拉曼光谱

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激光拉曼散射光谱法
试验设备和实验技术
1. 激光光源 激光是原子或分子受激辐射产生的。激光和普通光 源相比，具有以下几个突出的优点： (1) 具有极好的单色性。激光是一种单色光，如氦氖激光器 发出的6328Å的红色光，频率宽度只有910-2Hz。
(2) 具有极好的方向性。激光几乎是一束平行光，例如，红 宝石激光器发射的光束，其发射角只有3分多。激光是非常 强的光源。由于激光的方向性好，所以能量能集中在一个 很窄的范围内，即激光在单位面积上的强度远远高于普通 光源。 拉曼光谱仪中最常用的是He-Ne气体激光器。
发光（荧光）的抑制和消除
(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。
Si 位移520cm –1 绝对位置因激发光不同 而异，相对位置不变

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，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，越来越受研究者 的重视。
STOKES
Rayleigh
ANTI-STOKES
0 -
0
0 +
Stokes线与反Stokes线
●另一种是分子处于激发态振动能级，与光子碰撞后，分 子跃迁回基态而将从确定的能量h 传给光子。则散射光 子的能量变为h（ν0＋ ）= hν，频率增加至ν0＋ 。 形成能量为h（ν0＋ ）、频率为ν0＋ 的谱线。


C.V. Raman an Indian Physicist
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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；
如乙烯分子的扭曲振动
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二 拉曼光谱与红外光谱比较

相同点

同属分子振(转)动光谱

异：红外 分子对红外光的吸收 红外：适用于研究不同原子的极性键振动

强度由分子偶极距决 －OH, －C＝O，－C－X 定 异：拉曼 分子对激光的散射 拉曼：适用于研究同原子的非极性键振动 强度由分子极化率决 －N －N－, －C－C－ 定 互补


1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈的主要原因。
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三 拉曼光谱仪仪器简介

(1) 色散型拉曼光谱仪 (2) 傅立叶变换拉曼光谱仪

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(1) 色散型拉曼光谱仪
色散型拉 曼光谱仪


光源

样品装置

单色器
信号处 理系统


拉曼光谱仪主要由五个基本部件组成：
1、用于激发被测样品的激发光源（激光）。
反对称伸缩

偶极距不变，无红外活性
偶极距变，有红外活性

极化率变，有拉曼活性 极化率不变，无拉曼活性
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红外与拉曼活性判断法则


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。


互禁法则：既非拉曼活性，也非红外活性。

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1.1、 拉曼光谱的基本原理

吸收

单色光
透 明 试 样


折射
衍射


反射
散射

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光散射 - 瑞利散射

散射光中，弹性 (瑞利) 散射占主导
入射光 分子 分子
散射光
散射前…
emission
散射后…
excitation 瑞利散射：若入射光与样品分子之间发生弹性碰撞，即 两者之间没有能量交换，这种光散射，称为瑞利散射。 ●瑞利散射为光与样品分子间的弹性碰撞，光子的能量 5

Rayleigh scattering
Stocks lines anti-Stockes lines

CCl4的拉曼光谱
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温度升高，反斯托克斯线增加
Anti-Stocks线 Stocks线 e


e

e
e
温度升高 概率大！
振 3 动 2 能 1 级 0
电 子 基 态

e

e
Rayleigh 散射
发光 488 1000 496.5 649 514.5 无 绝对波数 不因 ν 不同而改变
发光线
1000cm-1
20141 19435
Si 520 cm-1
649 cm-1
19972 21012
Si 520 cm-1 Si 520 cm-1
19955
20492
20661
19621
19492
18915
2、收集散射光光学系统。 3、把散射光中不同频率的光分开的分光光度计（单色器）。 4、测量各种不同散射光频率的检测器。 5、用于单色器扫描控制、数据采集/处理和数据分析的操作软件。
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色散型拉曼光谱仪缺点
色散型拉曼光谱仪大都采用可见光作激发光源和光栅分 光得到拉曼光谱。

这类光谱仪存在的缺点： （1）采用可见光激发，容易产生荧光。 在生物大分子分析时将拉曼光谱掩盖，造成高背景。 （2）可见光能量高，样品易光解，热解。 （3）使用光栅分光和狭缝，光谱分辨率受到限制，光谱波数的重现性和 精度差。用标准样品校正波数，狭缝限制了光通量，信噪比不高。

Raman 散射
温度升高，处于振动激发态的分子数增多
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1.2 拉曼频移（Raman shift）
斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之差 称为拉曼位移

拉曼位移取决于分子振动能级的改变，所以它是特 征的。 拉曼位移的大小与入射光的频率无关，只与分子 的能级结构有关，其范围为25～4000cm-1。
发光（荧光）的抑制和消除
（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10-7∽10-9S后才出现。
反斯托克斯线：若光子从样品分子中获得能量， 在大于入射光频率处接收到散射光线，则称为 反斯托克斯线。 正负拉曼位移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。

对应于同一分子能级，stocks和anti-stockes线的拉曼位移 应该相等; 但强度不同
对称分子： 对称振动→拉曼活性，无红外活性 不对称振动→红外活性，无拉曼活性
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振动自由度： 3N- 5 = 4

S 1
2S 3 4
C S C S
拉曼活 性


红外活 性


S C S

红外活 性


红外光谱—源于偶极矩变化
拉曼光谱—源于极化率变化
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O=C=O
对称伸缩

O=C=O
发光（荧光）的抑制和消除
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 虽然无法解释为什么用激光长时间照射样品能够有效的消 除荧光干扰，但在很多情况下用这种方法确实能达到消除荧光 干扰的效果。
●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（ν0－ ） = hν，频率降低至ν0－ 。形成能量为h（ν0－ ）、频率为ν0－ 的谱线。 在拉曼散射中，若光子把一部分能量给样品分子，得到的散射光能量减 少，在垂直方向测量到的散射光中，可以检测到频率为（V0-△E/h)的线， 称为斯托克斯线。
第四章 拉曼光谱

一 拉曼光谱基本原理
二 拉曼光谱与红外光谱比较 三 拉曼光谱仪简介 四 拉曼光谱应用 五 表面增强拉曼简介

引子
拉曼（Raman），印度物理学家。 1921年开始研究并在1928年发现 了光散射的拉曼效应，1930年获 得了诺贝尔物理奖。和汤川秀树 （日）一起成为仅有的两位没有 受过西方教育的诺贝尔科学奖得 主。为表彰拉曼对印度科学进步 所作的巨大贡献，印度政府将 2 月28日定为“拉曼节”。

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1.3 拉曼光谱与分子极化率的关系

分子在静电场E中，分子产生诱导偶极距μi
i
μ ＝ αE


α为极化率
电场作用下、分子中电子云 变形的难易程度
• • •Fra Baidu bibliotek
诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子极化率 拉曼散射强度与极化率成正比例关系 拉曼的强度与分子振动平衡前后电子云形状的变化大 小有关。
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碳链的取代基用红外较易测出，而碳链振动用拉曼 光谱较清楚。

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2.2 拉曼峰的辩别

a: 只要是拉曼散射就会有斯托克斯线和反斯托克斯线同时 对称出现
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b:拉曼峰的频移与激发波长无关（改变激发波长）

拉曼峰的频移与激发波长无关，即拉曼峰相对频移量不变。
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2.3拉曼散射光谱的优点




(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。 (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究非常有利。此外， 玻璃的拉曼散射也较弱。 (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。 S—S，C—C，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。 拉曼光谱研究高分子样品的最大缺点是荧光散射 。
2.4 拉曼光谱的特点和主要困难

拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2-3数量级）。
激光激发强；拉曼信号频率离激光频率很近。激光瑞利散 射比拉曼信号强1010－1014，对拉曼信号干扰很大。

拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高 灵敏度（体现在弱信号检测的高信噪比 ），才能有效地收集 拉曼谱。
样品制备
定量分析 谱库
需要制样
可以 谱库谱图及数据有几十万
无需制样
有些不便 谱库较少
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红外与拉曼谱图对比
红外光谱：基团； 拉曼光谱：分子骨架测定；
许多情况下，拉曼频率位移的程度正好相当于红外 吸收频率；

分子对称性越高，红外与拉曼光谱的区别就越大；
非极性官能团的拉曼散射谱带较强，极性官能团的 红外谱带较为强烈；
1.4 红外活性和拉曼活性振动
①红外活性振动 ⅰ永久偶极矩：极性基团； ⅱ瞬间偶极矩：对称分子。 总则：伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带.


②拉曼活性振动
非极性基团，对称分子都可产生诱导偶极，μi = E 总则：伴随有极化率变化的振动可以产生拉曼光谱。

两者研究范围的区别：
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2.1拉曼光谱与红外光谱分析方法比较
项目 光谱类型 光谱范围 红外光谱 吸收光谱 400-4000 cm-1 拉曼光谱 散射光谱 40-4000 cm-1
分子结构与光 谱活性
样品池 水溶液测试
极性分子及基团通常是红外 活性的
不能用玻璃 有一定限制
非极性分子及基团通常是 拉曼活性的
可用玻璃瓶、毛细管等 不受水的干扰
excitationexcit.-vib.
增 大
拉 曼 减 散 小 射
λ 变
λ
样 品 池
λ
透过光λ不变 瑞 利 散 射
λ 不 变
Stokes线与反Stokes线
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hν0，当与分子碰撞后，可能出现两种情况：
光散射 - 拉曼

散射光中的小部分是非弹性散射（拉曼）
入射光 分子 分子振动
散射光
散射前…
emission
散射后…
拉曼散射：拉曼光谱为散射光谱。当一束频率为 0的入射光照 射到气 体、液体或透明晶体样品上时，绝大部分可以透过，很小部分的入射光与 样品分子之间发生非弹性碰撞，即在碰撞时有能量交换，这种光散射称为 拉曼散射； ●散射光的强度与散射方向有关，且与入射频率的四次方成正比 。 6