拉曼光谱分析技术

1、拉曼光谱分析技术 元元 拉曼光谱分析技术拉曼光谱分析技术 n拉曼光谱概述拉曼光谱概述 n1 n拉曼光谱的基本原理拉曼光谱的基本原理 n2 n激光拉曼光谱仪激光拉曼光谱仪 n3 n拉曼光谱技术的应用和发展拉曼光谱技术的应用和发展 n4 1 拉曼光谱概述拉曼光谱概述 n1928年印度物理学家C.V.拉曼在 实验中发现，当光穿过透明介质 被分子散射的光发生频率变化， 这一现象称为拉曼散射，本人也 因此荣获1930年的诺贝尔物理学 奖。 1.1 拉曼光谱的发展历程 拉曼发明的拉曼光谱仪拉曼发明的拉曼光谱仪 n19281940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

2、感 光技术已经发展起来的缘故； n19401960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； n1960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 受研究者的重视。 1.2 拉曼光谱技术的优越性 n提供快速、简单、可重复且更重要的是无损伤的定性

3、 定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探 头或者通过玻璃、石英和光纤测量。此外 1） 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水 溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。 2） 拉曼光谱一次可同时覆盖50-4000波数的区间， 可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱 覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波 器和检测器 3） 拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数 据库搜索以及运用差异分析进行定性研究。在化学结 构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的 数量相关。 4） 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2- 2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。

4、 这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。 5） 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分 子某个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能 被选择性地增强1000到10000倍。 1.3 几种重要的拉曼光谱分析技术 n1、单道检测的拉曼光谱分析技术 n2、以CCD为代表的多通道探测器用于拉 曼光谱的检测仪的分析技术 n3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光 谱分析技术 n4、共振拉曼光谱分析技术 n5、表面增强拉曼效应分析技术 拉曼光谱分析技术 2 拉曼光谱的基本原理拉曼光谱的基本原理 2 拉曼光谱的基本原理拉曼光谱的基本原理 光的瑞利散射和拉曼散射光的瑞利散射和拉曼散射 一束频率为

5、0的单色光，当它不能被照射的物体 吸收时，大部分光将沿入射光束通过样品，约 1/1051/106有强度的光被散射到各个方向，并 在与入射方向垂直的方向，可以观察到两种散射。 瑞利散射为光与样品分子间的弹性碰撞，光子的 能量或频率不变，只改变了光子运动的方向。 拉曼散射为光与样品分子间的非弹性碰撞，光子 的能量或频率以及方向都发生变化。 瑞利散射不变拉曼散射变化 2.1 瑞利散射和拉曼散射 样 品 池 透过光不变 瑞利散射不变 拉曼散射变 增大 减小 CCl4的拉曼光谱 Stocks lines anti-Stockes lines Rayleigh scattering /cm-1 拉曼效应的

6、机制和荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不 能用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上能级概念 说明拉曼效应。 假设散射物分子原来处于电子基态，振动能级如上图所示。当 受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起极化可以 看作虚的吸收，表述为跃迁到虚态虚能级上的电子立即跃 迁到下能级而发光，即为散射光。存在如图所示的三种情 况，散射光与入射光频率相同的谱线称为瑞利线，与入射 光频率不同的谱线称为拉曼线。 Rayleigh散射：散射： 弹性碰撞；无 能量交换，仅改变 方向； Raman散射：散射： 非弹性碰撞； 方向改变且有能量 交换； Rayleigh散射散射Raman散射散射 E0基态， E1

7、振动激发态； E0 + h 0 ， E1 + h 0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态. h E0 E1 V=1 V=0 h 0 h 0 h 0 h 0 + E1 + h 0 E0 + h 0 h( 0 - )激发虚态 2.2 拉曼效应 拉曼效应为光子与样品中分子的非弹性碰撞，即光子与分子 相互作用中有能量的交换。 入射光子的能量为h0，当与分子碰撞后，可能出现两种情况： 第一种是分子处于基态振动能级，与光子碰撞后，分子从入 射光子获取确定的能量h达到较高的能级。则散射光子的 能量变为h（0）= h，频率降低至0，形成频率 为0的谱线。 另一种是分子处于激发态振动能级，与光子碰撞后，分子

8、跃 迁回基态而将确定的能量h传给光子。则散射光子的能量 变为h（0）= h，频率增加至0，形成频率为0 的谱线。 两种情况，散射光子的频率都发生变化了，减小或增加了。 RamanRaman散射散射 Raman散射的两 种跃迁能量差： E=h(0 - ) E=h(0 + ) h( 0 + ) E0 E1 V=1 V=0 E1 + h 0 E2 + h 0 h h 0 h( 0 - ) Stokes线与反Stokes线 将负拉曼位移，光子失去能量，频率减 小，即0称为Stokes线（斯托克斯 线）。 将正拉曼位移，光子得到能量，频率增 大，即0称为反Stokes线（反斯托 克斯线）。 正负拉曼位移

9、线的跃迁几率是相等 的，但由于反斯托克斯线起源于受激振 动能级，处于这种能级的粒子数很少， 因此反斯托克斯线的强度小，而斯托克 斯线强度较大，在拉曼光谱分析中主要 应用的谱线。 2.3 拉曼位移 Raman位移：位移：Raman散射光与入射光频率 差； ANTI-STOKES 0 - Rayleigh STOKES 0 + 0 =| 0 s | 取决于分子振动 能级的改变，因此是 特征的 拉曼位移的特点 对不同物质： 不同； 对同一物质：与入射光频率无关；只与分子振 动或转动频率有关，表征分子振-转能级的特征物理 量；定性与结构分析的依据 拉曼位移产生的条件 拉曼散射不要求有偶极矩的变化，却要

10、求有极化率的变化， 与红外光谱不同，也正是利用它们之间的差别，两种光谱可 以互为补充。 分子在静电场E中，如光波交变电磁场 分子中产生了感应 偶极距p 正 极 负 极 核电子 P=E 分子的极化率 拉曼光谱与分子极化率的关系 P=E 分子的极化率 n感应偶极矩与外电场的强度之比为 分子极化率 n分子中两原子距离最大时，也最大 n拉曼散射强度与极化率成正比例关系 2.4 拉曼散射光谱的特征 n拉曼散射光谱具有以下明显的特征 a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但 对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关, 只与样品的振动转动能级有关； b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托

11、克斯线和反斯 托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上 述两种情况下分别相应的得到或失去了一个振动量子的 能量。 c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。 这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远 大于处于振动激发态上的粒子数。 2.5 拉曼散射光谱的优缺点 n(1)拉曼光谱是一个散射过程，因而任何尺寸、形状、 透明度的样品，只要能被激光照射到，就可直接用来 测量。由于激光束的直径较小，且可进一步聚焦，因 而极微量样品都可测量。 n(2)水是极性很强的分子，因而其红外吸收非常强烈。 但水的拉曼散射却极微弱，因而水溶液样品可直接进 行测量，这对生物大分子的研

12、究非常有利。 n (3)对于聚合物及其他分子，拉曼散射的选择定则的 限制较小，因而可得到更为丰富的谱带。SS，CC， C=C，N=N等红外较弱的官能团，在拉曼光谱中信号 较为强烈。 n拉曼光谱研究高分子样品的最大缺点是荧光散射 。 发光（荧光）的抑制和消除 n在拉曼光谱测试中，往往会遇到荧光的 干扰，由于拉曼散射光极弱，所以一旦 样品或杂质产生荧光，拉曼光谱就会被 荧光所淹没。通常荧光来自样品中的杂 质，但有的样品本身也可发生萤光，常 用抑制或消除萤光的方法有以下几种: （1）纯化样品 （2）强激光长时间照射样品 （3）加荧光淬灭剂 有时在样品中加入少量荧光淬灭剂，如 硝基苯，KBr, AgI

13、等 ，可以有效地淬灭 荧光干扰。 （4）利用脉冲激光光源 当激光照射到样品时，产生荧光和拉曼散 射光的时间过程不同，若用一个激光脉冲照射 样品，将在10-11 10-13S内产生拉曼散射光， 而荧光则是在10-710-9S后才出现。 (5)改变激发光的波长以避开荧光干扰 在测量拉曼光谱时，对于不同的激发光拉 曼谱带的相对位移是不变的，荧光则不然，对 于不同的激发光，荧光的相对位移是不同的。 所以选择适当的激发光，可避开荧光的干扰。 在实际工作中常用这一方法识别荧光峰。 2.6 拉曼光谱与红外光谱比较 拉曼光谱与红外光谱互称为姊妹谱。因此， 可以相互补充。 n 相似之处： a 激光拉曼光谱与红外

14、光谱一样，都能提供分 子振动频率的信息，对于一个给定的化学键， 其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一 振动能级的能量。 b 拉曼光谱的分析方法与红外光谱相似 n 不同之处： a 红外光谱的入射光及检测光都是红外光，而拉曼光谱的 入射光和散射光大多是可见光。拉曼效应为散射过程， 拉曼光谱为散射光谱，红外光谱对应的是与某一吸收 频率能量相等的（红外）光子被分子吸收，因而红外 光谱是吸收光谱。 b 机理不同：从分子结构性质变化的角度看，拉曼散射过 程来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率的变化相 关。通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引 起极化率的变化，是拉曼活性的。红外吸收过程与分 子永久

15、偶极矩的变化相关，一般极性分子及基团的振 动引起永久偶极矩的变化，故通常是红外活性的。 c 制样技术不同：红外光谱制样复杂，拉曼光谱勿需制样， 可直接测试水溶液。 拉曼光谱与红外光谱分析方法比较 拉曼光谱拉曼光谱红外光谱红外光谱 光谱范围光谱范围40-4000Cm-1光谱范围光谱范围400-4000Cm-1 水可作为溶剂水可作为溶剂水不能作为溶剂水不能作为溶剂 样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器 中直接测定中直接测定 不能用玻璃容器测定不能用玻璃容器测定 固体样品可直接测定固体样品可直接测定需要研磨制成需要研磨制成 KBR 压片压片 拉曼光谱分析技术 3 激光拉曼光谱

16、仪激光拉曼光谱仪 激光拉曼光谱仪示意图 3.1 仪器组成 n激光拉曼光谱仪主要由光源、外光路系 统、色散系统、接收系统和检测记录系 统五大部分组成。 3 激光拉曼光谱仪激光拉曼光谱仪 光源 n它的功能是提供单色性好、功率大并且 最好能多波长工作的入射光。目前拉曼 光谱实验的光源己全部用激光器代替历 史上使用的汞灯。对常规的拉曼光谱实 验，常见的气体激光器基本上可以满足 实验的需要，常用氩离子激光器。最常 用的两条激发线的波长分别为 514.5 nm 和 488.0 nm。 外光路系统 n外光路部分包括聚光、集光、样品架 滤光和偏振等部件。 (1) 聚光：用一块或二块焦距合适的汇聚透镜 ，使样品

17、处于汇聚激光束的中部，以提高样品 光的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功 率比不用透镜汇聚前增强105倍。 (2) 集光：常用透镜组或反射凹面镜作散射光 的收集镜。通常是由相对孔径数值在1左右的 透镜组成。为了更多地收集散射光，对某些实 验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加 反射镜。 (3) 样品架：样品架的设计要保证使照明最有效 和杂散光最少，尤其要避免入射光进入光谱仪 的入射狭缝。 (4) 滤光：安置滤光部件的主要目的是为了抑制 杂散光以提高拉曼散射的信噪比。 (5) 偏振：做偏振谱测量时，必须在外光路中插 入偏振元件。加入偏振旋转器可以改变入射光 的偏振方向。 色散系统 n色散系统

18、使拉曼散射光按波长在空间分 开，通常使用单色仪。主要作用是减少 杂散光对测量的干扰，之后进入光电倍 增管。 单色仪是拉曼光谱仪的心脏，要求环境 清洁，灰尘对单色仪的光学元件镜面的 玷污是严重的，必要时要用洗耳球吹拂 去镜面上的灰尘，但切忌用粗糙的滤纸 或布抹擦，以免划破光学镀膜。 接收系统 n拉曼散射信号的接收类型分单通道和多 通道接收两种。 光电倍增管接收属于单通道接收。 检测记录系统 n为了提取拉曼散射信息，常用的电子学 处理方法是直流放大、选频和光子计数 ，然后用记录仪或计算机接口软件画出 图谱。 3.2 激光拉曼光谱仪 激光光源激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm Ar激光器

19、， 波长514.5nm， 488.0nm； 散射强度1/4 单色器单色器： 光栅，多单色器； 检测器检测器： 光电倍增管， 光子计数器； 3.3 傅立叶变换-拉曼光谱仪 FT-Raman spectroscopy 光源：Nd-YAG（钕-钇铝石榴石）激光器； 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。 拉曼光谱分析技术 4 4 拉曼光谱技术的应用和拉曼光谱技术的应用和 发展发展 4.1 拉曼光谱的应用 拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建 立起来的分子结构表征技术，其信号来源 于分子的振动和转动。拉曼光谱的分析方

20、向有以下三方面。 n定性分析：不同的物质具有不同的特征光 谱，因此可以通过光谱进行定性分析。 n结构分析：对光谱谱带的分析，又是进行 物质结构分析的基础。 n定量分析：根据物质对光谱的吸光度的特 点，可以对物质的量有很好的分析能力。 4 4 拉曼光谱技术的应用和发展拉曼光谱技术的应用和发展 水果表面残留农药的监测 n从不同种类的水果表面得到的拉曼光谱可 以看出，除了水果原本的拉曼峰外，农药 的残留能清晰地显示出来，这表明这一方 法是灵敏而适用的。定量地分析农药残留 可以从农药特征谱线和水果特征谱线的相 对强度比获得。 生物分子鉴定 拉曼光谱法对于蛋白质中的酪 胺酸可以侦测出它是埋藏在内 或暴露于外。如果酪胺酸是被 埋藏在内部