拉曼光譜分析

第四章拉曼光譜拉曼光譜簡(jiǎn)介1拉曼光譜與紅外光譜的比較2拉曼光譜的發(fā)展3拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用4一、拉曼光譜簡(jiǎn)介發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜、原子熒光光譜、X射線熒光光譜、分子熒光光譜等吸收光譜紫外－可見光譜、紅外光譜、原子吸收光譜、核磁共振等散射光譜拉曼光譜1、光譜散射輻射：入射到分子或微粒上的輻射經(jīng)電磁波相互作用后，以一定規(guī)律向各方向重新發(fā)射的輻射。散射輻射有三種類型：丁達(dá)爾散射（TyndallScattering）瑞利散射（RayleighScattering）拉曼散射（RamanScattering）2、拉曼光譜基本原理

拉曼光譜基于1928年印度物理學(xué)家RamanCV發(fā)現(xiàn)拉曼散射效應(yīng)，1960年快速發(fā)展。當(dāng)光入射某些物質(zhì)時(shí)，其散射光除了與入射光頻率相同的成分瑞利線(

0)外，還會(huì)在瑞利線兩側(cè)對(duì)稱分布斯托克線(

0-

)和反斯托克線(

0+

)，將這種散射命名為拉曼散射。

0Anti-Stokes

0+

Rayleigh

0

0-

StokesRayleigh散射：

波長(zhǎng)不變，彈性碰撞；無能量交換，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

h

E0E1V=1V=0h

0h

0h

0h

0

+

E1+h

0E0+h

0h(

0

-

)激發(fā)虛態(tài)

=△E/hRaman散射的兩種躍遷能量差：

E=h(

0-

)產(chǎn)生stokes線，強(qiáng)，基態(tài)分子多

E=h(

0+

)產(chǎn)生反stokes線，弱ANTI-STOKES

0-

RayleighSTOKES

0+

0h(

0

+

)E0E1V=1V=0E1+h

0E0+h

0

h

h

0h(

0

-

)Raman位移（Ramanshift）：拉曼光譜信號(hào)來源與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。Raman散射光與入射光頻率差；Δν=|ν0–νs|對(duì)不同物質(zhì)：

不同；對(duì)同一物質(zhì)：

與入射光頻率無關(guān)，對(duì)應(yīng)于分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)差，定性與結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)。分子極化率誘導(dǎo)偶極矩與外電場(chǎng)的強(qiáng)度之比為分子極化率。分子在光電場(chǎng)E中，極化感應(yīng)偶極距pp＝αEα為極化率拉曼散射強(qiáng)度與極化率成正比例關(guān)系拉曼光譜的分析方向定性分析:

不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進(jìn)行定性分析。結(jié)構(gòu)分析：對(duì)光譜譜帶的分析，又是進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。定量分析：根據(jù)物質(zhì)對(duì)光譜的吸光度的特點(diǎn)，可以對(duì)物質(zhì)的量有很好的分析能力。拉曼光譜定量分析據(jù)為：式中：I-光學(xué)系統(tǒng)所收集到的樣品表面拉曼信號(hào)強(qiáng)度，

K-分子的拉曼散射截面積，

Φ-樣品表面的激光入射功率，

k、k’-分別是入射光和散射光的吸收系數(shù)，

z-入射光和散射光通過的距離，

h（z）-光學(xué)系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，

b-樣品池的厚度。拉曼信號(hào)強(qiáng)度與產(chǎn)生拉曼散射的待測(cè)物濃度成正比。

3.拉曼光譜儀P1、P2：轉(zhuǎn)向棱鏡S：樣品池L1、L2：聚光透鏡M1、M2：球面反射鏡S1：?jiǎn)紊珒x入射狹縫M1M2L2L1SS1P1P2laser激光器近紅外、可見和紫外光源拉曼光強(qiáng)大試樣室發(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光柵，狹縫減少雜散收光檢測(cè)器光電倍增管、多探測(cè)器等光子計(jì)數(shù)器

CCl4的拉曼光譜Δν/cm-1stokesanti-stokes4.拉曼光譜圖紅外活性振動(dòng)—伴有偶極矩變化的振動(dòng)偶極矩：極性基團(tuán)拉曼活性振動(dòng)—伴隨有極化率變化的振動(dòng)誘導(dǎo)偶極矩：非極性、極性基團(tuán)Eeer二、拉曼光譜和紅外光譜比較選律多原子分子在紅外光譜圖上可以出現(xiàn)一個(gè)以上的基頻吸收帶，基頻吸收帶的數(shù)目等于分子的振動(dòng)自由度。

3N=平動(dòng)自由度十轉(zhuǎn)動(dòng)自由度十振動(dòng)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)自由度是由原子圍繞著一個(gè)通過其質(zhì)心的軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的，只有原子在空間的位置發(fā)生改變的轉(zhuǎn)動(dòng)才能形成一個(gè)自由度。

振動(dòng)自由度=3N－（轉(zhuǎn)動(dòng)自由度+平動(dòng)自由度）非線性分子的轉(zhuǎn)動(dòng)HHyxHHHHzyzx線性分子轉(zhuǎn)動(dòng)形式理論振動(dòng)數(shù)（峰數(shù)）設(shè)分子的原子數(shù)為n1.對(duì)于非線形分子,理論振動(dòng)數(shù)=3n-6

如H2O分子,其振動(dòng)數(shù)為3×3-6=3水分子的簡(jiǎn)正振動(dòng)形式OHHOHHHOH2.對(duì)于線形分子,理論振動(dòng)數(shù)=3n-5

如CO2分子,其理論振動(dòng)數(shù)為3×3-5=4CO2分子的簡(jiǎn)正振動(dòng)形式+-+對(duì)稱中心分子CO2，CS2等，選律不相容。無對(duì)稱中心分子（例如SO2等），三種振動(dòng)既是紅外活性振動(dòng)，又是拉曼活性振動(dòng)。

1

2

3

4拉曼活性紅外活性紅外活性振動(dòng)自由度：3N-5=4拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性

提供快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、無損傷的定性定量分析，無需樣品準(zhǔn)備，可直接通過玻璃、石英、和光纖探頭測(cè)量。1.拉曼光譜是研究水溶液中化合物的理想工具。2.可對(duì)有機(jī)物及無機(jī)物進(jìn)行分析。3.更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、運(yùn)用差異分析定性研究。4.只需少量的樣品，可分析更小面積的樣品。5.共振拉曼效應(yīng)可有選擇性地增強(qiáng)大生物分子發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)。拉曼光譜CCD多通道檢測(cè)分析技術(shù)傅立葉變換拉曼光譜分析技術(shù)共振拉曼光譜定量分析技術(shù)表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)分析技術(shù)三、拉曼光譜的發(fā)展1、CCD多通道檢測(cè)分析技術(shù)

拉曼光譜光電檢測(cè)技術(shù)單通道：光電倍增管（PMT）高的靈敏度和寬的光譜響應(yīng)范圍，不能一次同時(shí)獲得分析線。多通道：電荷耦合器件

（CCD）

多譜線檢測(cè)，快速處理光譜信息。光電倍增管原理：當(dāng)光照射光陰極，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。放大后的電子被陽極收集作為信號(hào)輸出。電荷耦合器原理：感光二極管將光線轉(zhuǎn)換為電荷。CCD是由多個(gè)感光二極管組成的陣列，光線穿過這些馬賽克色塊會(huì)讓感光點(diǎn)的二氧化硅材料釋放出電子〈負(fù)電〉與空穴〈正電〉。經(jīng)由外部加入電壓，這些電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到不同極性的另一個(gè)硅層暫存起來。電子數(shù)的多寡和曝光過程光點(diǎn)所接收的光量成正比。2、傅立葉變換拉曼光譜（FT-Raman）一束光相干儀正相干：d=n倍波長(zhǎng)負(fù)相干:d=(2n+1)/2倍波長(zhǎng)兩束相同的光（一束滯后，光程差為d)IFT(a)由一個(gè)單色光產(chǎn)生的相干圖象FTIFT(b)由兩個(gè)單色光產(chǎn)生的相干圖象(c)由多個(gè)單色光產(chǎn)生的相干圖象相干圖象的產(chǎn)生光線①和光線②是的相干光，可產(chǎn)生干涉。光路中加補(bǔ)償板G2的作用是使分束后的光線①和光線②都以相等的光程分別通過G1、G2兩次，補(bǔ)償了只有G1而產(chǎn)生的附加光程差。M2′是M2被G1上半透膜反射所成的虛象，在觀測(cè)者看來好象M2位于M2′的位置并與M1平行，在它們之間形成了一個(gè)空氣薄膜。移動(dòng)M1即可改變空氣膜的厚度。邁克耳遜干涉儀光路傅立葉變換拉曼光譜分析方法應(yīng)用中，最大干擾因素是熒光現(xiàn)象，熒光強(qiáng)度大于拉曼散射強(qiáng)度好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是傅立葉變換拉曼光譜儀提高精度的一個(gè)障礙。傅立葉變換光譜測(cè)定中的熒光干擾現(xiàn)象３３００

２５００１５００４００波數(shù)為了克服熒光現(xiàn)象的產(chǎn)生，將紅外激光光源引進(jìn)了傅立葉變換拉曼光譜分析技術(shù)及其儀器中。

3、共振拉曼光譜

（ResonantRamanSpectrometry，RRS）當(dāng)入射光的頻率正好是將吸光的粒子激發(fā)至基態(tài)以上的電子能級(jí)（不是虛態(tài)）所需要的頻率時(shí)，就產(chǎn)生共振拉曼散射。普通拉曼共振拉曼激發(fā)頻率等于或接近電子吸收帶頻率時(shí)共振；拉曼強(qiáng)度增萬至百萬倍，高靈敏度，宜定量；共振，高選擇性；出現(xiàn)泛頻和組合頻。共振拉曼光譜的特點(diǎn)

將樣品涂在一種特殊的電子導(dǎo)體表面上（Ag、Cu、Au等），就可以觀察到比經(jīng)典的拉曼散射增強(qiáng)103～106之多的散射強(qiáng)度。物理增強(qiáng)：吸附在粗糙化金屬表面的化合物由于表面局域等離子激元被激發(fā)（共振振蕩引起被增強(qiáng)的局域電場(chǎng)）所引起的電磁增強(qiáng)?；瘜W(xué)增強(qiáng)：以及粗糙表面上的原子簇及吸附其上的分子構(gòu)成拉曼增強(qiáng)的活性點(diǎn)（分子在金屬上的吸附伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移引起分子能級(jí)的變化）。4、表面增強(qiáng)拉曼光譜（Surface-EnhancedRamanSpectrometry，SERS

）

表面增強(qiáng)拉曼光譜的特點(diǎn)選擇性好、靈敏度高，檢測(cè)限可達(dá)10-12克級(jí)?？梢詤^(qū)分同分異構(gòu)體、表面上吸附取向不同的同種分子等，是研究表面和界面過程的重要工具，是定性鑒定化學(xué)結(jié)構(gòu)相近化合物的有力手段?？捎米饕合嗌V分析的檢測(cè)器。四、拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用拉曼光譜在工業(yè)過程分析和質(zhì)量控制中的應(yīng)用成為關(guān)注的熱點(diǎn)。一般采用光纖探針采樣，傅立葉變換拉曼光譜儀或CCD多通道探測(cè)光譜儀以及化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行定量。常規(guī)拉曼光譜、傅立葉變換拉曼光譜和表面增強(qiáng)拉曼光譜已經(jīng)進(jìn)行聚合物和聚合過程、化學(xué)反應(yīng)、藥物學(xué)工業(yè)生產(chǎn)、食品化學(xué)工業(yè)等過程分析和質(zhì)量控制。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CN，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，而在拉曼光譜中則是強(qiáng)譜帶。3）環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(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-這類鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)是強(qiáng)譜帶。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。2941，2927cm-1

ASCH22854cm-1

SCH21029cm-1

（C-C）803cm-1環(huán)呼吸

1444，1267cm-1

CH23060cm-1

r-H)1600,1587cm-1

c=c)苯環(huán)1000cm-1環(huán)呼吸787cm-1環(huán)變形1039,1022cm-1單取代拉曼光譜可以進(jìn)行無機(jī)材料（半導(dǎo)體、陶瓷等）、合成高分子、生物大分子等的分析，鑒別物質(zhì),分析物質(zhì)的性質(zhì)。天然雞血石和仿造雞血石區(qū)分a是地（黑色），b是血（紅色）天然雞血石“地”的主要成分為地開石，“血”是辰砂與地開石的集合體。仿造雞血石“地”的主要成分是有機(jī)物聚苯乙烯-丙烯腈。天然雞血石仿造雞血石海洛因罌粟堿鑒別毒品奶粉洗衣粉監(jiān)測(cè)水果表面殘留的農(nóng)藥梨獼猴桃香蕉蘋果植保博士溶液沒滴農(nóng)藥的獼猴桃生物分子鑒定拉曼光譜法可以檢測(cè)蛋白質(zhì)中的酪胺酸是埋藏在內(nèi)或曝露于外。埋藏在內(nèi)部，可做為