激光拉曼光譜分析法

激光拉曼光譜分析法第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一Raman光譜法分辨率高，重現(xiàn)性好，簡單快速，具有以下特點：1.適合水體系的研究，尤其對生物樣品和無機物的研究遠較紅外吸收光譜方便。2.一次可同時覆蓋50～4000cm-1

波數(shù)的區(qū)間。3.Raman光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究。尤其是共振Raman光譜，靈敏度高，檢出限可到10-6～10-8mol·L-1。4.Raman光譜所需樣品量少，g級即可。5.由于共振Raman光譜中譜線的增強是選擇性的，因此可用于研究發(fā)色基團的局部結構特征。11.1概論第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.2.1Raman散射與Raman位移當頻率為ν0的位于可見或近紅外光區(qū)的強激光照射樣品時，有0.1％的入射光子與樣品分子發(fā)生彈性碰撞，此時，光子以相同的頻率向四面八方散射。這種散射光頻率與入射光頻率相同，而方向發(fā)生改變的散射，稱為Rayleigh（瑞利）散射。入射光與樣品分子之間還存在著概率更小的非彈性碰撞（僅為總碰撞數(shù)的十萬分之一），光子與分子間發(fā)生能量交換，使光子的方向和頻率均發(fā)生變化。這種散射光頻率與入射光頻率不同，且方向改變的散射為Raman散射，對應的譜線稱為Raman散射線（Raman線）。與入射光頻率ν0相比，頻率降低的為Stokes（Stokes）線，頻率升高的則為反Stokes線。Stokes線或反Stokes線與入射光的頻率差為Raman位移。11.2基本原理第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.2.1Raman散射與Raman位移第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一如果從基態(tài)振動能級躍遷到受激虛態(tài)的分子不返回基態(tài)，而返回到基態(tài)的高位能級，即分子保留一部分能量，此時散射光子的能量為hυ-ΔE，為振動激發(fā)態(tài)的能量，由此產(chǎn)生的拉曼線為斯托克斯線，強度大，其頻率低于入射光的頻率，顯然位于瑞利線左側；若處于基態(tài)高位能振動能級的分子躍遷到受激虛態(tài)后，再返回到基態(tài)振動能級，此時散射光子的能量則為hυ+ΔE，產(chǎn)生的拉曼線稱為反斯托克斯線，其強度弱，頻率高于入射光的頻率，因此其位于瑞利線右側。

11.2.1Raman散射與Raman位移第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一Stokes線遠強于反Stokes線，因此Raman光譜儀記錄的通常為前者。若將入射光的波數(shù)視作零(Δ＝0)，定位在橫坐標右端，忽略反Stokes線，即可得到物質(zhì)的Raman光譜圖。頻率高于入射光的頻率，因此其位于瑞利線右側。

11.2.2Raman光譜圖與Raman光強度第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一Raman光譜的光源為激光光源，激光屬于偏振光。當入射激光沿x軸方向與分子O作用時，可散射出不同方向的偏振光。若在y軸方向上放置一個偏振器P，當偏振器平行于激光方向時，則zy面上的散射光可以通過，當偏振器垂直于激光方向時，則xy面上的散射光可以通過。

11.2.3退偏比第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一若偏振器平行、垂直于激光方向時，散射光的強度分別為I║、I，則兩者之比稱為退偏比，即P＝I/I║。退偏比與分子的極化率有關，若令為分子極化率中各向同性部分，為各向異性部分，則對于球形對稱振動來說，P為零，所產(chǎn)生的Raman散射光為完全偏振光。對非對稱振動而言，極化率是各向異性的，P為3/4。P越小，分子的對稱性越高。通過測定Raman線的退偏比，可以確定分子的對稱性。

11.2.3退偏比第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.2.4Raman光譜與紅外吸收光譜的比較第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.3.1.色散型Raman光譜儀Raman光譜儀主要由光源、樣品池、單色器及檢測器組成，如圖所示：11.3激光Raman光譜儀第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.3.1.1光源由于Raman散射很弱，現(xiàn)代Raman光譜儀的光源多采用高強度的激光光源。激光光源包括連續(xù)波激光器和脈沖激光器。由于高強度激光光源易使試樣分解，尤其是對生物大分子、聚合物等，因此一般采用旋轉技術加以克服。11.3.1.2樣品池Raman光譜法用玻璃作窗口。氣體試樣放在多重反射氣槽或激光器的共振腔內(nèi)。液體試樣采用常規(guī)試樣池。透明棒狀、塊狀和片狀固體可直接進行測定。粉末試樣可放入玻璃試樣管或壓片測定。11.3.1色散型Raman光譜儀第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.3.1.3單色器色散型Raman光譜儀采用多單色器系統(tǒng)，如雙單色器、三單色器。最好的是帶有全息光柵的雙單色器，能有效消除雜散光，使與激光波長非常接近的弱Raman線得到檢測。在傅里葉變換Raman光譜儀中，以Michelson(邁克耳孫)干涉儀代替色散元件，光源利用率高，可采用紅外激光光源，以避免分析物或雜質(zhì)的熒光干擾。11.3.1.4.檢測器一般采用光電倍增管。為減少熒光的干擾，在色散型儀器中可用CCD檢測器。常用的檢測器為Ga-As光陰極光電倍增管，光譜響應范圍寬，量子效率高，而且在可見光區(qū)內(nèi)的響應穩(wěn)定。傅里葉變換型儀器中多選用液氮冷卻鍺光電阻作為檢測器。11.3.1色散型Raman光譜儀第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.3.2.1儀器結構傅里葉變換Raman光譜儀的光路設計與傅里葉變換紅外光譜儀非常相似，只是干涉儀與樣品池排列次序不同。11.3.2傅里葉變換Raman光譜儀第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.3.2.2.特點傅里葉變換Raman光譜儀光源發(fā)射波長位于近紅外區(qū)，能量較低，既可以消除熒光干擾，還可以避免某些試樣受激光照射而分解，非常有利于有機化合物、高分子及生物大分子等的研究。但對一般分子的研究，其Raman散射信號比常規(guī)激光Raman散射信號要弱。同時，該儀器與傅里葉變換紅外光譜儀一樣，還具有掃描速度快、分辨率高、波數(shù)精度及重現(xiàn)性好等特點。11.3.2傅里葉變換Raman光譜儀第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.4.1定性分析Raman位移△表征了分子中不同基團振動的特性，因此，可以通過測定△對分子進行定性和結構分析。另外，還可通過退偏比ρ的測定確定分子的對稱性。無機、有機、高分子等化合物的定性分析；生物大分子的構象變化及相互作用研究；各種材料（包括納米材料、生物材料、金剛石）和膜（包括半導體薄膜、生物膜）的Raman分析；礦物組成分析；寶石、文物、公安樣品的無損鑒定等方面。11.4激光Raman光譜法的應用第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.4.1.1有機化合物結構分析官能團不是孤立的，在不同的分子中，相同官能團的Raman位移有一定的差異，△不是固定的頻率，而是在某一頻率范圍內(nèi)變動。對于有機化合物的結構研究，雖然Raman光譜的應用遠不如紅外吸收光譜廣泛，但Raman光譜適合于測定有機分子的骨架，并能夠方便地區(qū)分各種異構體，如位置異構、幾何異構、順反異構等。－C＝C－，－C≡C－，－S－S－，－C＝S－，－S－H，－C－N－，－S＝N－，－N＝N－等基團，Raman散射信號強，特征明顯，也適合Raman光譜測定。11.4.1定性分析第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.4.1.2高分子聚合物的研究激光Raman光譜特別適合于高聚物的幾何構型、碳鏈骨架或環(huán)結構、結晶度等的測定。對于含有無機物填料的高聚物，可以不經(jīng)分離而直接測定。11.4.1.3生物大分子的研究激光Raman光譜是研究生物大分子的有效手段?？梢栽诮咏匀粻顟B(tài)的極稀濃度下來研究生物分子的組成、構象和分子間的相互作用。對于眼球晶體、皮膚及癌組織等生物組織切片，可以不經(jīng)處理而直接進行測定。11.4.1定性分析第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一由于Raman信號弱，儀器價格較貴，激光Raman光譜法在定量分析中不占太大優(yōu)勢，直到共振Raman光譜法和表面增強Raman光譜法出現(xiàn)。與熒光光譜類似，Raman散射光強度與活性成分的濃度成正比。據(jù)此，可利用Raman光譜進行定量分析。11.4.2定量分析第18頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.4.3.1共振Raman光譜當入射激光波長與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，Raman躍遷的概率大大增加，使這一分子的某個或幾個特征Raman譜帶強度可達到正常Raman譜帶的104~106倍，這種現(xiàn)象稱為共振Raman（ResonanceRaman）效應?；诠舱馬aman效應建立的Raman光譜法稱共振Raman光譜法。共振Raman光譜有利于低濃度和微量樣品的檢測，最低檢出濃度約為10-6～10-8molL-1。11.4.3其他Raman光譜法第19頁，共20頁，2023年，2月20日，星期一11.4.3.2表面增強Raman光譜將試樣吸附在金、銀、銅等金屬的粗糙表面或膠粒上可大大增強其Raman光譜信號，基于這種具有表面選擇性的增強效應而建立的方法為表面增強Raman光譜法。該法可使某些Raman線的增強因子達104～108