拉曼光谱原理及应用

六. 拉曼光谱发展与联用技术
1.共振拉曼光谱RRS (Resonance Raman Scattering)
激发频率等于或接近电子吸收带频率时共振
拉曼强度增万至百万倍，高灵敏度，宜定量
共振，高选择性 可调染料激光器
2.表面增强拉曼光谱SERS (Surface-Enhanced Raman
拉曼散射光谱（Raman）
分子振动也可能引起分子极化率的变化，产 生拉曼光谱。 拉曼光谱不是观察光的吸收 , 而是观察光的 非弹性散射。 非弹性散射光很弱，过去较难观测。激光拉 曼光谱的出现使灵敏度和分辨力大大提高，应用 日益广泛。
拉曼效应的发现
1928年，印度物理学家C. V. Raman他们在用汞灯的单色光 来照射CCl4液体时，在液体的散射光中观测到了频率低于入射 光频率的新谱线。在喇曼等人宣布了他们的发现的几个月后， 苏联物理学家兰德斯别尔格等也独立地报道了晶体中的这种效 应的存在。 光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发 光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长 的和短的成分，后一现象统称为拉曼（Raman）效应。
四、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： 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。
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带。 3 环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。
试样室
单色仪
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。
仪器使用中的注意事项
1.保证使用环境：具备暗室条件；无强震动 源、无强电磁干扰；不可受阳光直射。 2.光学器件表面有灰尘，不允许接触擦拭， 可用气球小心吹掉。 3.实验结束，首先取出样品，关断电源。 4.注意激光器电源开、关机的顺序正好相反。
分子在静电场E中，极化感应偶极距p p＝ αE α为极化率
ห้องสมุดไป่ตู้
• 诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子 极化率 • 分子中两原子距离最大时，α 也最大 • 拉曼散射强度与极化率成正比例关系
拉曼光谱的特征
1. 对不同物质Raman 位移不同； 2. 对同一物质 与入射光频率无关；是表征分子振 转能级的特征物理量；是定性与结构分析的依据； 3.拉曼线对称地发布在瑞利线两侧，长波一侧为斯托 克斯线，短波一侧为反斯托克斯线；
斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼谱线。由于在 通常情况下，分子绝大多数处于振动能级基态，所以斯 托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。 CCl4的 拉曼光谱 Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
Δν/cm-1
拉曼位移（Raman shift）
光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。
二. 拉曼(Raman)光谱基本原理
拉曼光谱是研究分 子和光相互作用的 散射光的频率
散射光
入射光
0
0
透射光
散射是光子与分子发生碰撞的结果
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；
迁到下能级而发光，即为散射光。
当外来光子入射到分子时，可以设想分子吸收一个光子后跃迁 到一个实际上不存在的虚能级，并立即回到原来所处的基态而重新
发射光子，这是瑞利散射。
如果分子跃迁到虚能级不回到原来所处基态，而落到另一较高能 级发射光子，这个发射的新光子能量hv′显然小于入射光子能量hv， 是拉曼散射的斯托克斯线(Stokes) ，两光子能量差△E=h△v =h（vv′）。△v就是拉曼散射光谱的频率位移。反之发射光子频率高于 原入射光子频率，为反斯托克斯线(anti-Stokes)。
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。
CCO modes
5000 5000
Skeletal Bending
CH3 and CH2 Bending Modes
OH stretching
00
500
500
1000
1000
1500
1500
2000
2000
2500
2500
3000
3000
3500
3500
i = o- (cm-1)
拉曼光谱与分子极化率的关系
2941，2927cm-1 ASCH2
2854cm-1 SCH2
1029cm-1 （C-C）
803 cm-1环呼吸
1444，1267 cm-1 CH2
3060cm-1r-H) 1600,1587cm-1 c=c)苯环 1039, 1022cm-1单取代
1000 cm-1环呼吸 787 cm-1环变形
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。
海洛因
罂粟碱
如果毒品种混有其他白色粉末，怎么办？
五. 拉曼光谱与红外光谱分析方法比较
拉曼光谱 光谱范围40-4000Cm-1 红外光谱 光谱范围400-4000Cm-1
水可作为溶剂 样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器 中直接测定 固体样品可直接测定
红外光谱：基团； 拉曼光谱：分子骨架测定；
sC C
红外可见，拉 曼不可见
asC C
拉曼可见，红 外不可见
sC C
Cl C H C
H Cl
拉曼光谱的优点及其应用
一些在红外光谱中为弱吸收或强度变化的谱带，在 拉曼光谱中可能为强谱带，从而有利于这些基团的检 出。 拉曼光谱低波数方向的测定范围宽，有利于提供重 原子的振动信息。 对于结构的变化，拉曼光谱有可能比红外光谱更敏 感。 特别适合于研究水溶液体系。 比红外光谱有更好的分辨率。 固体样品可直接测定，无需制样。
互补
拉曼光谱与红外光谱的关系
O=C=O
对称伸缩
偶极距不变无红外活性
O=C=O
反对称伸缩
偶极距变有红外活性
极化率不变无拉曼活性
极化率变有拉曼活性
互排法则：有对称中心的分子其分子振动 对红外和拉曼之一有活性，则另一非活性
互允法则：无对称中心的分子其分子振动
对红外和拉曼都是活性的。
红外与拉曼谱图对比
激发虚态 E1 + h0 h0 E1 E0
Rayleigh散射
h(0 - )
E0 + h0
h0 h 0 h(0 + )
V=1 V=0
Raman散射
h
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.
Raman散射: Raman 散射的两种 h(0 - ) 跃迁能量差： E=h(0 - ) E1 V=1 产生stokes线；强； E0 V=0 基态分子多； E=h(0 + ) 产生anti-stokes线； STOKES 弱； Raman位移： Raman 散 射 光 与 入 0 - 射光频率差；
拉曼散射效应的进展
1928年，印度物理学家拉曼（C.V.Raman）首次发现曼散射效应，荣获
1930年的诺贝尔物理学奖。 1928-1940年，拉曼光谱成为研究分子结构的主要手段。因为拉曼光谱喇
曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质。从这些资料可以导出物质
结构及物质组成成分的知识。这就是喇曼光谱具有广泛应用的原因。 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
高分子材料鉴定
10000
8000
Nylon6 尼龙
6000
Kevlar 合成纤维 Pstyrene 聚苯乙烯
4000
PET Paper 纸纤维 Ppropylene丙烯 PE/EVA 聚乙烯
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
2000
0
生物分子鉴定
拉曼光谱法对于蛋白质中 的酪胺酸可以测出它是埋 藏在內或暴露于外。如果 酪胺酸是被埋藏在內部， 則它可做为强的氢键供给 者（即提供氢原子給临近 的氢鍵接受者）。此时拉 曼光谱上850cm-1/830cm-1 的比值为0.5，即830cm-1的 光谱峰较高。 反之，若酪胺酸暴露在蛋 白质外部，則比值将升高， 亦即850cm-1的光谱峰较高。
Scattering)
试样吸附在金属表面上，增103～106 表面与共振联用检测限10-9～1012 mol/L
表面增强拉曼(SERS)简介
• 什么是表面增强?
SERS 效应是在激发区域内，由于样品表面或近表 面的电磁场的增强导致的拉曼散射信号极大的增强。
• 怎么得到表面增强?
第四章 拉曼光谱
Raman Spectroscopy
光谱分类
一. 概 述
原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS 发射光谱 ）、X射线荧光光谱法（XFS）、分子荧光光 谱法（MFS）等
吸收光谱
紫外－可见光法（UV-Vis）、原子吸收光谱（ AAS）、红外观光谱（IR）、核磁共振（NMR ）等
联合散射 光谱
Δv即散射光频率与激发光频之差。 由于拉曼位移Δv只取决于散射分子的结构 而与vo无关，所以拉曼光谱可以作为分子 振动能级的指纹光谱。 与入射光波长无关 适用于分子结构分析
拉曼光谱图
从图中可见，拉曼光谱的横坐标为拉曼位移，以
。其中v s 和 v 0 分别为 Stokes位移和入射光波数。纵坐标为拉曼光强。 波数表示 由于拉曼位移与激发光无关，一般仅用Stokes位
水不能作为溶剂
不能用玻璃容器测定
需要研磨制成 KBR 压片
同
同属分子振(转)动光谱
红外： 适用于研究不同原子的极性键振动 异：红外 分子对红外光的吸收
强度由分子偶极距决定 －OH, －C＝O，－C－X 拉曼： 适用于研究同原子的非极性键振动 异：拉曼 分子对激光的散射
强度由分子极化率决定 －N － N－, －C－C－
4.斯托克斯线强度比反斯托克斯线强；
三. 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， 488.0nm； 单色器： 光栅，多单色器； 检测器： 光电倍增管， 光子计数器；
激光器
如具有30 nm，351 nm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 (钇铝石榴石)激光器则在 1064 nm的近红外区使用。 发射透镜 使激光聚焦在样品上 收集透镜 使拉曼光聚焦在单色仪的入射狭缝 仪器心脏 1个光栅，2个狭缝 减少杂散收光
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。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
E1 + h0 E2 + h0
h0
h(0 + ) h
ANTI-STOKES
Rayleigh
0
0 +
设散射物分子原来处于基态，振动能级如图所示。当受到入 射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸 收，表述为电子跃迁到虚态(Virtual state)，虚能级上的电子立即跃
移部分。对发荧光的分子，有时用反Stokes位移。
v v s v 0
20000 20000
甲醇vs. 乙醇
CH3OH vs. CH3CH2OH
OH Bending
拉曼是指纹光谱
CH3 Stretching Modes
Intensity (A.U.)
15000 15000
10000 10000