拉曼光譜原理及應(yīng)用PPT通用通用課件

1、第四章 拉曼光譜Raman Spectroscopy光譜分類(lèi)發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜（AES）、原子熒光光譜（AFS）、X射線(xiàn)熒光光譜法（XFS）、分子熒光光譜法（MFS）等吸收光譜紫外可見(jiàn)光法（UV-Vis）、原子吸收光譜（AAS）、紅外觀(guān)光譜（IR）、核磁共振（NMR）等聯(lián)合散射光譜拉曼散射光譜（Raman）一. 概 述 分子振動(dòng)也可能引起分子極化率的變化，產(chǎn)生拉曼光譜。 拉曼光譜不是觀(guān)察光的吸收, 而是觀(guān)察光的非彈性散射。 非彈性散射光很弱，過(guò)去較難觀(guān)測(cè)。激光拉曼光譜的出現(xiàn)使靈敏度和分辨力大大提高，應(yīng)用日益廣泛。 1928年，印度物理學(xué)家C. V. Raman他們?cè)谟霉療舻膯紊鈦?lái)照射CCl

2、4液體時(shí)，在液體的散射光中觀(guān)測(cè)到了頻率低于入射光頻率的新譜線(xiàn)。在喇曼等人宣布了他們的發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)月后，蘇聯(lián)物理學(xué)家蘭德斯別爾格等也獨(dú)立地報(bào)道了晶體中的這種效應(yīng)的存在。 光照射到物質(zhì)上時(shí)會(huì)發(fā)生非彈性散射，散射光中除有與激發(fā)光波長(zhǎng)相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的和短的成分，后一現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為拉曼（Raman）效應(yīng)。拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)拉曼散射效應(yīng)的進(jìn)展 1928年，印度物理學(xué)家拉曼（C.V.Raman）首次發(fā)現(xiàn)曼散射效應(yīng)，榮獲1930年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1928-1940年，拉曼光譜成為研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。因?yàn)槔庾V喇曼頻率及強(qiáng)度、偏振等標(biāo)志著散射物質(zhì)的性質(zhì)。從這些資料可以導(dǎo)出物質(zhì)結(jié)

3、構(gòu)及物質(zhì)組成成分的知識(shí)。這就是喇曼光譜具有廣泛應(yīng)用的原因。 1940-1960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)槔?yīng)太弱（約為入射光強(qiáng)的10-6），并要求被測(cè)樣品的體積必須足夠大、無(wú)色、無(wú)塵埃、無(wú)熒光等。40年代中期，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落。 1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等優(yōu)點(diǎn)，成為拉曼光譜的理想光源。隨探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和對(duì)被測(cè)樣品要求的降低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受研究者的重視。二. 拉曼(Raman)光譜基本原理透射光入射光散射光散射是光子與分子發(fā)生碰撞的

4、結(jié)果拉曼光譜是研究分子和光相互作用的散射光的頻率Rayleigh散射： 彈性碰撞；無(wú)能量交換，僅改變方向；Raman散射： 非彈性碰撞；方向改變且有能量交換；Rayleigh散射Raman散射E0基態(tài)， E1振動(dòng)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). h E0E1V=1V=0h0h0h0h(0 + )E1 + h0E0 + h0h(0 - )激發(fā)虛態(tài)Raman散射:Raman散射的兩種躍遷能量差： E=h(0 - )產(chǎn)生stokes線(xiàn)；強(qiáng)；基態(tài)分子多； E=h(0 + )產(chǎn)生anti-stokes線(xiàn)；弱；Raman位移：Raman散射光與入射光頻率

5、差；ANTI-STOKES0 - RayleighSTOKES0 + 0h(0 + )E0E1V=1V=0E1 + h0E2 + h0 h h0h(0 - ) 設(shè)散射物分子原來(lái)處于基態(tài)，振動(dòng)能級(jí)如圖所示。當(dāng)受到入射光照射時(shí)，激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態(tài)(Virtual state)，虛能級(jí)上的電子立即躍遷到下能級(jí)而發(fā)光，即為散射光。 當(dāng)外來(lái)光子入射到分子時(shí)，可以設(shè)想分子吸收一個(gè)光子后躍遷到一個(gè)實(shí)際上不存在的虛能級(jí)，并立即回到原來(lái)所處的基態(tài)而重新發(fā)射光子，這是瑞利散射。 如果分子躍遷到虛能級(jí)不回到原來(lái)所處基態(tài)，而落到另一較高能級(jí)發(fā)射光子，這個(gè)發(fā)射的新光子

6、能量hv顯然小于入射光子能量hv，是拉曼散射的斯托克斯線(xiàn)(Stokes) ，兩光子能量差E=hv =h（v-v）。v就是拉曼散射光譜的頻率位移。反之發(fā)射光子頻率高于原入射光子頻率，為反斯托克斯線(xiàn)(anti-Stokes)。 Stocks linesanti-Stockes linesRayleigh scatteringCCl4的拉曼光譜 斯托克斯線(xiàn)和反斯托克斯線(xiàn)統(tǒng)稱(chēng)為拉曼譜線(xiàn)。由于在通常情況下，分子絕大多數(shù)處于振動(dòng)能級(jí)基態(tài)，所以斯托克斯線(xiàn)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于反斯托克斯線(xiàn)。/cm-1拉曼位移（Raman shift） v即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。由于拉曼位移v只取決于散射分子的結(jié)構(gòu)而與vo無(wú)關(guān)，所

7、以拉曼光譜可以作為分子振動(dòng)能級(jí)的指紋光譜。適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)拉曼光譜圖從圖中可見(jiàn)，拉曼光譜的橫坐標(biāo)為拉曼位移，以波數(shù)表示 。其中 和 分別為Stokes位移和入射光波數(shù)?？v坐標(biāo)為拉曼光強(qiáng)。由于拉曼位移與激發(fā)光無(wú)關(guān)，一般僅用Stokes位移部分。對(duì)發(fā)熒光的分子，有時(shí)用反Stokes位移。拉曼是指紋光譜ni = no-n (cm-1) 500 1000 1500 2000 2500 3000 350020000150001000050000Intensity (A.U.)OH stretchingCH3 Stretching ModesSkeletal BendingCCO mod

8、esOH BendingCH3 and CH2 Bending Modes甲醇vs. 乙醇 CH3OH vs. CH3CH2OH 拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系 誘導(dǎo)偶極矩與外電場(chǎng)的強(qiáng)度之比為分子極化率分子中兩原子距離最大時(shí)，也最大拉曼散射強(qiáng)度與極化率成正比例關(guān)系分子在靜電場(chǎng)E中，極化感應(yīng)偶極距pp E為極化率1. 對(duì)不同物質(zhì)Raman 位移不同；2.對(duì)同一物質(zhì)與入射光頻率無(wú)關(guān)；是表征分子振-轉(zhuǎn)能級(jí)的特征物理量；是定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)；3.拉曼線(xiàn)對(duì)稱(chēng)地發(fā)布在瑞利線(xiàn)兩側(cè)，長(zhǎng)波一側(cè)為斯托克斯線(xiàn)，短波一側(cè)為反斯托克斯線(xiàn)；4.斯托克斯線(xiàn)強(qiáng)度比反斯托克斯線(xiàn)強(qiáng)；拉曼光譜的特征 三. 激光Raman光譜儀 la

9、ser Raman spectroscopy激光光源：He-Ne激光器，波長(zhǎng)632.8nm； Ar激光器， 波長(zhǎng): 514.5nm， 488.0nm；單色器： 光柵，多單色器； 檢測(cè)器： 光電倍增管， 光子計(jì)數(shù)器；激光器如具有30 nm，351 nm發(fā)射線(xiàn)的紫外激光器；Ar激光器一般在488.0nm, 514.5nm等可見(jiàn)區(qū)發(fā)光；而Nd:YaG (釔鋁石榴石)激光器則在1064 nm的近紅外區(qū)使用。試樣室發(fā)射透鏡 使激光聚焦在樣品上收集透鏡 使拉曼光聚焦在單色儀的入射狹縫單色儀儀器心臟1個(gè)光柵，2個(gè)狹縫減少雜散收光傅立葉變換-拉曼光譜儀FT-Raman spectroscopy光源：Nd-YA

10、G釔鋁石榴石激光器（1.064m）；檢測(cè)器：高靈敏度的銦鎵砷探頭；特點(diǎn)：（1）避免了熒光干擾；（2）精度高；（3）消除了瑞利譜線(xiàn)；（4）測(cè)量速度快。儀器使用中的注意事項(xiàng)1.保證使用環(huán)境：具備暗室條件；無(wú)強(qiáng)震動(dòng) 源、無(wú)強(qiáng)電磁干擾；不可受陽(yáng)光直射。2.光學(xué)器件表面有灰塵，不允許接觸擦拭， 可用氣球小心吹掉。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，首先取出樣品，關(guān)斷電源。4.注意激光器電源開(kāi)、關(guān)機(jī)的順序正好相反。四、拉曼光譜的應(yīng)用 Applications of Raman spectroscopy 由拉曼光譜可以獲得有機(jī)化合物的各種結(jié)構(gòu)信息：2 紅外光譜中，由C N，C=S，S-H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的譜帶一般較弱或強(qiáng)度可變，而在

11、拉曼光譜中則是強(qiáng)譜帶。3 環(huán)狀化合物的對(duì)稱(chēng)呼吸振動(dòng)常常是最強(qiáng)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(qiáng)拉曼譜帶， 隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強(qiáng)度增加。4 在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-這類(lèi)鍵的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)是強(qiáng)譜帶，反這類(lèi)鍵的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)是弱譜帶。紅外光譜與此相反。5 C-C伸縮振動(dòng)在拉曼光譜中是強(qiáng)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(qiáng)度沒(méi)有很大差別。II. 羥基和甲基的質(zhì)量?jī)H相差2單位。 III.與C-H和N-H譜帶比較，O-H拉曼譜帶較弱。2941，2927cm-1 ASCH22854cm-1 SCH21029cm

12、-1 （C-C）803 cm-1環(huán)呼吸 1444，1267 cm-1 CH23060cm-1r-H)1600,1587cm-1 c=c)苯環(huán)1000 cm-1環(huán)呼吸787 cm-1環(huán)變形1039, 1022cm-1單取代高分子材料鑒定Nylon6 尼龍Kevlar 合成纖維Pstyrene 聚苯乙烯PETPaper 紙纖維Ppropylene丙烯PE/EVA聚乙烯生物分子鑒定拉曼光譜法對(duì)于蛋白質(zhì)中的酪胺酸可以測(cè)出它是埋藏在內(nèi)或暴露于外。如果酪胺酸是被埋藏在內(nèi)部，則它可做為強(qiáng)的氫鍵供給者（即提供氫原子給臨近的氫鍵接受者）。此時(shí)拉曼光譜上850cm-1/830cm-1的比值為0.5，即830cm-

13、1的光譜峰較高。反之，若酪胺酸暴露在蛋白質(zhì)外部，則比值將升高，亦即850cm-1的光譜峰較高。從圖中可以看出，不同的碳材料其拉曼光譜不同，因此可以彼此區(qū)分。 海洛因罌粟堿如果毒品種混有其他白色粉末，怎么辦？五. 拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較同同屬分子振(轉(zhuǎn))動(dòng)光譜異：紅外分子對(duì)紅外光的吸收強(qiáng)度由分子偶極距決定異：拉曼分子對(duì)激光的散射強(qiáng)度由分子極化率決定紅外：適用于研究不同原子的極性鍵振動(dòng) OH, CO，CX拉曼：適用于研究同原子的非極性鍵振動(dòng) NN, CC互補(bǔ)O=C=O對(duì)稱(chēng)伸縮O=C=O反對(duì)稱(chēng)伸縮偶極距不變無(wú)紅外活性極化率變有拉曼活性極化率不變無(wú)拉曼活性偶極距變有紅外活性拉曼光譜與紅外光譜的

14、關(guān)系互排法則：有對(duì)稱(chēng)中心的分子其分子振動(dòng) 對(duì)紅外和拉曼之一有活性，則另一非活性互允法則：無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的分子其分子振動(dòng)對(duì)紅外和拉曼都是活性的。紅外與拉曼譜圖對(duì)比紅外光譜：基團(tuán)；拉曼光譜：分子骨架測(cè)定；紅外可見(jiàn)，拉曼不可見(jiàn)拉曼可見(jiàn)，紅外不可見(jiàn)拉曼光譜的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用 一些在紅外光譜中為弱吸收或強(qiáng)度變化的譜帶，在拉曼光譜中可能為強(qiáng)譜帶，從而有利于這些基團(tuán)的檢出。 拉曼光譜低波數(shù)方向的測(cè)定范圍寬，有利于提供重原子的振動(dòng)信息。 對(duì)于結(jié)構(gòu)的變化，拉曼光譜有可能比紅外光譜更敏感。 特別適合于研究水溶液體系。 比紅外光譜有更好的分辨率。 固體樣品可直接測(cè)定，無(wú)需制樣。1.共振拉曼光譜RRS (Resonance

15、Raman Scattering)六. 拉曼光譜發(fā)展與聯(lián)用技術(shù) 激發(fā)頻率等于或接近電子吸收帶頻率時(shí)共振 拉曼強(qiáng)度增萬(wàn)至百萬(wàn)倍，高靈敏度，宜定量 共振，高選擇性 可調(diào)染料激光器2.表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) 試樣吸附在金屬表面上，增103106 表面與共振聯(lián)用檢測(cè)限10-91012 mol/L表面增強(qiáng)拉曼(SERS)簡(jiǎn)介什么是表面增強(qiáng)? SERS 效應(yīng)是在激發(fā)區(qū)域內(nèi)，由于樣品表面或近表面的電磁場(chǎng)的增強(qiáng)導(dǎo)致的拉曼散射信號(hào)極大的增強(qiáng)。怎么得到表面增強(qiáng)? 遠(yuǎn)小于激發(fā)波長(zhǎng)的金屬顆粒(Au, Ag)會(huì)使電磁場(chǎng)增強(qiáng)，增強(qiáng)的電磁場(chǎng)可以使在金

16、屬顆粒表面的分子拉曼信號(hào)極大的增強(qiáng) 激光激發(fā)了金屬表面的等離子體目前吸附分子產(chǎn)生表面增強(qiáng)拉曼散射的金屬有Ag、Au、Cu、 Li 、Na 、K、In、 Al、Pt、 Rh、 Ni|、 Ti、Hg、Cd、Pd等，化合物有TiO2、NiO等針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)（TERS）(Tip-enhanced Raman Spectroscopy) 掃描探針技術(shù)(SPM )紅外吸收和拉曼共點(diǎn)測(cè)量AFM和拉曼光譜儀聯(lián)用SEM和拉曼光譜儀聯(lián)用Sample (x,y,z)SEElectron beamDeflection coilBEScanning moduleHJY spectrometer CCDBE: Back-scattered electronsSE: Secondary electronsTCSPC(時(shí)間分辨熒光光譜)系統(tǒng)和拉曼光譜儀耦合單量子點(diǎn)半導(dǎo)體生物醫(yī)學(xué)實(shí)例分析拉曼光源采用325 nin的激光光源，氦鎘激光器紫外-拉曼光譜儀采用Jobin-Yvon公司生產(chǎn)的LabRam-HR儀。Al2O3或SiO2負(fù)載釩氧化物催化劑的紫外一拉曼光譜比較研究Silver Nanodesert Ros