第五章 激光拉曼光谱分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 激光拉曼光谱分析法,光是电磁辐射，其作用于物质，光子与物质分子发生碰撞时，产生散射光。,当物质颗粒尺寸等于或大于入射光波长，产生丁达尔散射。,当物质颗粒尺寸小于入射光波长，产生拉曼散射和瑞利散射。,弹性碰撞时 无能量交换，且不改变频率，仅改变运动方向，称瑞利散射；,非弹性碰撞,不但改变方向，还有能量交换和频率改变，称拉曼散射。,Raman,光谱法分辨率高，重现性好，简单快速，具有以下特点：,1.,适合水体系的研究，尤其对生物样品和无机物的研究远较红外吸收光谱方便。,2.,一次可同时覆盖,50,4000 cm,-1,波数的区间。,3.Raman,光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究。尤其是共振,Raman,光谱，灵敏度高，检出限可到,10,-6,10,-8,molL,-1,。,4.Raman,光谱所需样品量少，,g,级即可。,5.,由于共振,Raman,光谱中谱线的增强是选择性的，因此可用于研究发色基团的局部结构特征。,5.1,概论,与入射光频率,0,相比，频率降低的为,Stokes,（,Stokes,）线，频率升高的则为反,Stokes,线。,Stokes,线或反,Stokes,线与入射光的频率差为,Raman,位移。,5.2,基本原理,5.2.1 Raman,散射与,Raman,位移,当频率为,0,的位于可见或近红外光区的强激光照射样品时，有,0.1,的入射光子与样品分子发生弹性碰撞，此时，光子以相同的频率向四面八方散射。这种散射光频率与入射光频率相同，而方向发生改变的散射，称为,Rayleigh,（瑞利）散射。,入射光与样品分子之间还存在着概率更小的非弹性碰撞（仅为总碰撞数的十万分之一），光子与分子间发生能量交换，使光子的方向和频率均发生变化。这种散射光频率与入射光频率不同，且方向改变的散射为,Raman,散射，对应的谱线称为,Raman,散射线（,Raman,线）。,5.2.1 Raman,散射与,Raman,位移,如果从基态振动能级跃迁到受激虚态的分子不返回基态，而返回到基态的高位能级，即分子保留一部分能量，此时散射光子的能量为,h,-,E,，,为振动激发态的能量，由此产生的拉曼线为斯托克斯线，强度大，其频率低于入射光的频率，显然位于瑞利线左侧；,若处于基态高位能振动能级的分子跃迁到受激虚态后，再返回到基态振动能级，此时散射光子的能量则为,h,+,E,，,产生的拉曼线称为反斯托克斯线，其强度弱，频率高于入射光的频率，因此其位于瑞利线右侧。,5.2.1 Raman,散射与,Raman,位移,Stokes,线远强于反,Stokes,线，因此,Raman,光谱仪记录的通常为前者。若将入射光的波数视作零,(,0),，定位在横坐标右端，忽略反,Stokes,线，即可得到物质的,Raman,光谱图。反,Stokes,线,频率高于入射光的频率，因此其位于瑞利线右侧。,5.2.2 Raman,光谱图与,Raman,光强度,5.2.,拉曼位移（,Raman shift,）,=|,0,s,|,即散射光频率与激发光频,率,之差。,v,取决于分子振动能级的改变，所以是特征的。,适用于分子结构分析,与入射光波长无关,拉曼光谱与分子极化率的关系,诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子极化率,分子中两原子距离最大时，,也最大,拉曼散射强度与极化率成正比例关系,分子在静电场,E,中，极化感应偶极距,p,p,E,为极化率,Raman,光谱的光源为激光光源，激光属于偏振光。当入射激光沿,x,轴方向与分子,O,作用时，可散射出不同方向的偏振光,。,若在,y,轴方向上放置一个偏振器,P,，当偏振器平行于激光方向时，则,zy,面上的散射光可以通过，当偏振器垂直于激光方向时，则,xy,面上的散射光可以通过。,5.2.3,退偏比,若偏振器平行、垂直于激光方向时，散射光的强度分别为,I,、,I,，则两者之比称为退偏比，即,P,I,/I,。,退偏比与分子的极化率有关,对于球形对称振动来说，,P,为零，所产生的,Raman,散射光为完全偏振光。对非对称振动而言，极化率是各向异性的，,P,为,3/4,。,P,越小，分子的对称性越高。通过测定,Raman,线的退偏比，可以确定分子的对称性。,5.2.3,退偏比,5.2.4 Raman,光谱与红外吸收光谱的比较,5.2.4,拉曼光谱与红外光谱的关系,同,同属分子振,(,转,),动光谱,异：红外,分子对红外光的吸收,强度由分子偶极距决定,异：拉曼,分子对激光的散射,强度由分子极化率决定,红外：,适用于研究,不同原子,的极性键振动,OH,C,O,，,C,X,拉曼：,适用于研究,同原子,的非极性键振动,N,N,C,C,互补,5.2.4,拉曼光谱与红外光谱的关系,O=C=O,对称伸缩,O=C=O,反对称伸缩,偶极距不变,无,红外活性,极化率变,有,拉曼活性,极化率不变,无,拉曼活性,偶极距变,有,红外活性,互排法则：有对称中心的分子其分子振动,对红外和拉曼之一有活性，则另一非活性,互允法则：无对称中心的分子其分子振动,对红外和拉曼都是活性的。,结构,分析：,H,4,C,4,N,4,拉曼,C=C 1623 cm,-1,强,红外,C=C 1621 cm,-1,强,5.3.1.,色散型,Raman,光谱仪,Raman,光谱仪主要由光源、样品池、单色器及检测器组成，如图所示：,5.3,激光,Raman,光谱仪,5.3.1.1,光源,由于,Raman,散射很弱，现代,Raman,光谱仪的光源多采用高强度的激光光源。,激光光源包括连续波激光器和脉冲激光器。,由于高强度激光光源易使试样分解，尤其是对生物大分子、聚合物等，因此一般采用旋转技术加以克服。,5.3.1.2,样品池,Raman,光谱法用玻璃作窗口。,气体试样放在多重反射气槽或激光器的共振腔内。,液体试样采用常规试样池。,透明棒状、块状和片状固体可直接进行测定。,粉末试样可放入玻璃试样管或压片测定。,5.3.1,色散型,Raman,光谱仪,5.3.1.3,单色器,色散型,Raman,光谱仪采用多单色器系统，如双单色器、三单色器。最好的是带有全息光栅的双单色器，能有效消除杂散光，使与激光波长非常接近的弱,Raman,线得到检测。,在傅里叶变换,Raman,光谱仪中，以,Michelson,干涉仪代替色散元件，光源利用率高，可采用红外激光光源，以避免分析物或杂质的荧光干扰。,5.31.4.,检测器,一般采用光电倍增管。,常用的检测器为,Ga,-As,光阴极光电倍增管，光谱响应范围宽，量子效率高，而且在可见光区内的响应稳定。,傅里叶变换型仪器中多选用液氮冷却锗光电阻作为检测器。,5.3.1,色散型,Raman,光谱仪,5.3.2.1,仪器结构,傅里叶变换,Raman,光谱仪的光路设计与傅里叶变换红外光谱仪非常相似，只是干涉仪与样品池排列次序不同。,5.3.2,傅里叶变换,Raman,光谱仪,5.3.2.2.,特点,傅里叶变换,Raman,光谱仪光源发射波长位于近红外区，能量较低，既可以消除荧光干扰，还可以避免某些试样受激光照射而分解，非常有利于有机化合物、高分子及生物大分子等的研究。但对一般分子的研究，其,Raman,散射信号比常规激光,Raman,散射信号要弱。,同时，该仪器与傅里叶变换红外光谱仪一样，还具有扫描速度快、分辨率高、波数精度及重现性好等特点。,5.3.2,傅里叶变换,Raman,光谱仪,5.4.1,定性分析,Raman,位移 表征了分子中不同基团振动的特性，因此，可以通过测定 对分子进行定性和结构分析。另外，还可通过退偏比,的测定确定分子的对称性。,无机、有机、高分子等化合物的定性分析；,生物大分子的构象变化及相互作用研究；,各种材料（包括纳米材料、生物材料、金刚石）和膜（包括半导体薄膜、生物膜）的,Raman,分析；,矿物组成分析；,宝石、文物、公安样品的无损鉴定等方面。,5.4,激光,Raman,光谱法的应用,5.4.1.1,有机化合物结构分析,官能团不是孤立的，在不同的分子中，相同官能团的,Raman,位移有一定的差异，不是固定的频率，而是在某一频率范围内变动。,对于有机化合物的结构研究，虽然,Raman,光谱的应用远不如红外吸收光谱广泛，但,Raman,光谱适合于测定有机分子的骨架，并能够方便地区分各种异构体，如位置异构、几何异构、顺反异构等。,C,C,，,CC,，,S,S,，,C,S,，,S,H,，,C,N,，,S,N,，,N,N,等基团，,Raman,散射信号强，特征明显，也适合,Raman,光谱测定。,5.4.1,定性分析,5.4.1.2,高分子聚合物的研究,激光,Raman,光谱特别适合于高聚物的几何构型、碳链骨架或环结构、结晶度等的测定。对于含有无机物填料的高聚物，可以不经分离而直接测定。,5.4.1.3,生物大分子的研究,激光,Raman,光谱是研究生物大分子的有效手段。,可以在接近自然状态的极稀浓度下来研究生物分子的组成、构象和分子间的相互作用。,对于眼球晶体、皮肤及癌组织等生物组织切片，可以不经处理而直接进行测定。,5.4.1,定性分析,由于,Raman,信号弱，仪器价格较贵，激光,Raman,光谱法在定量分析中不占太大优势，直到共振,Raman,光谱法和表面增强,Raman,光谱法出现。,与荧光光谱类似，,Raman,散射光强度与活性成分的浓度成正比。据此，可利用,Raman,光谱进行定量分析。,5.4.2,定量分析,5.4.3.1,共振,Raman,光谱,当入射激光波长与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，,Raman,跃迁的概率大大增加，使这一分子的某个或几个特征,Raman,谱带强度可达到正常,Raman,谱带的,10,4,10,6,倍，这种现象称为共振,Raman,（,Resonance Raman,）效应。基于共振,Raman,效应建立的,Raman,光谱法称共振,Raman,光谱法。,共振,Raman,光谱有利于低浓度和微量样品的检测，最低检出浓度约为,10,-6,10,-8,mol L,-1,。,5.4.3,其他,Raman,光谱法,5.4.3.2,表面增强,Raman,光谱,将试样吸附在金、银、铜等金属的粗糙表面或胶粒上可大大增强其,Raman,光谱信号，基于这种具有表面选择性的增强效应而建立的方法为表面增强,Raman,光谱法。,该法可使某些,Raman,线的增强因子达,10,4,10,8,。,由于表面增强,Raman,光谱法灵敏度高，它已成为表面科学、催化、电化学等领域的重要研究手段。其定量分析检出限可达纳克或亚纳克级。若它与电化学方法联用，可以研究许多生物物质，如氧合血红蛋白、肌红蛋白、腺苷、多肽、核酸等。,将表面增强,Raman,光谱和共振,Raman,光谱技术联用时，其检出限可达,10,-9,10,-12,mol.L,-1,。,5.4.3,其他,Raman,光谱法,