，不同的化学键或基团有不同的振动，拉曼位移是特征的，所以拉曼光谱技术便成为人们研究分子结构的新手段之一,拉曼光谱的强度相对于红外光谱很低 拉曼光

7、谱是入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果，利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测 红外光谱：固有偶极偏极化性Polarizability Inherence dipole moment 拉曼光谱：诱导偶极 Induced dipole moment 拉曼光谱与红外光谱是相互补充,拉曼光谱的发展RR与SERS技术,以频率能激发电子至激激发态的入射光去激发一個化合物，此時部分的拉曼譜線強度會加強，這是分子能階的电子转移与振动耦合的結果，称为共振拉曼散射,SERS与粗糙的表面有关， 具有极高的检测表面物种的灵敏度， 可以用于研究分子水平的信息,拉曼

8、光谱的发展RR与SERS技术,CRM200共焦显微拉曼光谱仪 Renishaw共焦显微拉曼光谱仪,拉曼光谱仪 拉曼光谱仪的光源为激光光源。由于拉曼散射很弱，因此要求光源强度大，一般用激光光源。有可见及红外激光光源等。如具有308nm，351nm发射线的紫外激光器；Ar+激光器一般在488.0nm, 514.5nm等可见区发光；而Nd:YaG激光器则在1064nm的近红外区使用。 色散型拉曼光谱仪有多个单色器(double or triple monochrometer system)。 由于测定的拉曼位移较小，因此仪器需要较高的单色性。在傅立叶变换拉曼光谱仪中，以迈克尔逊干涉仪代替色散元件，光

9、源利用率高，可采用红外激光，用以避免分析物或杂质的荧光干扰。 拉曼光谱仪的检测器为光电倍增管、多探测器(如CCD: Charge Coupled Device)等,微区分析装置的应用。微区分析装置是拉曼光谱仪的一个附件，由光学显微镜、电子摄像管、显象荧光屏、照相机等组成。可以将局部样品的放大图显示在荧光屏上，用照相机拍摄样品的显微图象。如人眼球晶体中白内障病变部位的观测等,Microscope schematic,Conventional vs. Confocal,圖五.Micro-Raman系統及光路架構圖; (其中BS指Beam Split、而objective即指顯微鏡之接物鏡,High

10、 spatial resolution: 高空间分辨率(对包裹体,金刚石压砧中的样品等尤其有用,Non-destructive analysis: 无损分析,Almost no sample preparation: 几乎不用样品制备,Very small amount of sample:所须样品量少,Characteristic vibrational spectrum: 指纹性振动谱,为何使用显微拉曼,Raman microscopy,激光Raman光谱仪 laser Raman spectroscopy,激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm,Ar激光器， 波长514.5nm，

11、 488.0nm； 散射强度1/4 单色器： 光栅，多单色器； 检测器： 光电倍增管， 光子计数器,激光拉曼光谱仪 （示意图,傅立叶变换-拉曼光谱仪,FT-Raman spectroscopy 光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064m）； 检测器：高灵敏度的铟镓砷探头； 特点： （1）避免了荧光干扰； （2）精度高； （3）消除了瑞利谱线； （4）测量速度快,拉曼光谱的应用 applications of Raman spectroscopy,由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息,2）红外光谱中，由C N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱

12、带,3）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带,1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼谱带， 随单键双键三键谱带强度增加,4）在拉曼光谱中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-这类键的对称伸缩振动是强谱带，反这类键的对称伸缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反,5）C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带,6）醇和烷烃的拉曼光谱是相似的：I. C-O键与C-C键的力常数或键的强度没有很大差别。II. 羟基和甲基的质量仅相差2单位。 III.与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱,2941，2927cm-1 ASCH2,2854cm-1 SCH2,1029cm-1 （C-C

13、,803 cm-1环呼吸,1444，1267 cm-1 CH2,3060cm-1r-H,1600,1587cm-1 c=c)苯环,1000 cm-1环呼吸,787 cm-1环变形,1039, 1022cm-1单取代,拉曼光谱及其联用技术应用,生物分子鉴定,拉曼光譜法對於蛋白質中的酪胺酸可以偵測出它是埋藏在內或曝露於外。如果酪胺酸是被埋藏在內部，則它可做為強的氫鍵供給者（即提供氫原子給鄰近的氫鍵接受者）。此時拉曼光譜上850cm-1/830cm-1的比值為0.5，即830cm-1的光譜峰較高。反之，若酪胺酸曝露在蛋白 質外部，則比值將升高，亦即850cm-1的光譜峰較高,海洛因,拉曼光谱及其联用

14、技术应用,罂粟碱,如果毒品种混有其他白色粉末，怎么办,奶粉与洗衣粉的拉曼光谱图 从图中可以明显的的看出来与毒品的光谱图形状不一样,拉曼光谱及其联用技术应用,拉曼光谱及其联用技术应用,云南黑井镇明代重要盐度,黑井瓦条 井火葬墓群中挖掘出土的, 是火葬墓的随葬品, 置于火葬罐内, 表示被葬者的官阶、身份,考古研究,从图中可以看出，不同的碳材料其拉曼光谱不同， 因此可以彼此区分,Analysis of Artwork,Ancient tibetian Mandala,FT-Raman microscopy Investigation of an Ancient Manuscript,Piece of

15、 medieval manuscript,Surface map by FT-Raman spectroscopy,Red ink: Cinnabar (HgS,Raman: Non Destructive Analysis,Gemmologic studies of jewellery: Diamond (C), Moissanite (SiC), Zirconia (ZrO2,Moissanite,Diamond,Zirconia,Raman Microscopy,RAMANSCOPE TM spectrum of a single human hair,(S-S,拉曼光谱是一种手段，更是一项工具,药物分析与 分子荧光探针,无损技术分析手段,1）拉曼光谱的特点,a)拉曼光谱的常规扫描范围为40-4000cm-1,b)固体粉末样品、高聚物、纤维、单晶、溶液等各种样品皆可以做 拉曼光谱,c)水的拉曼光谱很弱，所以水是优良的溶剂,d)固体粉末样品可直接进行测定，不必