第11章--拉曼光谱分析法课件

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,*,11-1,拉曼光谱原理,一、概述,二、拉曼光谱图,1,、瑞利散射与拉曼散射,2,、拉曼光谱图,3,、拉曼光谱与分子极化率的关系,三、去偏振度,四、共振拉曼效应,11-1 拉曼光谱原理一、概述,散射光谱（,拉曼光谱,）,拉曼散射光谱,分子振动与转动光谱,拉曼光谱分析技术是以拉曼散射为基础建立起来的分子结构表征技术,C.V.Raman,，,the Indian physicist,1930 Nobel Prize,11-1,拉曼光谱原理,一、概述,主要适用于有机物官能团定性和结构分析，与红外光谱类似，但特点不同。,散射光谱（拉曼光谱）拉曼散射光谱 分子振动与转动光,拉曼光谱的发展：,是印度物理学家拉曼（,C.V.Raman,）于,1928,年首次发现（获,1930,年诺贝尔物理学奖）。,1928,1940,年，受广泛重视，曾是研究分子结构的主要手段。,1940,1960,年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为红外技术的进步和商品化得到发展；而拉曼效应太弱（约为入射光强的,10,-6,），且对被测样品要求高。,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，越来越受研究者重视。,拉曼光谱的发展：,1,、瑞利散射与拉曼散射,光线通过试样，,透射,仍为主体；,由于波长远小于粒径，小部分,散射（,垂直方向观测,）。,散射过程有两种：,：,散射光的波长与入射光相同,。,弹性碰撞无能量交换。,瑞利散射,瑞利散射,不变,：,瑞利散射波长两侧还有散射光，,非弹性碰撞，有能量交换，波长有变化。,拉曼散射,拉曼散射,变,二、拉曼光谱图,1、瑞利散射与拉曼散射 光线通过试样，透射仍为主体；：散,样,品,池,透过光,不变,瑞利散射,不变,拉曼散射,变,增大,减小,样透过光不变瑞利散射不变拉曼散射变增大减小,受激,虚态不稳定，很快,(10,-8,s),跃回基态,大,部分能量不变，,小,部分产生位移。,室温,时处于激发态的分子比基态的分子数少，,A,nti-stocke,线也远弱于,stocks,线。,温度,升高，反斯托克斯线增加。,受激虚态不稳定，很快(10-8s)跃回基态室温时处于激发态的,散射示意图,0,1,2,3,e,电子基态,振动能级,e,e,Rayleigh,散射,e,e,e,Raman,散射,Stocks,线,Anti-Stocks,线,温度升高,概率大！,散射示意图0123e电子基态eeRayleigh 散射eee,CCl,4,的散射光谱,Stocks lines,anti-Stockes lines,Rayleigh scattering,/cm,-1,2,、拉曼光谱图,CCl4的散射光谱 Stocks linesanti-Sto,CCl,4,的拉曼光谱,便携式仪器实测图,（,Stocks,线）,可见，拉曼光谱观测的是相对于入射光频率的位移（用波数表示）。,CCl4的拉曼光谱便携式仪器实测图可见，拉曼光谱观测的是相对,拉曼位移（,Raman shift,）,=|,拉曼散射,激发光,|,即拉曼散射光频率与激发光频率之差取绝对值。,v,取决于分子振动能级的分布，具有,特征性,。,由于拉曼光谱是以激发光波数作为零并处于图的最边且略去反斯托克斯线而得到的谱带，因此得到的是便于与红外吸收光谱相比较的拉曼光谱图。,适用于分子结构分析,与入射光波长无关,因此，拉曼光谱图是以,拉曼位移为横坐标,，,谱带强度为纵坐标,作图得到。,拉曼位移（Raman shift）=|,3,、拉曼光谱与分子极化率的关系,分子极化率,是诱导偶极矩与外电场的强度之比,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,拉曼活性取决于振动中极化率是否变化。,E,为极化率,反映了分子中电子云变形的难易程度,若分子在电场,E,（光波的电磁场）,中，产生诱导偶极距,3、拉曼光谱与分子极化率的关系 分子极化率是诱导偶极矩与外电,仪器结构,三、去偏振度,激光是偏振光。若在试样池和前置单色器狭缝之间放置一,起偏振器,，根据起偏振器的安放方向与激光束的偏振方向平行或垂直，所记录的拉曼谱带强度（,I,/I,）有差别。从而得到去偏振度的概念,。,第三单色器,检测系统,计算机系统,双联单色器,试样室,前置单色器,激光器,仪器结构三、去偏振度 激光是偏振光。若在试样池和前,对称分子,=0,非对称分子,介于,0,到,3/4,之间,值越小，分子对称性越高,去偏振度,（或退偏比）,一般的光谱只能得到频率和强度两个参数，而拉曼光谱还可得到另一个重要的参数,去偏振度。这对于各振动形式的谱带归属和重叠谱带的分离是很有用的。,对称分子=0去偏振度（或退偏比）一般的光谱,（,b,）试样的平行偏振,处于218cm,-1,及314cm,-1,的拉曼谱带，测得值约为,=0.75，属于不对称振动；459cm,-1,处的,=0.007则为对称振动。,四、共振拉曼效应,当激光器的激发线等于或接近于待测分子中生色团的电子吸收（紫外,-,可见吸收）频率时，入射激光与生色基团的电子耦合而处于,共振状态,，所产生的共振拉曼效应可使拉曼散射增强,10,2,10,6,倍。,共振拉曼效应除可使,灵敏度得到提高,外，还可,提高选择性,。而利用共振拉曼光谱的某些拉曼谱带的选择增强，可得到分子振动和电子运动相互作用信息。,应使用多谱线输出的激光器或可调谐激光器,试样吸收激光能而热分解（脉冲激光光源和旋转试样架）,荧光干扰（利用时间差消除）,应用中问题,四、共振拉曼效应 当激光器的激发线等于或接近于待测,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,11-2,拉曼光谱与红外光谱的关系,通常有必要同时测定,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,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,拉曼位移和红外吸收峰的波数相同，只是相对强度不同,。,结构分析：H4C4N4 拉曼位移和红外吸收峰,第11章-拉曼光谱分析法课件,拉曼活性与红外活性,O=C=O,对称伸缩,O=C=O,反对称伸缩,偶极矩不变,无,红外活性,极化率变,有,拉曼活性,极化率不变,无,拉曼活性,偶极矩变,有,红外活性,拉曼活性与红外活性偶极矩不变无红外活性极化率变有拉曼活性极化,互斥法则：,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。,互禁法则：对,少数分子,的振动，其红外和拉曼都是非活性的。,如乙烯分子的扭曲振动，不发生极化率和偶极矩的变化，其红外和拉曼都是非活性的。,互斥法则：有对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼之一有活性，,如果分子的振动形式对于红外和拉曼都是活性的，那么它们的基团频率是等效和通用的。,拉曼光谱的各种基团特征频率在一些专著中都以分类列出并出版有标准谱图（如,Sadtler,标准光谱图）。目前红外光谱图明显占优势，拉曼还需累积。,综上所述，拉曼光谱和红外光谱各有所长，相互补充，两者结合可得到分子振动光谱更为完整的数据，从而有利于研究分子振动和结构组成。,如果分子的振动形式对于红外和拉曼都是活性的，那么它们的基团频,与红外光谱相比拉曼光谱的其它优点,：,拉曼光谱有较宽的测定范围（,4000cm,-1,40cm,-1,）,激光拉曼光谱较易确定谱带的归宿，谱图解析较方便,共振拉曼效应对有生色团的化合物研究有显著优越性,拉曼光谱有利于水溶液的测定,拉曼光谱试样的制备处理很简单,与红外光谱相比拉曼光谱的其它优点：拉曼光谱有较宽的测定范围（,LRS,II,型激光拉曼,/,荧光光谱仪,11-3,激光拉曼光谱仪,色散型和傅里叶变换型,激光拉曼光谱仪可分为,LRSII型激光拉曼/荧光光谱仪11-3 激光拉曼光谱,1960,年激光的出现，为拉曼光谱仪提供了最理想的光源。基于：,激光亮度极强，可得到较强的拉曼散射线,激光的单色性极好，有利于得到高质量的拉曼光谱图,激光的准直性可获得微区拉曼信息,激光几乎完全是线偏振光，可简化去偏振度的测量,1960年激光的出现，为拉曼光谱仪提供了最理想的光源。基于：,一、色散型激光拉曼光谱仪,第三单色器,检测系统,计算机系统,双联单色器,试样室,前置单色器,激光器,一般仪器方框图,一、色散型激光拉曼光谱仪第三单色器检测系统,激光器,激发光源常用,连续气体激光器,；,如最常用,Ar,激光器,488.0/514.5nm,，,频率高，拉曼光强大；,其它如,氦,-,氖,、,氪离子激光器,；,共振拉曼光谱：从激光器的输出激光线中选择或用可调谐激光器（如,染料激光器,）。,见表,11-2,（,P.334,）,试样室,前置单色器：,选取某固定波长的激光并降低杂射光的影响,90,照明方式；,发射透镜：,使激光聚焦在样品上；,会集透镜：,使拉曼光聚焦在双联单色器的入射狭缝,旋转试样技术：,降低试样分解，抑制荧光,激光器激发光源常用连续气体激光器；试样室前置单色器：选取某固,单色器,要求,杂射光尽可能低，并有高的分辨率和透射率。,双联单色器,（仪器心脏）：,2,个光栅，七面反射镜，,4,个狭缝；有效降低杂散光水平。,第三单色器,：为检测拉曼位移很低波数。,检测器,拉曼散射光位于可见区,光电倍增管检测器,阵列型多道光电检测器：,电荷耦合,阵列检测器（,CCD,）和,电荷注入,阵列检测器（,CID,）；,CCD,有很高的量子效率及很低的暗电流和噪声，适于微弱光信号的检测。,单色器要求杂射光尽可能低，并有高的分辨率和透射率。检测器拉曼,二、傅里叶变换近红外激光拉曼光谱仪,（,NIR-FT-Raman,）,迈克尔逊干涉仪,检测系统,抛物面会聚镜,试样,透镜,Nd-YAG,激光光源,仪器方框图,滤光片组,荧光背景出现机会小,分辨率高,波数精度和重现性好,扫描快，操作方便,近红外光的特性（光纤维中传递性能好、可穿透生物组织）,优,点,二、傅里叶变换近红外激光拉曼光谱仪迈克尔逊干涉仪检测系统抛物,近红外激光光源,Nd-YAG激光器代替可见光激光器；,产生,1.064,m近红外激发光,，比可见光长约1倍，影响信噪比，,FT技术克服,；,激发光能量低于荧光所需阈值,。,迈克尔逊干涉仪,与,FTIR,使用的干涉仪一样，只是使用,CaF,2,分束器,（适于近红外）,干涉图经计算机变换,得到拉曼散射强度随拉曼位移变化的拉曼光谱图,扫描速率快,近红外激光光源Nd-YAG激光器代替可见光激光器；迈克尔逊干,试样室,采用,背向照明方式,，收集尽可能多的拉曼信号；,仪器的,光学反射镜面镀金,，获更高的反射率。,检测器,室温下的,铟鎵砷检测器,液氮冷却的,锗检测器,滤光片组,滤除很强的瑞利散射光,；,干涉滤光片组，由,折射率高低不同的多层材料交替组合,而成。,试样室采用背向照明方式，收集尽可能多的拉曼信号；检测器室温下,三、激光显微拉曼光谱仪,使入射激光,通过显微镜聚焦到试样的微小部位,（直径小至5,m），可精确获取所照射部位的拉曼光谱图。,共焦显微激光拉曼光谱仪,（使用CCD检测器）：显微镜的物镜和目镜的焦点重合于一点，排除了非焦点处组分对成像的影响，可显示微区的不同深度和三维结构信息。,激光拉曼光纤探针,：光导纤维传感技术与显微镜耦合而成，可对远距离、特殊环境中试样的拉曼散射进行原位遥感探测。,三、激光显微拉曼光谱仪 使入射激光通过显微镜聚焦到试样,一、无机体系,优于红外,M,O,也具有,Raman,活性,Ra