RamanRaman626现代分析技术系列讲座一一、引言、引言二、基础原理二、基础原理三、激光三、激光RamanRaman光谱仪光谱仪色散型激光色散型激光RamanRaman光谱仪光谱仪傅立叶变换激光傅立叶变换激光RamanRaman光谱仪光谱仪四、几种新的激光四、几种新的激光RamanRaman技术技术五、RamanRaman光谱的应用光谱的应用Raman光谱是分子振动光谱的一种，属于散射光谱。用于研究分子结构红外(IR)光谱也分子振动光谱,属于吸收光谱.二者在分子结构分析上各有所长,相互补充Raman光谱发展简介Raman散射效应是印度科学家C.V.Raman于928年发现的.由于Raman散射光极弱,早期Raman光谱的发展和应用受到严重影响,60年代中后期,激光器的引入使Raman光谱技术快速地发展,.随着电子和计算机技术的应用,激光Raman光谱学领域内发展了许多新的测量技术,可以对微量、微体积或瞬间变化的样品进行分子结构分析.二、基础原理Raman光谱的物理基础——Raman散射效应光与物质的相互作用:透射、吸收、散射弹性散射：光子与分子之间没有能量交换，散射光与入射光频率相同(瑞利散射非弹性散射：散射光与入射光频率不同(拉曼（Raman）散射，称为Raman位移Raman散射光的强度极弱,约为10-7分子能级物质中分子的运动可分为平动、振动、转动和电子运动，分子能量：上述能量都是量子化的，形成能级。每种分子都有自己特定的组成和结构，因而具有各自的特征能级图。Ee：能级间隔120eV可见和紫外区Ev：能级间隔0.051eV红外区Er：能级间隔0.0010.05eV微波区实验发现，大多数情况下，Raman位移在103500cm-1之间，对应于红外光谱区，表明Raman散射现象与分子振动能级的改变有关。分子能级结构示意图斯托克斯散射瑞利散射反斯托克斯散射室温下，分子多处于基态，故斯托克斯散射比反斯托克斯散射强得多Raman位移,取决于分子振动能级的改变，与入射光频率无关；不同的化学键或基团有不同的振动，因此Raman位移是分子结构的特征参数------定性分析的理论依据Raman散射的经典解释和Raman活性的判据分子在光波交变电磁场作用下发生极化,产生诱导偶极矩:将(2)、(3)、(4)式代入(1)式可得：分子振动时,由于核位置移动而改变了核对电子的吸引力,分子的电荷分布发生明显的变化(电子云发生形变),这在某种程度上预示着极化率受到分子振动的调制,故可将极化率按原子核位移的简正坐标Q展开,即:为入射光波的电场,可表示为:分析：因为一个振荡的偶极矩是分子中产生新波动的波源,上式表明散射波中除了频率为的弹性散射波外,还可能会产生频率为的非弹性散射波分量,即:斯托克斯散射(产生一个声子)反斯托克斯散射(吸收一个声子)Raman活性的判据由上述推导可知,Raman散射取决于分子极化率的变化,即:一个分子有没有Raman活性,取决于分子在振动时某一固定方向上的极化率是否改变;也就是说,只有能引起分子极化率变化的振动才是Raman活性的.Raman光谱与红外光谱的关系从产生机理来看,Raman光谱是分子对激发光的散射;而红外光谱是分子对红外光的吸收,但同属于分子振动光谱.从选律来看,分子的非对称性振动和极性基团的振动,一般来说都会引起分子偶极矩的变化,是红外活性的;而分子对称性振动和非极性基团的振动是Raman活性的.光谱“互斥原理”：若分子有对称中心，则不有几率存在一种振动即是Raman活性的又是红外活性的；若分子没有对称中心，则可能有一些振动对Raman和红外都是活性的。由“互斥原理”可知，若光谱中不存在Raman和红外的共同谱带，则分子必然存在对称中心，反之，若存在共同谱带，则分子必然没有对称中心。COO分子的简正振动举例：（1）CO分子：线型分子，有对称中心，有4种振动模式，其中弯曲振动和非对称伸缩振动是红外活性、Raman活性的；而对称伸缩振动是红外非活性、Raman活性的。O分子：非线型分子，没有对称中心，其3种振动模式对红外和Raman都是活性的。O分子：线条在Raman光谱中也能观测到，因此该分子没有对称中心，因为N-N-O.三、激光激光RamanRaman光谱仪光谱仪色散型激光色散型激光RamanRaman光谱仪光谱仪样品室双单色仪检测器记录仪激光器激光器：Raman光谱仪的激发光源一般会用连续波气体激光器,它们的单色性和稳定能力较好.最常用有主波长为632.8nm的He-Ne激光器、主波长为514.5nm和488.0nmAr+激光器。在选择激发波长时，需考虑两个问题：（1）由于Raman散射光的强度和频率的4次方成正比，故选用波长短的激光较为有利；（2）当有些样品受到短波长的激光照射产生严重的荧光干扰时，则应选用较长波长的激光进行激发。采用可调谐激光器，则能够准确的通过被测物质的特点选择正真适合的激光波样品室与外光路部分：实验配置90正向散射垂直散射背向散射球面反射镜M单色仪：Raman光谱仪的核心,决定着整台仪器的性能.为了更好的提高分辨率、降低杂散光,目前多采用双单色仪.探测器：由于Raman散射光极弱,一般来说,当激发光的功率为1W时,到达探测器的散射光功率仅为10-10—10-11甚至更低.因此要求探测放大系统具有高灵敏度和高信噪比.对于可见区的Raman散射光，可用光电倍增管作探测器.光电倍增管的的灵敏度与入射光波长有关，在长波区即红外和近红外区，它的灵敏度下降很多。光电倍增管应避免强光进入，在Raman测试时，一定要把Rayleigh线挡住，防止造成过载而烧毁光电倍增管。傅立叶变换激光傅立叶变换激光RamanRaman光谱仪光谱仪结构原理：与傅立叶变换红外光谱仪相类似。整个Raman光谱范围的散射光经干涉仪形成干涉图样，干涉图样经计算机进行傅立叶变换后即可得到Raman强度随位移变化的Raman光谱图。与色散型Raman光谱仪相比，其分析速度大大加快。结构示意图:主要组件：近红外激光光源:采用Nd-YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器,产生波长为1064nm的近红外激光.由于其能量低于荧光激发所需阈值,从而避免了荧光对Raman光谱的干扰.不足之处是散射光的强度降低,进而影响了仪器的信噪比.探测器:一般都会采用InGaAs或Ge半导体探测器,费用相比来说较高.主要特征:分析速度快,无荧光干扰,分辨率比较高.四、几种新的激光四、几种新的激光RamanRaman技术技术显微Raman光谱技术该技术是70年代中期开始发展,到80年代初逐渐完善的.它是利用激光相干性好,激光束可以会聚成非常小的光斑(线这一特点来检测体积极小的粒子,或不均匀物体中的夹杂物.Renishaw2000显微Raman谱仪结构示意图首先通过光学显微镜，得 到样品放大的像，以选择 待分析区域；通过光束转 换装置，将聚焦后的激光 散射光聚焦于单色仪狭缝，即可得到指定微区的 Raman光谱 样品表面扫描技术在上述微区分析技术中, 激光束会聚成很小的光斑照射在样品上, 从而大 大提高了入射光的功率密度, 这对增强Raman 信号是有利的, 但可能会引起样品 的局部过热,使样品产生热分解, 为此发展了动态样品技术. 其基本概念就是使 样品和会聚的激光束作相对运动, 来达到样品的连续冷却. 有两种实现动态样品技术的方法: 表面扫面积术:聚焦的激光束在样品表面扫描 旋转样品技术:旋转处在激光束照射下的样品 双通道技术该技术在光谱学领域应用非常普遍, 其目的是消除因光源不稳定或周围 环境的影响在光谱中产生不需要的分量. 其基本方法就是先将入射光束分成 相同的两束(即样品光束和参比光束), 让它们通过完全等同的两个光路交替到 达探测器, 再由计算机对这两部分信号做处理. 共振共振Raman Raman光谱技术 光谱技术 技术原理: 在Raman散射测量中, 分子受到激发后跃迁到受激虚态上,如 果这一虚态和分子的本征态之一相符合,就产生共振Raman效应.基本方法就 是选择激发光的频率与样品的电子吸收带重合或接近重合.共振Raman散射 光的强度比通常的非共振Raman散射光的强度提高约10 量级.主要特征: 高灵敏度、高选择性 五、RamanRaman光谱的应用 光谱的应用 利用去偏振度测定分子结构的对称性去偏振度的定义: 分别为垂直和平行于入射光电矢量方向的散射光强度.完全对称振动=0; 非对称振动=3/4; 对一般分子= 3/4.分子的对称性越高, 越趋于0; 用于生物大分子的研究对蛋白质、酶、核酸等生物大分子的研究需在接近生物体内环境的 水溶液中进行。由于水的Raman光谱很弱, 故可用Raman光谱对这些生 物大分子进行结构研究。 无机物及金属配合物的研究应用举例：碳同素异构体的Raman光谱 金刚石（sp )：1332cm-1 单晶石墨：1580cm-1 多晶石墨：1580cm-1 和1350cm -1 60：共有46种振动膜，其中10 种是Raman活性的。两个强度较大 的峰分别位于1459和1469cm -1 碳纳米管：1583cm -1 和1355cm -1 几种碳同素异构体的Raman谱