第三章-激光拉曼散射光譜法ppt課件

1、第3章 激光拉曼散射光譜法laser Raman spectroscopy,拉曼光譜是一種散射光譜,拉曼散射光譜的基本概念 拉曼散射：拉曼光譜為散射光譜。當一束頻率為 0的入射光照射到氣體、液體或透明晶體樣品上時，絕大部分可以透過，大約有0.1的入射光與樣品分子之間發(fā)生非彈性碰撞，即在碰撞時有能量交換，這種光散射稱為拉曼散射； 瑞利散射：若入射光與樣品分子之間發(fā)生彈性碰撞，即兩者之間沒有能量交換，這種光散射稱為瑞利散射,一、激光拉曼光譜基本原理principle of Raman spectroscopy,Rayleigh散射： 彈性碰撞；無能量交換，僅改變方向； Raman散射： 非彈性碰撞

2、；方向改變且有能量交換,Rayleigh散射,Raman散射,E0基態(tài)， E1振動激發(fā)態(tài)； E0 + h0 ， E1 + h0 激發(fā)虛態(tài)； 獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài)。 （1928年印度物理學家 Raman C V 發(fā)現(xiàn)；1960年快速發(fā)展,處于振動基態(tài)E0的分子受入射光h0的作用激發(fā)而躍遷到一個受激虛態(tài)。因為這個受激虛態(tài)是不穩(wěn)定的能級（實際上是不存在的），所以分子立即躍遷回基態(tài)E0 ，此過程對應(yīng)于彈性碰撞，為瑞利射線。 同樣處于激發(fā)態(tài)E1的分子受入射光子h0的激發(fā)而躍遷到受激虛態(tài)，因為虛態(tài)是不穩(wěn)定的而立即躍遷回到激發(fā)態(tài)E1，此過程對應(yīng)于彈性碰撞，為瑞利射線,處于虛態(tài)的分子也可能躍遷回到激發(fā)態(tài)

3、E1，此過程對應(yīng)于非彈性碰撞，光子的部分能量傳遞給分子，使光子的頻率降低，為拉曼散射的斯托克斯線。 處于虛態(tài)的分子也可能躍遷回到基態(tài)E0，此過程對應(yīng)于非彈性碰撞，光子從分子的振動得到部分能量，使其頻率增加，為拉曼散射的反斯托克斯線,1. Raman位移,定義：斯托克斯線或反斯托克斯線與入射光頻率之差 特點：拉曼位移的大小和分子的躍遷能級差一樣 對不同物質(zhì)： 不同； 對同一物質(zhì)： 與入射光頻率無關(guān)； 表征分子振-轉(zhuǎn)能級的特征物理量；定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)； 拉曼位移的大小與入射光的頻率無關(guān)，只與分子的能級結(jié)構(gòu)有關(guān) 范圍為：404000cm-1，因此入射光的能量應(yīng)大于分子振動躍遷所需能量，小于電子能

4、級躍遷的能量,拉曼光譜的參數(shù)指標,對于同一分子能級，斯托克斯線和反斯托克斯線的拉曼位移應(yīng)該 相等，而且躍遷的幾率也相等。 斯托克斯線的頻率比入射光的低，而反斯托克斯線的頻率比入射光的高，二者分布在瑞利線的兩側(cè)。 常溫下分子大多處于振動基態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子很少，因此，斯托克斯線強于反斯托克斯線。所以在一般拉曼光譜分析中，都采用斯托克斯線研究拉曼位移,2. Raman位移強度,與樣品分子的濃度成正比,3. 退偏振比,表征分子對稱性振動模式的高低,在多數(shù)的吸收光譜中，只具有二個基本參數(shù)(頻率和強度)，但在激光拉曼光譜中還有一個重要的參數(shù)即退偏振比(也可稱為去偏振度,由于激光是線偏振光，而大多數(shù)的有

5、機分子是各向異性的，在不同方向上的分子被入射光電場極化程度是不同的。在紅外中只有單晶和取向的高聚物才能測量出偏振，而在激光拉曼光譜中，完全自由取向的分子所散射的光也可能是偏振的，因此一般在拉曼光譜中用退偏振比(或稱去偏振度) 表征分子對稱性振動模式的高低,式中I和 I/ 分別代表與激光電矢量相垂直和相平行的譜線的強度。 3/4的譜帶稱為偏振譜帶，表示分子有較高的對稱振動模式； = 3/4的譜帶稱為退偏振譜帶，表示分子的對稱振動模式較低，即分子是不對稱的,在光的傳播方向上，光矢量只沿一個固定的方向振動，這種光稱為平面偏振光，由于光矢量端點的軌跡為一直線，又叫做線偏振光。光矢量的方向和光的傳播方向

6、所構(gòu)成的平面稱為振動面。線偏振光的振動面固定不動，不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學特性也不同，這就是晶體的各向異性,1. 紅外活性和拉曼活性振動條件,紅外活性振動 永久偶極矩；極性基團； 瞬間偶極矩；非對稱分子,紅外活性振動伴有偶極矩變化的振動可以產(chǎn)生紅外吸收譜帶 拉曼活性振動 誘導(dǎo)偶極矩 = E（ 分子極化率） 拉曼活性振動伴隨有極化率變化的振動,Raman散射的產(chǎn)生條件：光電場E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極距,非極性分子在外電場作用下會產(chǎn)生偶極，成為極性分子；極性分子在外電場作用下本來就具有的固有偶極會增大，分子

7、極性進一步增大。這種在外電場作用下，正、負電荷中心不重合程度增大的現(xiàn)象，稱為變形極化，變形極化所致的偶極稱為誘導(dǎo)偶極(induced dipole,3.1.2 激光拉曼光譜與紅外光譜比較,紅外光譜：基團； 拉曼光譜：分子骨架測定,紅外與拉曼光譜在研究聚合物時的區(qū)別可以聚乙烯為例加以說明。 聚乙烯分子中具有對稱中心，紅外與拉曼光譜呈現(xiàn)完全不同的振動模式。在紅外光譜中，CH2振動為最顯著的譜帶。而拉曼光譜中，C-C振動有明顯的吸收,線型聚乙烯的紅外(a)及拉曼(b)光譜,拉曼光譜中： 芳環(huán)的C-C伸縮振動； 紅外光譜中： C=O和C-O,拉曼光譜的低頻區(qū)出現(xiàn)了較為豐富的譜帶信號，而紅外光譜的同一區(qū)

8、域中的譜帶信息卻很弱。 拉曼：C-C振動； 紅外：C=O和C-O,Raman and Infrared Spectra of H-CC-H,Asymmetric C-H Stretch,Symmetric C-H Stretch,CC Stretch,與FTIR相比，Raman具有如下優(yōu)點： (1)拉曼光譜是一個散射過程，因而任何尺寸、形狀、透明度的樣品，只要能被激光照射到，就可直接用來測量。由于激光束的直徑較小，且可進一步聚焦，因而極微量樣品都可測量。 (2)水是極性很強的分子，因而其紅外吸收非常強烈。但水的拉曼散射卻極微弱，因而水溶液樣品可直接進行測量，這對生物大分子的研究非常有利。此外，

9、玻璃的拉曼散射也較弱，因而玻璃可作為理想的窗口材料，例如液體或粉末固體樣品可放于玻璃毛細管中測量。 (3)對于聚合物及其他分子，拉曼散射的選擇定則的限制較小，因而可得到更為豐富的譜帶。S-S，C-C，C=C，N=N等紅外較弱的官能團，在拉曼光譜中信號較為強烈,3. 激光拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較,3.2 實驗方法,激光拉曼光譜儀,激光光源,樣品室,單色器,檢測記錄系統(tǒng),計算機,3.2.1儀器組成,1. 激光光源 激光是原子或分子受激輻射產(chǎn)生的。激光和普通光源相比，具有以下幾個突出的優(yōu)點： (1) 具有極好的單色性。激光是一種單色光，如氦氖激光器發(fā)出的6328的紅色光，頻率寬度只有910-2

10、Hz。 (2) 具有極好的方向性。激光幾乎是一束平行光，例如，紅寶石激光器發(fā)射的光束，其發(fā)射角只有3分多。激光是非常強的光源。由于激光的方向性好，所以能量能集中在一個很窄的范圍內(nèi)，即激光在單位面積上的強度遠遠高于普通光源,由于激光的這些特點，它是拉曼散射光譜的理想光源，激光拉曼譜儀比用汞弧燈作光源的經(jīng)典拉曼光譜儀具有明顯的優(yōu)點： （1）被激發(fā)的拉曼譜線比較簡單，易于解析； （2）靈敏度高，樣品用量少，普通拉曼光譜液體樣品需50ml左右，而激光拉曼光譜只要1l即可，固體0.5 g，氣體只要1011個分子； （3）激光是偏振光，測量偏振度比較容易,拉曼光譜儀中最常用的是He-Ne氣體激光器。 Ar

11、+激光器是拉曼光譜儀中另一個常用的光源,光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（1.064 m）； 檢測器：高靈敏度的銦鎵砷探頭； 特點： （1）避免了熒光干擾； （2）精度高； （3）消除了瑞利譜線； （4）測量速度快,激光Raman光譜儀 laser Raman spectroscopy,激光光源：He-Ne激光器，波長632.8nm,Ar激光器， 波長514.5 nm， 488.0 nm； 散射強度1/4 單色器： 光柵，多單色器； 檢測器： 光電倍增管， 光子計數(shù)器,拉曼實驗用的樣品主要是溶液(以水溶液為主)，固體(包括纖維,各種形態(tài)樣品在拉曼光譜儀中放置方法 (a) 透明固體 (b) 半

12、透明固體 (c) 粉末 (d) 極細粉末 (e) 液體 (f) 溶液 1反射鏡 2多通道池 3鍥型鏡 4液體,多重反射槽,為了有效收集從小體積發(fā)出的拉曼輻射，多采用一個90度（較通常）或180度的試樣光學系統(tǒng),3.2.2 樣品的放置方法,由于拉曼與紅外光譜具有互補性，因而二者結(jié)合使用能夠得到更豐富的信息。這種互補的特點，是由它們的選擇定則決定的。 凡具有對稱中心的分子，它們的紅外吸收光譜與拉曼散射光譜沒有頻率相同的譜帶，這就是所謂的“互相排斥定則”。例如聚乙烯具有對稱中心，所以它的紅外光譜與拉曼光譜沒有一條譜帶的頻率是一樣的,3.3 拉曼光譜在聚合物結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用,3.3.1拉曼光譜的選擇定

13、則與高分子構(gòu)象,對稱中心分子CO2，CS2等，選律不相容。 無對稱中心分子（例如SO2等），三種振動既是紅外活性振動，又是拉曼活性振動,選律,振動自由度：3N- 5 = 4,拉曼光譜源于極化率變化,紅外光譜源于偶極矩變化,拉曼光譜選律 紅外和拉曼光譜同屬于分子振動光譜。但是同一分子的紅外和拉曼光譜不盡相同。分子中某一基團的振動是在紅外光譜中出現(xiàn)譜帶，還是在拉曼光譜中出現(xiàn)譜帶，是由光譜選律決定的。 光譜選律的直觀說法是：分子振動時，如果分子偶極矩改變，則產(chǎn)生紅外吸收光譜而不產(chǎn)生拉曼光譜；如果分子極化程度改變則產(chǎn)生拉曼光譜而不產(chǎn)生紅外光譜,在分子中，某個振動可以既是拉曼活性，又是紅外活性，也可以是

14、只有其一。判斷拉曼和紅外是否活性的兩個原則： 互不相容規(guī)則：凡具有對稱中心的分子，若是紅外活性，則拉曼是非活性的；反之，若紅外是非活性的，則拉曼是活性的。必須指出，具有對稱中心的分子，也有少數(shù)分子的振動在拉曼光譜和紅外光譜中都是非活性。 相互允許規(guī)則：沒有對稱中心的分子，其紅外和拉曼光譜可以都是活性的。多數(shù)有機化合物分子的對稱性低或沒有對稱性，其振動頻率通常同時是紅外和拉曼活性的。由于振動的強弱不同，有些振動雖然是紅外和拉曼活性的，但不一定能在譜圖中觀測到這些振動所產(chǎn)生的譜帶,上述原理可以幫助推測聚合物的構(gòu)象。 例如聚硫化乙烯(PES)的分子鏈的重復(fù)單元為（CH2CH2SCH2CH2-S），假

15、設(shè)C-C鍵是反式構(gòu)象，C-S為旁式構(gòu)象，那它就具有對稱中心，從理論上可以預(yù)測PES的紅外及拉曼光譜中沒有頻率相同的譜帶。 假如PES采取像聚氧化乙烯(PEO)那樣的螺旋結(jié)構(gòu)，那就不存在對稱中心，它們的紅外及拉曼光譜中就有頻率相同的譜帶。 實驗測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PEO的紅外及拉曼光譜有20條頻率相同的譜帶。而PES的兩種光譜中僅有二條譜帶的頻率比較接近,因而，可以推論PES具有與PEO不同的構(gòu)象：在PEO中，C-C鍵是旁式構(gòu)象，C-O為反式構(gòu)象；而在PES中，C-C鍵是反式構(gòu)象，C-S為旁式構(gòu)象。 分子結(jié)構(gòu)模型的對稱因素決定了選擇原則。比較理論結(jié)果與實際測量的光譜，可以判別所提出的結(jié)構(gòu)模型是否準確。

16、這種方法在研究小分子的結(jié)構(gòu)及大分子的構(gòu)象方面起著很重要的作用,3.3.2高分子的紅外二向色性及拉曼去偏振度,聚酰胺-6薄膜被拉伸250后的紅外偏振光譜,NH伸縮振動(3300cm-1) 垂直于拉伸方向取向,CH2伸縮振動(30002800cm-1)，垂直于拉伸方向取向,1260cm-1和120lcm-1 C-N伸縮振動平行于拉伸方向取向,聚酰胺-6薄膜拉伸400后的激光拉曼散射光譜 表示偏振激光電場矢量與拉伸方向平行 表示偏振激光電場矢量與拉伸方向垂直,1081cm-1譜帶(C-N伸縮振動,1126cm-1譜帶(C-C伸縮振動,C-C、C-N伸縮振動平行于拉伸方向取向,二向色性： 在微觀領(lǐng)域，

17、分子的光吸收率不是一個標量，而是具有一定的方向性（矢量）。若三個方向的吸收系數(shù)不同，則兩系數(shù)之差稱為二向色性。宏觀上吸收率的二向色性表現(xiàn)為吸收系數(shù)具有方向性，宏觀上的二向色性既與分子的二向色性有關(guān)，也與分子排列有關(guān)，故二向色性可作為取向度的一種表征方法。另外，大分子鏈上某些官能團具有一定的方向性，它對振動方向不同的紅外光亦會表現(xiàn)出二向色性，稱為紅外二向色性,纖維狀聚合物在拉伸形變的過程中，鏈段與鏈段之間的相對位置發(fā)生了移動，從而使拉曼線發(fā)生變化,3.3.3 聚合物形變的拉曼光譜研究,生物大分子中，蛋白質(zhì)、核酸、磷脂等是重要的生命基礎(chǔ)物質(zhì)，研究它們的結(jié)構(gòu)、構(gòu)像等化學問題以闡明生命的奧秘是當今極為

18、重要的研究課題。應(yīng)用激光拉曼光譜除能獲得有關(guān)組分的信息外，更主要的是它能反映與正常生理條件（如水溶液、溫度、酸堿度等）相似的情況下的生物大分子分結(jié)構(gòu)變化信息，同時還能比較在各相中的結(jié)構(gòu)差異，這是其他儀器難以得到的成果,3.3.4 生物大分子的拉曼光譜研究,紅外與拉曼光譜法的異同點,相同點 對于一個給定的化學鍵，其紅外吸收頻率與拉曼位移相等，均代表第一振動能級的能量，化合物某些峰的紅外吸收波數(shù)與拉曼位移完全相同。 紅外吸收波數(shù)與拉曼位移均在紅外光區(qū)，兩者都反映分子的結(jié)構(gòu)信息互補，可用于有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定,不同點 紅外光譜的入射光及檢測光都是紅外光，而拉曼光譜的入射光大多數(shù)是可見光，散射光也是可

19、見光。 紅外光譜測定的是分子對光的吸收，橫坐標用波長或波數(shù)表示；而拉曼光譜測定的是分子對光的散射，橫坐標是拉曼位移。 紅外吸收是由于振動引起分子偶極矩或電荷分布變化產(chǎn)生的；拉曼散射是由于鍵上電子云分布產(chǎn)生瞬間變形引起暫時變化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，當返回基態(tài)時發(fā)生的散射,因此，拉曼光譜最適合于研究由相同原子組成的分子的非極性鍵，如C-C、N-N、S-S等的振動，以及對稱分子，如CS2的骨架振動,由拉曼光譜可以獲得有機化合物的各種結(jié)構(gòu)信息,2）紅外光譜中，由CN，C=S，S-H伸縮振動產(chǎn)生的譜帶一般較弱或強度可變，而在拉曼光譜中則是強譜帶,3）環(huán)狀化合物的對稱呼吸振動常常是最強的拉曼譜帶,1）同種分子的非極性鍵S-S，C=C，N=N，CC產(chǎn)生強拉曼譜帶， 隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強度增加,拉曼光譜與有機結(jié)構(gòu),4）在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-這類鍵的對稱伸縮振動是強譜帶，這類鍵的反對稱伸縮振動是弱譜帶。紅外光譜與此相反,5）C-C伸縮振動在拉曼光譜中是強譜帶,6）醇和烷烴的拉曼光譜是相似的：I. C-O鍵與C-C鍵的力常數(shù)或鍵的強度沒有很大差別。II. 羥基和甲基的質(zhì)量僅相差2單位。