第11章激光拉曼光谱分析法

第第11章章 激光拉曼光谱分析法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，具有光谱法分辨率高，重现性好，简单快速，具有以下特点：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。究远较红外吸收光谱方便。 2. 一次可同时覆盖一次可同时覆盖504000 cm-1 波数的区间。波数的区间。 3. Raman光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究。尤其光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究。尤其是共振是共振Raman光谱，灵敏度高，检出限可到光谱，灵敏度高，检出限可到10-610-8 molL-1。 4. Raman光谱所需样品量少，光谱所需样品量少， g级即可。级即可。 5. 由于共振由于共振Raman光谱中谱线的增强是选择性的，因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。此可用于研究发色基团的局部结构特征。 11.1 11.1 概论概论 11.2.1 Raman散射与散射与Raman位移位移 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）。 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。 11.2 11.2 基本原理基本原理11.2.1 Raman11.2.1 Raman散射与散射与RamanRaman位移位移 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。 11.2.1 Raman11.2.1 Raman散射与散射与RamanRaman位移位移 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。频率高于入射光的频率，因此其位于瑞利线右侧。 11.2.2 Raman11.2.2 Raman光谱图与光谱图与RamanRaman光强度光强度 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。 11.2.3 11.2.3 退偏比退偏比 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PI/ I。 退偏比与分子的极化率有关，若令为分子极化率中各向同性部分，为各向异性部分，则 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。 11.2.3 11.2.3 退偏比退偏比 p3()245()2 +4()2p3()245()2 +4()211.2.4 Raman11.2.4 Raman光谱与红外吸收光谱的比较光谱与红外吸收光谱的比较 11.3.1. 色散型色散型Raman光谱仪光谱仪 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：11.3 11.3 激光激光RamanRaman光谱仪光谱仪 样品室激光器双单色仪检测和记录样品室激光器双单色仪检测和记录 11.3.1.1 光源光源 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。 11.3.1.2 样品池样品池 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。 11.3.1 11.3.1 色散型色散型RamanRaman光谱仪光谱仪 11.3.1.3 单色器单色器 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(迈克耳孙)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。 11.3.1.4. 检测器检测器 一般采用光电倍增管。 为减少荧光的干扰，在色散型仪器中可用CCD检测器。 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。 11.3.1 11.3.1 色散型色散型RamanRaman光谱仪光谱仪 11.3.2.1 仪器结构仪器结构 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。11.3.2 11.3.2 傅里叶变换傅里叶变换RamanRaman光谱仪光谱仪 11.3.2.2. 特点特点 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。11.3.2 11.3.2 傅里叶变换傅里叶变换RamanRaman光谱仪光谱仪 11.4.1 定性分析定性分析 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。11.4 11.4 激光激光RamanRaman光谱法的应用光谱法的应用 11.4.1.1 有机化合物结构分析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。 CC，CC，SS，CS，SH，CN，SN，NN等基团，Raman散射信号强，特征明显，也适合Raman光谱测定。 11.4.1 11.4.1 定性分析定性分析 11.4.1.2 高分子聚合物的研究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。 11.4.1.3 生物大分子的研究生物大分子的研究 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。11.4.1 11.4.1 定性分析定性分析 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。 11.4.2 11.4.2 定量分析定量分析 11.4.3.1 共振共振Raman光谱光谱 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104106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10-610-8 mol L-1。 11.4.3 11.4.3 其他其他RamanRaman光谱法光谱法 11.4.3.2 表面增强表面增强Raman光谱光谱 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104108。 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10-910-12 mol L-1。11.4.3 11.4.3 其他其他RamanRaman光谱法光谱法