拉曼光谱原理及应用

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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
波数表示
。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。 由于拉曼位移与激发光无关,一般仅用Stokes位
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
分子在静电场E中,极化感应偶极距p p= αE α为极化率
• 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;
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
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
2000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Paper 纸纤维 Ppropylene丙烯 PE/EVA 聚乙烯
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?
源自文库
远小于激发波长的金属颗粒(Au, Ag)会使电磁场增 强,增强的电磁场可以使在金属颗粒表面的分子拉 目前吸附分子产生表面增强拉曼散射的金属 曼信号极大的增强
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
激发虚态 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; E1 + h0 h0 E1 E0
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。
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
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。
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
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
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)。
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
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
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
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。
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
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
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)
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。
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-
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;
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