.,一、拉曼光譜基本原理principleofRamanspectroscopy二、拉曼光譜的應用applicationsofRamanspectroscopy三、激光拉曼光譜儀laserRamanspectroscopy,第五節激光拉曼光譜分析法,laserRamanspectroscopy,.,一、激光拉曼光譜基本原理principleofRamanspectroscopy,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；方向改變且有能量交換；,Rayleigh散射,Raman散射,E0基態，E1振動激發態；E0+h0，E1+h0激發虛態；獲得能量后，躍遷到激發虛態.（1928年印度物理學家RamanCV發現；1960年快速發展）,.,基本原理,1.Raman散射Raman散射的兩種躍遷能量差：E=h(0-)產生stokes線；強；基態分子多；E=h(0+)產生反stokes線；弱；Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差；,.,2.Raman位移,對不同物質：不同；對同一物質：與入射光頻率無關；表征分子振-轉能級的特征物理量；定性與結構分析的依據；Raman散射的產生：光電場E中，分子產生誘導偶極距=E分子極化率；,.,3.紅外活性和拉曼活性振動,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生紅外吸收譜帶.拉曼活性振動誘導偶極矩=E非極性基團，對稱分子；拉曼活性振動伴隨有極化率變化的振動。對稱分子：對稱振動拉曼活性。不對稱振動紅外活性,.,4.紅外與拉曼譜圖對比,紅外光譜：基團；拉曼光譜：分子骨架測定；,.,紅外與拉曼譜圖對比,.,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。,5.選律,振動自由度：3N-4=4,拉曼光譜源于極化率變化,紅外光譜源于偶極矩變化,.,6.拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較,.,二、拉曼光譜的應用applicationsofRamanspectroscopy,由拉曼光譜可以獲得有機化合物的各種結構信息：,2）紅外光譜中，由CN，C=S，S-H伸縮振動產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產生強拉曼譜帶，隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強度增加。,.,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，反這類鍵的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鍵的力常數或鍵的強度沒有很大差別。II.羥基和甲基的質量僅相差2單位。III.與C-H和N-H譜帶比較，O-H拉曼譜帶較弱。,.,2941，2927cm-1ASCH2,2854cm-1SCH2,1029cm-1（C-C）,803cm-1環呼吸,1444，1267cm-1CH2,.,3060cm-1r-H),1600,1587cm-1c=c)苯環,1000cm-1環呼吸,787cm-1環變形,1039,1022cm-1單取代,.,三、激光Raman光譜儀laserRamanspectroscopy,激光光源：He-Ne激光器，波長632.8nm；,Ar激光器，波長514.5nm，488.0nm；散射強度1/4單色器：光柵，多單色器；檢測器：光電倍增管，光子計數器；,.,傅立葉變換-拉曼光譜儀,FT-Ramanspectroscopy光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（1.064m）；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。,.,5.6拉曼光譜1928年，印度物理學家C.V.Raman發現光通過透明溶液時，有一部分光被散射，其頻率與入射光不同，為，頻率位移與發生散射的分子結構有關。這種散射稱為拉曼散射，頻率位移稱為拉曼位移。由紅外光譜及拉曼光譜可以獲得分子結構的直接信息，儀器分辨率高。采用顯微測定等手段可以進行非破壞、原位測定以及時間分辨測定等。,.,5.6.1拉曼光譜簡介,從圖中可見，拉曼光譜的橫坐標為拉曼位移，以波數表示。，其中和分別為Stokes位移和入射光波數。縱坐標為拉曼光強。由于拉曼位移與激發光無關，一般僅用Stokes位移部分。對發熒光的分子，有時用反Stokes位移。,.,拉曼光譜的特點：波長位移在中紅外區。有紅外及拉曼活性的分子,其紅外光譜和拉曼光譜近似。可使用各種溶劑，尤其是能測定水溶液，樣品處理簡單。低波數段測定容易(如金屬與氧、氮結合鍵的振動nM-O,nM-N等)。而紅外光譜的遠紅外區不適用于水溶液，選擇窗口材料、檢測器困難。由Stokes、反Stokes線的強度比可以測定樣品體系的溫度。顯微拉曼的空間分辨率很高，為1mm。時間分辨測定可以跟蹤10-12s量級的動態反應過程。利用共振拉曼、表面增強拉曼可以提高測定靈敏度。其不足之處在于，激光光源可能破壞樣品；熒光性樣品測定一般不適用，需改用近紅外激光激發等等。,.,5.6.2拉曼及瑞利散射機理瑞利和拉曼散射的產生,.,測定拉曼散射光譜時，一般選擇激發光的能量大于振動能級的能量但低于電子能級間的能量差，且遠離分析物的紫外-可見吸收峰。當激發光與樣品分子作用時，樣品分子即被激發至能量較高的虛態(圖中用虛線表示)。左邊的一組線代表分子與光作用后的能量變化，粗線出現的幾率大，細線表示出現的幾率小，因為室溫下大多數分子處于基態的最低振動能級。中間一組線代表瑞利(Rayleigh)散射，光子與分子間發生彈性碰撞，碰撞時只是方向發生改變而未發生能量交換。右邊一組線代表拉曼散射，光子與分子碰撞后發生了能量交換，光子將一部分能量傳遞給樣品分子或從樣品分子獲得一部分能量,因而改變了光的頻率。能量變化所引起的散射光頻率變化稱為拉曼位移。由于室溫下基態的最低振動能級的分子數目最多,與光子作用后返回同一振動能級的分子也最多,所以上述散射出現的幾率大小順序為：瑞利散射Stokes線反Stokes線。隨溫度升高，反Stokes線的強度增加。,.,拉曼活性入射光可以看成是互相垂直的電場和磁場在空間的傳播。其電場強度E可用下述交變電場描述：E=E0Cos(2pn0t)(5.47)其中，E0為交變電場波的振幅，n0為激發光頻率。樣品分子鍵上的電子云與入射光電場作用時會誘導出電偶極矩P：P=aE=aE0Cos(2pn0t)(5.48)a為鍵的極化度。只有當鍵的極化度是成鍵原子間距離的函數，即分子振動產生的原子間距離的改變引起分子極化度變化時，才產生拉曼散射，分子才是拉曼活性的：,.,(5.49)a0為分子中鍵處于平衡位置時的極化度，req為分子中鍵處于平衡位置時的核間距，r為分子中鍵處于任意位置時的核間距。若核間距改變時產生的振動頻率為n，與平衡位置比較的最大核間距為rm，則：r-req=rmcos2pnt(5.50)代入(5.49)式：(5.51)(5.52)(5.52)式第一項對應樣品的瑞利散射，其頻率為n0；第二項對應樣品的拉曼散射，產生反Stokes位移，頻率為反Stokes頻率n0+n；第三項對應樣品的拉曼散射，產生Stokes位移，頻率為Stokes頻率n0-n。(5.52)式表明，要產生拉曼散射，分子的極化度必須是核間距的函數，即da/dr0時才會觀察到拉曼線，只有振動時極化度發生變化的分子才是拉曼活性的。返回頁首,.,5.6.3拉曼光譜參數頻率即拉曼位移，一般用Stokes位移表示。是結構鑒定的重要依據。強度I拉曼散射強度(5.53)式中I0為光源強度；K為常數。當樣品分子不產生吸收時，I與激發波長的4次方成反比。因此選擇較短波長的激光時靈敏度高。拉曼光強與樣品分子濃度成正比。去偏振度r(depolarization)r對確定分子的對稱性很有用。,.,.,拉曼光譜的入射光為激光，激光是偏振光。設入射激光沿xz平面向O點傳播，O處放樣品。激光與樣品分子作用時可散射不同方向的偏振光,若在檢測器與樣品之間放一偏振器，便可分別檢測與激光方向平行的平行散射光I/(yz平面)和與激光方向垂直的垂直散射光I(xy平面)。定義去偏振度(5.54)去偏振度與分子的極化度有關。如分子的極化度中各向同性部分為，各向異性部分為，則：(5.55)返回頁首,.,對球形對稱振動，因此去偏振度r為零。即r值越小，分子的對稱性越高。若分子是各向異性的，則，r=3/4。即非全對稱振動的r=03/4(0.75)。因此通過測定拉曼譜線的去偏振度，可以確定分子的對稱性。如前CCl4的拉曼光譜，459cm-1是由四個氯原子同時移開或移近碳原子所產生的對稱伸縮振動引起，r=0.0005，去極化度很小。459cm-1線稱為極化線。而218cm-1、314cm-1源于非對稱振動，r=0.75。,.,如圖5.29，結晶紫據文獻報導有醌式(a)和離子型(b)兩種結構。在(a)式中三個苯環處于同一平面。(b)式中三個苯環因位阻關系不處在同一平面，彼此稍許錯開，形成類似螺旋槳狀。測定結晶紫水溶液(5x10-4M)的拉曼譜,214cm-1(結晶紫分子中心碳原子的呼吸振動)的r值接近零，可見分子的對稱性很高，說明在該實驗條件下結晶紫分子為離子型結構。,.,紅外及拉曼光譜法的比較紅外及拉曼光譜法的相同點在于，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。因此，對某一給定的化合物，某些峰的紅外吸收波數與拉曼位移完全相同，紅外吸收波數與拉曼位移均在紅外光區，兩者都反映分子的結構信息。,.,.,從圖中可以看出，同一物質，有些峰的紅外吸收與拉曼散射完全對應，但也有許多峰有拉曼散射卻無紅外吸收，或有紅外吸收卻無拉曼散射。因此，紅外光譜與拉曼光譜互補，可用于有機化合物的結構鑒定。紅外光譜的入射光及檢測光均是紅外光，而拉曼光譜的入射光大多數是可見光，散射光也是可見光。紅外光譜測定的是光的吸收，橫坐標用波數或波長表示，而拉曼光譜測定的是光的散射，橫坐標是拉曼位移。兩者的產生機理不同。紅外吸收是由于振動引起分子偶極矩或電荷分布變化產生的。拉曼散射是由于鍵上電子云分布產生瞬間變形引起暫時極化，產生誘導偶極，當返回基態時發生的散射。散射的同時電子云也恢復原態。例如同核雙原子分子NN，Cl-Cl，H-H等無紅外活性卻有拉曼活性是由于這些分子平衡態或伸縮振動引起核間距變化但無偶極矩改變，對振動頻率(紅外光)不產生吸收。但兩原子間鍵的極化度在伸縮振動時會產生周期性變化：核間距最遠時極化度最大，最近時極化度最小。由此產生拉曼位移。二氧化碳分子的對稱伸縮振動（OCO）無紅外活性，但可以產生周期性極化度的改變(距離近時電子云變形小，距離遠時電子云變形大)，因此有拉曼活性。而非對稱伸縮振動（OCO）有紅外活性無拉曼活性。此時一個鍵的核間距減小，一個鍵的核間距增大(一個鍵的極化度小，一個鍵的極化度大)，總的結果是無拉曼活性。圖5.31直線型分子的振動舉例-CO2分子振動過程中的極化度以及偶極矩變化返回頁首,.,5.6.4拉曼光譜儀拉曼光譜儀的光源為激光光源。由于拉曼散射很弱，因此要求光源強度大，一般用激光光源。有可見及紅外激光光源等。如具有308nm，351nm發射線的紫外激光器；Ar+激光器一般在488.0nm,514.5nm等可見區發光；而Nd:YaG激光器則在1064nm的近紅外區使用。色散型拉曼光譜儀有多個單色器(doubleortriplemonochrometersystem)。由于測定的拉曼位移較小，因此儀器需要較高的單色性。在傅立葉變換拉曼光譜儀中，以邁克爾遜干涉儀代替色散元件，光源利用率高，可采用紅外激光，用以避免分析物或雜質的熒光干擾。拉曼光譜儀的檢測器為光電倍增管、多探測器(如CCD:ChargeCoupledDevice)等。,.,微區分析裝置的應用。微區分析裝置是拉曼光譜儀的一個附件，由光學顯微鏡、電子攝像管、顯象熒光屏、照相機等組成。可以將局部樣品的放大圖顯示在熒光屏上，用照相機拍攝樣品的顯微圖象。如人眼球晶體中白內障病變部位的觀測等。,.,5.6.5拉曼光譜的應用,用通常的拉曼光譜可以進行半導體、陶瓷等無機材料的分析。如剩余應力分析、晶體結構解析等。拉曼光譜還是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。如分子取向、蛋白質的巰基、卟啉環等的分析。直鏈CH2碳原子的折疊振動頻率可由下式確定：n=2400/Nc(cm-1)。Nc為碳原,.,從圖中可以看出，不同的碳材料其拉曼光譜不同，因此可以彼此區分。,.,共振拉曼RRS(ResonanceRamanScattering)以分析物的紫外-可見吸收光譜峰的鄰近處作為激發波長。樣品分子吸光后躍遷至高電子能級并立即回到基態的某一振動能級，產生共振拉曼散射。該過程很短，約為10-14秒