拉曼光谱分析法ppt课件

11 1拉曼光谱原理 11 2拉曼光谱与红外光谱的关系 11 3激光拉曼光谱仪 11 4激光拉曼光谱的应用 第11章激光拉曼光谱分析 LaserRamanSpectroscopy 1 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 2 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 theIndianphysicist1930NobelPrize 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 3 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 4 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 5 样品池 6 受激虚态不稳定 很快 10 8s 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 Anti stocke线也远弱于stocks线 温度升高 反斯托克斯线增加 7 散射示意图 e 电子基态振动能级 e e Rayleigh散射 e e e Raman散射 温度升高概率大 8 CCl4的散射光谱 Stockslines anti Stockeslines Rayleighscattering cm 1 2 拉曼光谱图 9 CCl4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 10 拉曼位移 Ramanshift 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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102 106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 16 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 17 结构分析 H4C4N4拉曼C C1623cm 1强红外C C1621cm 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 18 19 拉曼活性与红外活性 20 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 21 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 22 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 23 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 24 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 25 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 26 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 27 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 28 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 29 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CaF2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 30 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 31 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 32 一 无机体系 优于红外M O也具有Raman活性Raman谱证实 V IV 是VO2 不是V OH 22 硼酸离解是B OH 4 不是H2 BO 3 Raman光谱测定H2SO4等强酸的解离常数 11 4激光拉曼光谱的应用 33 二 有机化合物 与红外互补Raman适骨架 IR适端基 34 1共振拉曼光谱RRS 激发频率等于或接近电子吸收带频率时共振拉曼强度增万至百万倍 高灵敏度 宜定量共振 高选择性可调染料激光器 2表面增强拉曼光谱SERS 试样吸附在金属表面上 增103 106表面与共振联用检测限10 9 10 12mol L 三 发展 35 红外光谱取决于分子振动过程中所引起的 的变化 拉曼光谱取决于分子振动过程中所引起的 的变化 若分子振动过程中既有偶极矩的变化 又有极化率的变化 则产生 光谱 同核双原子分子 它们振动是否具有红外或拉曼活性 CS2分子的对称伸缩振动时 是否具有红外或拉曼活性 反对称伸缩振动时呢 思考题 36