拉曼光谱分析

Page 1 of 5 第24讲 本讲重点： 1．拉曼光谱的基本原理。 2．拉曼光谱产生的条件。 第3节 拉曼光谱分析 1 拉曼光谱分析的基本原理 1.1 概述 拉曼散射是印度科学家Raman在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射叫做瑞利散射，由英国科学家瑞利于1899年进行了研究。但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带，并且这种散射光谱是研究分子结构的主要手段。因这一重大发现，拉曼于1930年获诺贝尔奖，且这种散射光谱以拉曼的名字命名。 1928~1940年，拉曼散射光谱受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；随后1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落； 到了1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。 1.2 拉曼光谱的基本原理（重点） 光与透明物质之间的作用分以下几种：透射、反射、 吸收、散射。 散射：光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光的散射 散射的分类： （1）弹性散射（瑞利散射）：入射的光子与物质相互作用后 ,方向改变,能量不变， λ不变 散射光和入射光波长相同，散射光的强度和散射方向有关，并和波长的四次方成反比。按这一定律，短波光的散射比长波光要强得多，如太阳光中蓝色光被微小尘埃的散射要比红色光强十倍以上。晴朗的天空所以呈浅蓝色，完全是大气散射太阳光的结果。大气的散射一部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子散射。按瑞利定律，太阳光中的短波成分更多地被散射掉了，在直射的太阳光中剩余较多的是长波成分。即天空呈现蓝色。 （2）非弹性散射：入射的光子与物质相互作用后 ,不仅方向改变，而且有能量交换 ，λ发生变化， Page 2 of 5 拉曼效应：光子与样品分子间发生了非弹性碰撞使光子的能量(或频率)发生改变的一种现象;能量变低(波数减少)的散射光线称Stokes线,能量变高(波数增加)的散射光线称反Stokes线。 拉曼位移△υ：入射光与散射光的波数差。因此拉曼位移是分子振动能级的直接量度。 7011()10 式中，λ和λ0分别为散射光和入射光的波长。 △υ的单位为cm-1 △ υ=0 瑞利散射 △ υ〉0 拉曼散射的stroks散射 （斯托克斯散射） 在拉散射中，若光子把一部分能量给样品分子，在小于入射光频率处接收到散射光线，称之为斯托克斯线 △ υ〈0 拉曼散射的反stroks散射 （反斯托克斯散射） 在拉曼散射中，若光子从样品分子中获得一部分能量，在大于入射光频率处接收到散射光线，称之为反斯托克斯线。 物理学原理 拉曼效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上能级概念说明拉曼效应。下图是说明拉曼效应的一个简化能级图。 假设散射物分子原来处于电子基态，振动能级如上图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起极化可以看作虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。存在如图所示的三种情况，散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。 注：（1）拉曼谱线的频率虽然随着入射光频率而变化，但拉曼光的频率和瑞利散射光的频率之差却不随入射光频率而变化，而与样品分子的振动转动能级有关。 （2）对同一物质：Δυ与入射光频率无关；表征分子振-转能级的特征物理量，是定性与结构分析的依据。 （3）和红外光谱一起俗称姊妹谱。 Page 3 of 5 1.3 拉曼光谱产生的条件 （重点） 样品分子被入射光照射时，光电场使分子中的电荷分布周期性变化，产生一个交变的分子偶极矩。偶极矩随时间变化二次辐射电磁波即形成光散射现象。 单位体积内分子偶极矩的矢量和称为分子的极化强度，用P表示。极化强度正比于入射电场 EP 被称为分子极化率。 分子振动过程中有极化率的变化。 需伴随分子极化率α变化的分子振动模式才具有拉曼活性，产生拉曼散射 2 拉曼光谱的特征及影响因素 2.1 拉曼光谱图的表示方法 拉曼位移相对于散射光强度作图即得拉曼光谱图 。纵坐标是散射强度，用任意单位表示， 横坐标是拉曼位移、通常采用相对于瑞利线的位移数值表示，单位为波数(cm-1)，瑞利线的位置为零点。 位移为正数的谱线是反斯托克斯线．位移为负数的是斯托克斯线。 斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧,在以波数为变量的拉曼光谱图上，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 2.2 拉曼光谱图的特征 每种物质都有其特定的组成和结构 ,若与光存在相互作用 ,在拉曼光谱上就可以观察到特定的光谱曲线。拉曼光谱的峰带通常较狭窄 ,具有准确的特征标志 ,因而对物质的鉴别有重要的作用。 拉曼位移可以反映物质分子和晶体的振动谱,通过分析拉曼光谱的峰位、峰强、线型、线宽达到从分子水平研究样品结构及分析鉴定物质。 3 拉曼光谱实验技术 3.1拉曼光谱仪概述 两大类：激光拉曼光谱仪和傅里叶拉曼光谱仪 。重点是前者。 激光拉曼光谱仪：美国人Perkin—Elmer于1964年试制成功第一台激光拉曼分光光度计LR-1型。此时，激光拉曼光谱开始定型。到1972年，美国、日本、法国均在不断进行研究并有激光拉曼分光光度计出售，定型的型号已有20种左右。 3.2 工作原理 激光拉曼光谱仪一般由激光光源、样品台、扩束器、滤光片、CCD检测系统、计算机记录和信息处理系统等组成。 Page 4 of 5 激光器输出的紫外或可见光束经扩束器扩大光斑尺寸后，经透镜系统聚焦到样品台上，激发试样分子产生拉曼散射光，散射光经瑞利滤光片滤光后将收集到的拉曼散射光信号，聚焦到分光器的入口狭缝上，通过分光器分光，然后经出射狭缝至CCD检测系统把信号放大处理送到记录系统，当分光器与记录系统同步运行时就记录下试样的拉曼光谱。 常见的激光拉曼光谱仪性能指标： 测试范围： 1)使用氩离子激光器，50-9400cm-1 2)使用氦氖激光器，100-5800cm-1 3)使用二极管激光器，100-3200cm-1 最小测试面积：1平方微米； 分辨率：1-2cm-1（随选用的光栅不同而不同）。 3.3拉曼光谱的特点 优点：扫描范围大，远中近红外区均可测试，近红外区可测试样品的发光谱 可作微区结构分析对样品无要求，固液气均可，无损检测 不受水的影响；可做不同形貌的样品 缺点：有荧光效应，会干涉图谱 黑色样品不能做 3.4 拉曼光谱的应用 （1）拉曼光谱在高分子材料结构研究中的应用 A．在高分子构象研究中的应用 根据互相排斥规则，凡具有对称中心的分子，它们的红外吸收光谱与拉曼散射光谱没有频率相同的谱带。这一原理可帮助推测聚合物的构象。 分子结构模型的对称因素决定了选择原则。比较理论结果与实际测量的光谱，可以判断所提出的结构模型是否准确。这种方法在研究小分子的结构及大分子的构象方面起着很重要的作用。 B．高分子的红外二向色性及拉曼去偏振度 C. 聚合物形变的拉曼光谱研究 纤维状聚合物在拉伸形变过程中，链段与链段之间的相对位置发生了移动，从而使拉曼 Page 5 of 5 线发生了变化。 近年来发展一种所谓的“分子复合材料”，它是由纳米级直径的棒状分子增强树脂基体构成的。“分子复合材料”可以制成各种形状的一维、二维或三维增强体系，并从分子水平上进行增强。 D．医用高分子材料 高分子材料常用于药物传递系统。在许多情况下，药物可通过体液对高分子膜内药物的浸取及药物自身的扩散逐渐被人体吸收，药物分子的大小及高分子膜的交联程度影响药物释放的速度。另一种药物被吸收的方法是高分子生物材料受体液的溶解及水解而逐渐磨耗并放出药物，一系列合成高分子材料具有生物降解的化学键存在，它通过生物体液水解而断裂，即所谓生物降解．．．．。FT-Raman光谱是研究此类体系的较好技术，因为水的干扰小。 （2） 拉曼光谱在材料表面化学研究中的应用 高分子材料表、界面的结构变化或化学反应常常影响材料的性能。聚合物的表面结构及复合物的界面结构研究，对于工程材料、粘合剂及涂料工业都有重要意义。近来出现的“表面增强拉曼散射”（Surface Enhanced Raman Scattering，简称SERS）技术可以使与金属直接相连的分子层的散射信号增强 105~106倍。这一惊人的发现使激光拉曼成为研究表面化学、表面催化等领域的重要检测手段。 （3） 拉曼光谱在生物大分子研究中的应用 在生物领域中共振拉曼光谱具有显著的优越性。所谓共振拉曼光谱是当激光频率和生色团的电子运动的特征频率相等时，就会发生共振拉曼散射。共振拉曼散射的强度比正常的拉曼散射大好几个数量级。由于共振拉曼散射技术有很高的灵敏度，因而对研究在很稀的溶液中的生物生色基团提供了一个很灵敏的方法。 （4） 拉曼光谱在无机体系研究中的应用 对于无机体系，拉曼光谱比红外光谱要优越得多，因为在振动过程中，水的极化度变化很小，因此其拉曼散射很弱，干扰很小。此外，络合物中金属一配位体键的振动频率一般都在100~700cm-1范围内，用红外光谱研究比较困难。然而这些键的振动常具有拉曼活性，且在上述范围内的拉曼谱带易于观测，因此适合于对络合物的组成、结构和稳定性结方面进行研究。 思考题 1、何谓拉曼光谱？说明拉曼光谱产生的机理与条件？ 2、 拉曼位移是什么？拉曼谱图的表示法？ 3、 红外与拉曼活性判断规律？指出下列分子的振动方式哪些具有红外活性、哪些具有拉曼活性。为什么？ （1）O2 H2 （2）H2O的对称伸缩振动、反对称伸缩振动和弯曲振动。 4、 红外与拉曼光谱分析相比较，拉曼光谱在结构分析中的特点是什么？