分子結(jié)構(gòu)分析概論

1、第四篇 分子結(jié)構(gòu)分析 第14章 分子結(jié)構(gòu)分析概論研究分子光譜是探究分子結(jié)構(gòu)的重要手段之一。分子光譜的特點(diǎn)：分子中包含不同種類(lèi)的原子，還包含各種基團(tuán)和結(jié)構(gòu)單元；分子光譜通常為帶狀光譜，遠(yuǎn)比原子光譜復(fù)雜，但是可以提供更多的結(jié)構(gòu)信息。研究分子光譜能作用：分子光譜除了可以用以進(jìn)行定性與定量分析外，還能測(cè)定分子的能級(jí)、鍵長(zhǎng)、鍵角、力常數(shù)等重要參數(shù)，幫助我們了解物質(zhì)的許多物理和化學(xué)性質(zhì)。分子光譜與分子結(jié)構(gòu) 射線0.005nm0.14nmX射線10nm可見(jiàn)光800nm紅外光50m遠(yuǎn)紅外光1mm微波0.1m原子核能級(jí)躍遷放射化學(xué)內(nèi)層電子能級(jí)躍遷X射線衍射分子轉(zhuǎn)動(dòng)晶格振動(dòng)能級(jí)躍遷遠(yuǎn)紅外光譜電子自旋、分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)

2、躍遷微波光譜學(xué)磁場(chǎng)中核自旋能級(jí)躍遷核磁共振光譜學(xué)400nm紫外光分子振動(dòng)能級(jí)躍遷紅外吸收波長(zhǎng)()短長(zhǎng)頻率(v)高低能量(E)小大價(jià)電子能級(jí)躍遷紫外可見(jiàn)吸收熒光發(fā)射1000m射頻 （無(wú)線電波）分子光譜與分子結(jié)構(gòu) 分子能級(jí)結(jié)構(gòu) 分子的能量具有量子化的特征：分子像原子一樣，其能量是分裂的、不連續(xù)的，有其特征的分子能級(jí)圖。 當(dāng)電磁波照射物質(zhì)時(shí)，所有的原子和分子均能吸收電磁波，且對(duì)吸收的波長(zhǎng)有選擇性。紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法分子光譜分析法拉曼光譜法分子吸收光譜分子散射光譜分子發(fā)射光譜吸收光譜輻射的吸收：輻射通過(guò)物質(zhì)時(shí)，某些頻率的輻射被物質(zhì)的粒子選擇性地吸收，從而使輻

3、射強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。實(shí)質(zhì)：輻射使物質(zhì)粒子發(fā)生由低能級(jí)(一般為基態(tài))向高能級(jí)(激發(fā)態(tài))的能級(jí)躍遷。輻射的發(fā)射：物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象。實(shí)質(zhì)：物質(zhì)從高能級(jí)向低能量躍遷，損失的能量以電磁輻射形式釋放。第十五章 振動(dòng)光譜紅外吸收光譜 拉曼散射光譜 拉曼光譜一 拉曼光譜基本原理二 拉曼光譜與紅外光譜比較三 拉曼光譜儀簡(jiǎn)介四 拉曼光譜應(yīng)用五 表面增強(qiáng)拉曼簡(jiǎn)介C.V. Ramanan Indian Physicist拉曼（Raman），印度物理學(xué)家。1921年開(kāi)始研究并在1928年發(fā)現(xiàn)了光散射的拉曼效應(yīng)，1930年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。和湯川秀樹(shù)（日）一起成為僅有的兩位沒(méi)有受過(guò)西方教育的諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)得

4、主。為表彰拉曼對(duì)印度科學(xué)進(jìn)步所作的巨大貢獻(xiàn)，印度政府將2月28日定為“拉曼節(jié)”。引子 拉曼散射效應(yīng)是印度物理學(xué)家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次發(fā)現(xiàn)的，本人也因此榮獲1930年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 19281940年，受到廣泛的重視，曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。這是因?yàn)榭梢?jiàn)光分光技術(shù)和照相感光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的緣故；19401960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)槔?yīng)太弱（約為入射光強(qiáng)的10-6），并要求被測(cè)樣品的體積必須足夠大、無(wú)色、無(wú)塵埃、無(wú)熒光等等。所以到40年代中期，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落；1960年以后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。由

5、于激光束的高亮度、方向性和偏振性等優(yōu)點(diǎn)，成為拉曼光譜的理想光源。隨探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和對(duì)被測(cè)樣品要求的降低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受研究者的重視。拉曼散射效應(yīng)的進(jìn)展：吸收折射衍射反射散射透明試樣一、 拉曼光譜的基本原理單色光 光散射 - 瑞利散射散射光中，彈性 (瑞利) 散射占主導(dǎo)入射光分子分子散射光 excitationemission散射光與入射光有相同的頻率 散射前散射后光散射 - 拉曼散射光中的1010光子之一是非彈性散射（拉曼）入射光分子excitation分子振動(dòng)散射光excit.-vib.emission光損失能量，使分子振動(dòng)散射前散射

6、后Rayleigh散射：彈性碰撞；無(wú)能量交換，僅改變方向；Raman散射：非彈性碰撞；方向改變且有能量交換；Rayleigh散射Raman散射E0基態(tài)， E1振動(dòng)激發(fā)態(tài)； E0 + h0 ， E1 + h0 激發(fā)虛態(tài)；獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài). h E0E1V=1V=0h0h0h0h0 + E1 + h0E0 + h0h(0 - )激發(fā)虛態(tài)1.1 基本原理Raman散射：有兩種躍遷能量差： a: E = h(0 - )產(chǎn)生stokes線，強(qiáng)； b: E = h(0 + )產(chǎn)生反stokes線，較弱。 Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差。ANTI-STOKES0 - Rayleig

7、hSTOKES0 + 0h(0 + )E0E1V=1V=0E1 + h0E2 + h0 h h0h(0 - )對(duì)應(yīng)于同一分子能級(jí)，stocks和anti-stockes線的拉曼位移應(yīng)該相等Rayleigh scattering Stocks linesanti-Stockes lines對(duì)應(yīng)于同一分子能級(jí)，stocks和anti-stockes線的拉曼位移應(yīng)該相等; 但強(qiáng)度不同CCl4的拉曼光譜0123e電子基態(tài)振動(dòng)能級(jí)eeRayleigh 散射eeeRaman 散射Stocks線Anti-Stocks線溫度升高概率大！溫度升高，反斯托克斯線增加 溫度升高，處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)的分子數(shù)增多 1.2

8、拉曼頻移（Raman shift） =|0 s |, 即散射光頻率與激發(fā)光頻之差。v取決于分子振動(dòng)能級(jí)的改變，所以它是特征的。適用于分子結(jié)構(gòu)分析與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)1.3 拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系誘導(dǎo)偶極矩與外電場(chǎng)的強(qiáng)度之比為分子極化率拉曼散射強(qiáng)度與極化率成正比例關(guān)系拉曼的強(qiáng)度與分子振動(dòng)平衡前后電子云形狀的變化大小有關(guān)。分子在靜電場(chǎng)E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極距ii E為極化率電場(chǎng)作用下、分子中電子云變形的難易程度紅外活性振動(dòng) 永久偶極矩：極性基團(tuán)； 瞬間偶極矩：對(duì)稱(chēng)分子。拉曼活性振動(dòng)非極性基團(tuán)，對(duì)稱(chēng)分子都可產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，i = E總則：伴隨有極化率變化的振動(dòng)可以產(chǎn)生拉曼光譜。1.4 紅外活性和拉曼活

9、性振動(dòng)總則：伴有偶極矩變化的振動(dòng)可以產(chǎn)生紅外吸收譜帶.兩者研究范圍的區(qū)別：對(duì)稱(chēng)分子： 對(duì)稱(chēng)振動(dòng)拉曼活性，無(wú)紅外活性 不對(duì)稱(chēng)振動(dòng)紅外活性，無(wú)拉曼活性無(wú)對(duì)稱(chēng)中心分子（例如H2O ，SO2等），三種振動(dòng)既是紅外活性振動(dòng)，又是拉曼活性振動(dòng)。1234拉曼活性紅外活性紅外活性振動(dòng)自由度：拉曼光譜源于極化率變化紅外光譜源于偶極矩變化3N- 5 = 4O=C=O對(duì)稱(chēng)伸縮O=C=O反對(duì)稱(chēng)伸縮偶極距不變，無(wú)紅外活性極化率變，有拉曼活性極化率不變，無(wú)拉曼活性偶極距變，有紅外活性紅外與拉曼活性判斷法則互排法則：有對(duì)稱(chēng)中心的分子其分子振動(dòng) 對(duì)紅外和拉曼之一有活性，則另一非活性互允法則：無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的分子其分子振動(dòng) 對(duì)紅外

10、和拉曼都是活性的。互禁法則：既非拉曼活性，也非紅外活性。 如乙烯分子的扭曲振動(dòng) 相同點(diǎn)同屬分子振(轉(zhuǎn))動(dòng)光譜異：紅外分子對(duì)紅外光的吸收強(qiáng)度由分子偶極距決定異：拉曼分子對(duì)激光的散射強(qiáng)度由分子極化率決定紅外：適用于研究不同原子的極性鍵振動(dòng) OH, CO，CX拉曼：適用于研究同原子的非極性鍵振動(dòng) NN, CC互補(bǔ)二 拉曼光譜與紅外光譜比較 項(xiàng)目紅外光譜拉曼光譜光譜類(lèi)型吸收光譜散射光譜光譜范圍400-4000 cm-140-4000 cm-1分子結(jié)構(gòu)與光譜活性極性分子及基團(tuán)通常是紅外活性的非極性分子及基團(tuán)通常是拉曼活性的分子結(jié)構(gòu)測(cè)定范圍適于分子端基的測(cè)定適于分子骨架的測(cè)定樣品池不能用玻璃可用玻璃瓶、毛

11、細(xì)管等測(cè)試對(duì)象與品種測(cè)試熒光物質(zhì)方便，測(cè)試單晶、金屬不便測(cè)試熒光物質(zhì)不便，測(cè)試單晶、粉末方便水溶液測(cè)試有一定限制不受水的干擾樣品制備需要制樣無(wú)需制樣定量分析可以有些不便譜庫(kù)譜庫(kù)譜圖及數(shù)據(jù)有幾十萬(wàn)譜庫(kù)較少2.1 拉曼光譜與紅外光譜分析方法比較Information obtained from Raman spectroscopy 拉曼光譜的信息characteristic Raman frequencies拉曼頻率的確認(rèn)composition of material物質(zhì)的組成e.g. MoS2, MoO3changes in frequency of Raman peak拉曼峰位的變化stres

12、s/strainState 張力 / 應(yīng)力 e.g. Si 10 cm-1 shift per % strainpolarization of Raman peak拉曼偏振crystal symmetry and orientation晶體對(duì)稱(chēng)性和取向e.g. orientation of CVD diamond grainswidth of Raman peak拉曼峰寬quality of crystal晶體質(zhì)量e.g. amount of plastic deformationintensity of Raman peak拉曼峰強(qiáng)度amount of material物質(zhì)總量e.g. th

13、ickness of transparent coatingparallelperpendicular2.2 拉曼峰的辯別a: 只要是拉曼散射就會(huì)有斯托克斯線和反斯托克斯線同時(shí)對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)斯托克斯散射反斯托克斯線b:拉曼峰的頻移與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)（改變激發(fā)波長(zhǎng)）拉曼峰的頻移與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，即拉曼峰相對(duì)頻移量不變。c: 通過(guò)工具書(shū)，核對(duì)所用激光波長(zhǎng)中含有的等離子線2.3 紅外與拉曼譜圖對(duì)比紅外光譜：光能團(tuán)測(cè)定; 拉曼光譜：分子骨架測(cè)定聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(面外變形）PMMA在拉曼光譜的低頻率區(qū)出現(xiàn)了較為豐富的譜帶信號(hào)，其紅外光譜的同一區(qū)域中的譜帶信息都很弱。PMMA的C=O及C-O振動(dòng)模式在紅外光譜中有強(qiáng)

14、烈的吸收，而C一C振動(dòng)模式在拉曼譜中較為明顯。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)許多情況下，拉曼頻率位移的程度正好相當(dāng)于紅外吸收頻率；分子對(duì)稱(chēng)性越高，紅外與拉曼光譜的區(qū)別就越大；非極性官能團(tuán)的拉曼散射譜帶較強(qiáng)，極性官能團(tuán)的紅外譜帶較為強(qiáng)烈；碳鏈的取代基用紅外較易測(cè)出，而碳鏈振動(dòng)用拉曼光譜較清楚。2.4 拉曼光譜的特點(diǎn)和主要困難拉曼散射信號(hào)弱（比熒光光譜平均小2-3數(shù)量級(jí)）。激光激發(fā)強(qiáng)；拉曼信號(hào)頻率離激光頻率很近。激光瑞利散射比拉曼信號(hào)強(qiáng)10101014，對(duì)拉曼信號(hào)干擾很大。拉曼光譜儀器的設(shè)計(jì)，必須能排除瑞利散射光，并具有高靈敏度（體現(xiàn)在弱信號(hào)檢測(cè)的高信噪比 ），才能有效地收集拉曼譜。19401960

15、年，拉曼光譜的地位一落千丈的主要原因。3.1 色散型激光拉曼光譜儀拉曼光譜儀主要由五個(gè)基本部件組成：1、用于激發(fā)被測(cè)樣品的激發(fā)光源（激光）。2、收集散射光光學(xué)系統(tǒng)。3、把散射光中不同頻率的光分開(kāi)的分光光度計(jì)（單色器）。4、測(cè)量各種不同散射光頻率的檢測(cè)器。5、用于單色器掃描控制、數(shù)據(jù)采集/處理和數(shù)據(jù)分析的操作軟件。色散型拉曼光譜儀光源樣品裝置單色器信號(hào)處理系統(tǒng)三 拉曼光譜儀簡(jiǎn)介 色散型拉曼光譜儀大都采用可見(jiàn)光作激發(fā)光源和光柵分光得到拉曼光譜。這類(lèi)光譜儀存在的缺點(diǎn)：（1）采用可見(jiàn)光激發(fā)，容易產(chǎn)生熒光。 在生物大分子分析時(shí)將拉曼光譜掩蓋，造成高背景。（2）可見(jiàn)光能量高，樣品易光解，熱解。（3）使用光

16、柵分光和狹縫，光譜分辨率受到限制，光譜波數(shù)的重現(xiàn)性和精度差。用標(biāo)準(zhǔn)樣品校正波數(shù)，狹縫限制了光通量，信噪比不高。傅立葉變換拉曼光譜儀與色散型拉曼光譜儀完全不同，它主要由以下幾個(gè)部分組成：激光光源，樣品室，相干濾波器， Michelson干涉儀，檢測(cè)器，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)（進(jìn)行傅立葉變換）。傅立葉變換拉曼光譜儀的光路圖3.2 傅立葉變換拉曼光譜儀FT-Raman光譜儀與激光拉曼光譜儀的不同之處1. 采用1064 nm的Nd:YAG紅外激光代替了通常的可見(jiàn)激光。用以調(diào)整和校正儀器的方便。2.采用Michelson干涉儀代替通常的光柵單色器。瑞利散射光的降低采用介質(zhì)膜棱光鏡（也稱(chēng)光學(xué)過(guò)濾器），它可放在樣品

17、光路和干涉儀之間。3.探測(cè)器采用對(duì)近紅外有靈敏效應(yīng)的Ge二極管和InGaAs探測(cè)器。傅立葉變換，獲得拉曼位移即拉曼光強(qiáng)。FT-Raman光譜的特點(diǎn)：（1）由于采用近紅外激光激發(fā)，可避免熒光干擾，擴(kuò)大Raman光譜的應(yīng)用范圍，有很高的信噪比。 （2）用近紅外光激發(fā)，能量低，可避免樣品的光解和熱解。（3）傅立葉變換拉曼有分辨率高，波數(shù)精確和重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量精度 可達(dá)到10-3cm-1并且重現(xiàn)性好。（4）FT-Raman光譜儀可消除瑞利譜線，瑞利線的存在將使弱拉曼譜線變的 模糊。（5）近紅外光在光導(dǎo)纖維中傳遞性能好，可用于遙感檢測(cè)。四 拉曼光譜應(yīng)用拉曼光譜是一種快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)無(wú)損分析技術(shù)只要

18、涉及分子組成和分子微環(huán)境變化 (包括結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、構(gòu)像、有序性 、分子相互作用、相變化等)的現(xiàn)象都可用拉曼光譜來(lái)研究.拉曼光譜是在化學(xué)、化工、聚合物、藥物、刑偵生物和醫(yī)學(xué)，食品、珠寶、材料、地質(zhì)、考古、環(huán)境等領(lǐng)域都有巨大前景的分析技術(shù)IF = 3.087 4.1 拉曼光譜在化學(xué)研究中的應(yīng)用有機(jī)化學(xué)：結(jié)構(gòu)鑒定和分子相互作用無(wú)機(jī)化合物：配位化合物的組成、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性等信息， 晶型結(jié)構(gòu)。催化化學(xué)：催化劑及表面上物種的結(jié)構(gòu)信息，催化劑制備過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)研究。電化學(xué)：分子水平上研究電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)、吸附和反應(yīng)等基礎(chǔ)問(wèn)題由拉曼光譜可以獲得有機(jī)化合物的各種結(jié)構(gòu)信息：2）紅外光譜中，由C N，C=S，S-H伸縮振動(dòng)

19、產(chǎn)生的譜帶一般較弱或強(qiáng)度可變，而在拉曼光譜中則是強(qiáng)譜帶。3）環(huán)狀化合物的對(duì)稱(chēng)振動(dòng)常常是最強(qiáng)的拉曼譜帶。1）同種分子的非極性鍵S-S，C=C，N=N，CC產(chǎn)生強(qiáng)拉曼譜帶， 隨單鍵雙鍵三鍵譜帶強(qiáng)度增加。拉曼光譜與紅外光譜合稱(chēng)為振動(dòng)光譜，二者互補(bǔ)，稱(chēng)為姐妹光譜。4）在拉曼光譜中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-這類(lèi)鍵的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)是強(qiáng)譜帶，這類(lèi)鍵的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)是弱譜帶。紅外光譜與此相反。5）C-C伸縮振動(dòng)在拉曼光譜中是強(qiáng)譜帶。6）醇和烷烴的拉曼光譜是相似的：I. C-O鍵與C-C鍵的力常數(shù)或鍵的強(qiáng)度沒(méi)有很大差別。II. 羥基和甲基的質(zhì)量?jī)H相差2單位。 III.與C-H和N-H譜帶比較，O-H拉

20、曼譜帶較弱。拉曼光譜在無(wú)機(jī)體系研究中的應(yīng)用 因?yàn)樵谡駝?dòng)過(guò)程中，水的極化度變化很小，因此其拉曼散射很弱，干擾很小。 4.2 文物顏料無(wú)損分析手持式拉曼光譜儀器Characteristic bands of carbon black: 1598cm-1、1366cm-1 Raman spectra of black pigmentCharacteristic bands of emerald:859cm-1、547cm-1 Raman spectra of green pigment祖母綠Characteristic bands of【Na8(Al6Si6O24)】Sn：545cm-1、1096c

21、m-1Raman spectra of blue pigment4.3 拉曼光譜在材料研究中的應(yīng)用4.3.1 拉曼光譜在高分子材料研究中的應(yīng)用拉曼光譜的選擇定則與高分子構(gòu)象 凡是有對(duì)稱(chēng)中心的分子, IR與RAMAN 沒(méi)有頻率相同的譜帶: 可幫助推測(cè)聚合物的構(gòu)象。 比較理論結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的光譜，可以判斷所提出的結(jié)構(gòu)模型是否準(zhǔn)確。這種方法在研究小分子的結(jié)構(gòu)及大分子的構(gòu)象方面起著很重要的作用 。4.3.2 醫(yī)用高分子材料FTRaman光譜是研究此類(lèi)體系的較好技術(shù)。圖中1808 cm-1和1739 cm-1處的二條譜帶為酸酐的特征峰。隨著不斷水解，這兩條譜帶的強(qiáng)度不斷減弱，這說(shuō)明隨著高聚脂肪酸酐的水解

22、，其酸酐含量在逐漸降低。 高聚脂肪酸酐水解過(guò)程的FTRaman光譜圖 4.4 在生物大分子研究中的應(yīng)用 已有數(shù)十種以上的酶、蛋自質(zhì)、膠抗體、毒素等用拉曼光譜進(jìn)行了研究。上圖是人體碳酸酐酶-B的拉曼光譜。 可以觀察到構(gòu)成人體碳酸酐酶-B的各種氨基酸，以及特征化學(xué)鍵基團(tuán)的拉曼譜帶。如果進(jìn)一步能對(duì)譜帶進(jìn)行詳細(xì)的解析則可在構(gòu)象、氡鍵和氨基酸殘基周?chē)h(huán)境等方面 。五 表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS)1974年Fleischmann 等在電化學(xué)粗糙的Ag電極上得到高質(zhì)量的吡啶的表面拉曼光譜歸結(jié)為因粗糙電極表面積增加所導(dǎo)致的表面吸附分子濃度

23、的增加。1976 年 Van Duyne 等系統(tǒng)研究了相同體系，排除了分子濃度增加因素和共振效應(yīng)后指出: 5-6個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)是來(lái)自一種與粗糙的電極表面相關(guān)表面增強(qiáng)效應(yīng)。能有效避免溶液相中相同物種的信號(hào)干擾, 獲取高質(zhì)量的與表面單層或亞單層物種相關(guān)的表面拉曼光譜信號(hào)。5 0.5 mm106注意：需要納米級(jí)結(jié)構(gòu)（粗糙表面或納米粒子），只有Ag、Cu、Au 才具有很強(qiáng)的SERSSERS和常規(guī)拉曼光譜相比，部分譜峰的相對(duì)強(qiáng)度發(fā)生明顯的變化. 表面第一層分子的增強(qiáng)因子約為其它層的100倍左右。 只有當(dāng)吸附分子以化學(xué)成鍵或形成表面絡(luò)合物的方式吸附在金屬表面才可能表現(xiàn)出非常高的增強(qiáng)因子.分子吸附在某些特殊

24、的活性位上才產(chǎn)生SERS信號(hào). SERS使與金屬相連的分子層的散射信號(hào)增強(qiáng)105-106倍, 使拉曼技術(shù)成為表面化學(xué)，表面催化，各種涂層分析的重要手段 ，可以對(duì)靠近基底的單分子層進(jìn)行高靈敏度的檢測(cè)。 可以觀測(cè)覆蓋在聚合物膜下面的氧化物的生成過(guò)程。因而, SERS 可以作為一種原位判斷表面膜耐腐蝕性能的手段.5.1 聚合物對(duì)金屬表面的防蝕性能 用SERS研究聚合物對(duì)金屬表面的防蝕性能 氮雜環(huán)化合物在銅及其合金的防腐蝕方面有著廣泛的用途。這是因?yàn)樵诠参窖醯淖饔孟拢溥蝾?lèi)化合物在銅或銀等表面形成了致密的抗腐蝕膜。苯并三氮唑聚苯并咪唑聚苯并三氮唑及聚苯并咪唑混合溶液處理銅片之后光滑銀片表面的紅外反射

25、吸普通拉曼光譜硝酸刻蝕后的粗糙的銀表面圖257(c)呈現(xiàn)了清晰的拉曼譜帶，但與PAN的拉曼光譜完全不同，拉曼線1600cm-1，1080cm-1，1000cm-l是典型的芳環(huán)的振動(dòng)。推測(cè)：PAN在銀表面已經(jīng)被催化環(huán)化了。而紅外光譜顯示的聚合膜本體仍然是PAN，因而可以推測(cè)，只有與銀直接相連的界面相是環(huán)化了的產(chǎn)物。聚丙烯腈（PAN)5.2 表面增強(qiáng)拉曼光譜在材料表面化學(xué)研究中的應(yīng)用SERS涂在銀表面的、厚度約為300 nm的PAN的光譜。樣品在測(cè)試光譜之前，曾在 80分別加熱24 h和6 h。紅外普通拉曼SERS作業(yè)：1. 解釋斯托克斯線和反斯托克斯線。2. 判斷分子紅外或拉曼活性的法則？3.

26、比較紅外光譜與拉曼光譜的異同。 End 拉曼光譜的特點(diǎn)和主要困難拉曼散射信號(hào)弱（比熒光光譜平均小23數(shù)量級(jí)）。激光激發(fā)強(qiáng)。拉曼信號(hào)頻率離激光頻率很近。激光瑞利散射比拉曼信號(hào)強(qiáng)10101014，對(duì)拉曼信號(hào)干擾很大。拉曼光譜儀器的設(shè)計(jì)，必須能排除瑞利散射光，并具有高靈敏度（體現(xiàn)在弱信號(hào)檢測(cè)的高信噪比 ），才能有效地收集拉曼譜。hv0瑞利線反斯托克斯線斯托克斯線v=1E0E1h(v0+v1)(v0+v1)(v0-v1)v0hv1hv0hv0hv0h(v0-v1)v=0拉曼散射 （Raman ）非彈性碰撞，有能量交換，波長(zhǎng)有變化樣品池透過(guò)光不變不變?nèi)鹄⑸淅⑸湓龃鬁p小一、激光拉曼光譜基本原理192

27、8年印度物理學(xué)家Raman C V 發(fā)現(xiàn)；1960年快速發(fā)展瑞利散射（Rayleigh）僅改變方向，波長(zhǎng)不變。 彈性碰撞無(wú)能量交換散射: 低效率, 瑞利 10-3; 拉曼 10-6; 激光 ( 102-103 mW)Raman spectrum of CCl4拉曼光譜的基本原理處于基態(tài)的分子總是占絕大多數(shù)，所以斯托克斯線強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反斯托克斯線強(qiáng)度。斯托克斯線與反斯托克斯線的強(qiáng)度比可用這樣一個(gè)式子表示：拉曼 10-30 cm2/分子紅外 10-20 cm2/分子熒光 10-16 cm2/分子靈敏度低I入射= (103-105) I瑞利I瑞利= (103-106) I拉曼分子與光子作用截面（Cr

28、oss-Section)c: 通過(guò)工具書(shū)，核對(duì)所用激光波長(zhǎng)中含有的等離子線2 紅外光譜與拉曼光譜的比較FT-IR Transmission Spectrum 20 40 60 80%TransmittanceRaman Spectrum 1 2 3 4Raman Intensity 1000 2000 3000 4000 3 拉曼光譜儀儀器簡(jiǎn)介(1) 色散型激光拉曼光譜儀(2) 傅立葉變換拉曼光譜儀(1) 色散型激光拉曼光譜儀拉曼光譜儀主要由五個(gè)基本部件組成：1、用于激發(fā)被測(cè)樣品的激發(fā)光源（激光）。2、收集散射光光學(xué)系統(tǒng)。3、把散射光中不同頻率的光分開(kāi)的分光光度計(jì)（單色器）。4、測(cè)量各種不同散

29、射光頻率的檢測(cè)器。5、用于單色器掃描控制、數(shù)據(jù)采集/處理和數(shù)據(jù)分析的操作軟件。色散型拉曼光譜儀光源樣品裝置單色器信號(hào)處理系統(tǒng)(2) 傅立葉變換拉曼光譜儀 色散型拉曼光譜儀大都采用可見(jiàn)光作激發(fā)光源和光柵分光得到拉曼光譜。這類(lèi)光譜儀存在的缺點(diǎn)：（1）采用可見(jiàn)光激發(fā)，容易產(chǎn)生熒光。 在生物大分子分析時(shí)將拉曼光譜掩蓋，造成高背景。（2）可見(jiàn)光能量高，樣品易光解，熱解。（3）使用光柵分光和狹縫，光譜分辨率受到限制，光譜波數(shù)的重現(xiàn)性和 精度差。用標(biāo)準(zhǔn)樣品校正波數(shù)，狹縫限制了光通量，信噪比不高。傅立葉變換拉曼光譜儀組成傅立葉變換拉曼光譜儀與色散型拉曼光譜儀完全不同，它主要由以下幾個(gè)部分組成：激光光源，樣品室

30、，相干濾波器， Michelson干涉儀，檢測(cè)器，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)（進(jìn)行傅立葉變換）。傅立葉變換拉曼光譜儀的光路圖FT-Raman光譜儀與激光拉曼光譜儀的不同之處1.采用1064nm的Nd:YAG激光代替了通常的可見(jiàn)激光。用以調(diào)整和校正儀器的方便。2.采用Michelson干涉儀代替通常的光柵單色器。瑞利散射光的降低采用介質(zhì)膜棱光鏡（也稱(chēng)光學(xué)過(guò)濾器），它可放在樣品光路和干涉儀之間。3.探測(cè)器采用對(duì)近紅外有靈敏效應(yīng)的Ge二極管和InGaAs探測(cè)器。傅立葉變換，獲得拉曼位移即拉曼光強(qiáng)。FT-Raman光譜的特點(diǎn)：（1）由于采用近紅外激光激發(fā)，可避免熒光干擾，擴(kuò)大Raman光譜的應(yīng)用 范圍，有很高的信

31、噪比。 （2）用近紅外光激發(fā)，能量低，可避免樣品的光解和熱解。（3）傅立葉變換拉曼有分辨率高，波數(shù)精確和重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量精度 可達(dá)到10-3cm-1并且重現(xiàn)性好。（4）FT-Raman光譜儀可消除瑞利譜線，瑞利線的存在將使弱拉曼譜線變的 模糊。（5）近紅外光在光導(dǎo)纖維中傳遞性能好，可用于遙感檢測(cè)。(3) 共焦顯微拉曼光譜儀進(jìn)入90年代，拉曼光譜儀的研制獲得了重要進(jìn)展。研制出新一代激光共焦顯微拉曼光譜儀。 DetectorObjectiveSampleAdjust z-axiswith scope focus knobNon-Destructive depth analysisDependa

32、nt on aperture size and objectiveDepth selected by focusing z-axis of scope stage27 micron depth10 micron depth17 micron depthRaman Intensity 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Raman shift (cm-1) 顯微的MAPPING功能結(jié)合專(zhuān)用的顯微鏡軟件可以對(duì)樣品表面進(jìn)行全面地分析，提供樣品每一點(diǎn)的各種信息并可以將采集到的數(shù)據(jù)以多種方式顯示到屏幕上，例如等高圖、立體圖、瀑布圖、拉曼圖、微區(qū)圖等，使分析結(jié)果更直觀

33、MAPPINGDispersive Raman Microscope Map of Acetaminophen in TabletDispersive Raman Microscope Maps of All 3 Components in the tabletAcetaminophenCaffeineAspirin儀器的收集，傳輸和檢測(cè)效率單個(gè)分子的微分散射截面cm2 molecule-1sr-1激光功率密度photonss-1cm-2(或W s-1cm-2)分子數(shù)密度moleculescm-3(moleculescm-2)檢測(cè)試樣體積cm3(cm2)幾何因子,與試樣形貌有關(guān)收集立體角sr光

34、學(xué)元件，色散系統(tǒng)的光傳輸率檢測(cè)器的量子效率e-photon-1檢測(cè)時(shí)間s信號(hào)電子量4 影響拉曼光譜的因素散射信號(hào)量的總計(jì)算公式波長(zhǎng)的選擇Silicon 1064 nm laser 400Silicon, 785 nm laser 8000Raman IntensitySilicon, 532 nm laser 0 3000 500 1000 1500 2000 2500 3000 Raman shift (cm-1) 拉曼信號(hào)的強(qiáng)度正比與散射光頻率的四次方 I1/4 理想的情況是選擇避免熒光的最短激光波長(zhǎng)Shorter Wavelengths are Not Always Better!Ove

35、r-The-Counter Tablet, 532 laserOver-The-Counter Tablet, 633 nm laserRaman IntensityOver-The-Counter Tablet, 785 laser 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Raman shift (cm-1)Highly fluorescent sample:Poly(9-vinylcarbazole)鏡頭的選擇 如果需要高的空間分辨率則應(yīng)選擇高放大倍數(shù)的鏡頭;如50X,100X的鏡頭 對(duì)于易揮發(fā),腐蝕性樣品的測(cè)試則應(yīng)選擇長(zhǎng)工作距離的鏡頭,并且一般還要用PVC或PE薄膜

36、包裹來(lái)保護(hù)鏡頭,或者可以在樣品上方加窗片來(lái)隔離. 如果要高的光收集效率,則選擇數(shù)字孔徑大(通常倍數(shù)是高的放大倍數(shù))的鏡頭采樣過(guò)程2: 積分時(shí)間和累計(jì)次數(shù)積分時(shí)間越長(zhǎng)信號(hào)就越強(qiáng),但積分時(shí)間太長(zhǎng),CCD曝光飽和,故要想進(jìn)一步提高譜圖質(zhì)量就要增加累計(jì)次數(shù).3:光柵的選取:采譜范圍的選擇1800道的光柵分光能力強(qiáng),光譜分辨率高,但信號(hào)強(qiáng)度低,一次采譜范圍窄. 300道的光柵分光能力弱,光譜分辨率低,但信號(hào)強(qiáng)度高,一次采譜范圍寬. 1: 樣品狀態(tài)處理,固體,液體的樣品濃度要提高譜圖質(zhì)量,不僅要優(yōu)化儀器采譜參數(shù),還應(yīng)盡量提高采譜體積內(nèi)的樣品量,如對(duì)于粉末樣品,壓片平整的表面就更利于拉曼信號(hào)的測(cè)試,液體樣品

37、濃度高則信號(hào)強(qiáng)，盡量拉長(zhǎng)光程。激光功率密度問(wèn)題在共聚焦顯微拉曼儀器中,激光經(jīng)顯微鏡鏡頭聚焦于采樣點(diǎn)，即使使用的激光功率很低, 到達(dá)樣品采樣點(diǎn)處的激光功率密度仍然很大.考慮樣品的承受能力，激光功率密度不能太高，否則可能由于光熱或光解作用而使樣品發(fā)生變化。方法有:采用能量低的激發(fā)光降低激光功率: 使用衰減片降低激光功率;小倍數(shù)的收集透鏡離焦: 讓樣品脫離激光聚焦焦點(diǎn),功率密度即成指數(shù)下降Sample：Copper Complexes（銅配合物）Experimental condition: 514.5 nmundamaged sample-exposure time:10s; Accumulati

38、ons:1; laser power:10%damaged sample- exposure time:10s; Accumulations:1; laser power:50%距離(m)直徑(m)功率密度拉曼強(qiáng)度01100100106.90.25502516.80.04313離焦方法原理離焦防止光解的例子拉曼散射的定量分析I=K0Ce-(ln10)(k0+k)zh(z)dzI為拉曼信號(hào)強(qiáng)度， K為拉曼散射面積， 0為激光功率，C為樣品濃度在特定條件下，拉曼信號(hào)強(qiáng)度與樣品濃度成正比，這是拉曼光譜進(jìn)行定量檢測(cè)的依據(jù)。53%郎酒45%古井貢38%古井貢53.2%46.6%39.4%Spatial

39、Resolution dependant on laser spot size and aperture size.Objectives785 nm laser633 nm laser532 nm laser20 x10 um8.6 um7 um50 x4 um3.4 um2.9 um100 x2 um1.7 um1.4 umTo get the highest spatial resolution, use the shortest wavelength laser, the highest objective and the smallest aperture. Trading spect

40、ral resolution for throughputIntensity increases 7 fold, resolution decreases 5 fold100 um30 um15 umIncreasing the entrance slit increases throughput but decreases resolutionRaman spectrum of CCl4, 10 - 1 sec accumulations with different slit setting五 拉曼光譜應(yīng)用拉曼光譜是一種快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)無(wú)損分析技術(shù)只要涉及分子組成和分子微環(huán)境變化 (包括

41、結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、構(gòu)像、有序性 、分子相互作用、相變化等)的現(xiàn)象都可用拉曼光譜來(lái)研究.拉曼光譜是在化學(xué)、化工、聚合物、藥物、刑偵生物和醫(yī)學(xué)，食品、珠寶、材料、地質(zhì)、考古、環(huán)境等領(lǐng)域都有巨大前景的分析技術(shù)1 拉曼光譜在化學(xué)研究中的應(yīng)用有機(jī)化學(xué)：結(jié)構(gòu)鑒定和分子相互作用無(wú)機(jī)化合物：配位化合物的組成、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性等信息， 晶型結(jié)構(gòu)。催化化學(xué)：催化劑及表面上物種的結(jié)構(gòu)信息，催化劑制備過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)研究。電化學(xué)：分子水平上研究電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)、吸附和反應(yīng)等基礎(chǔ)問(wèn)題2 拉曼光譜在高分子材料中的應(yīng)用（1）化學(xué)結(jié)構(gòu)和立構(gòu)性判斷（2）組分定量分析 （3）晶相與無(wú)定形相的表征以及聚合物結(jié)晶過(guò)程的監(jiān)測(cè)。（4）高分子反應(yīng)的聚合、

42、裂解和結(jié)晶等動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究。（5）高分子分子構(gòu)型或構(gòu)象等方面的研究（6）聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究。（7）復(fù)合材料應(yīng)力松弛和應(yīng)變過(guò)程的監(jiān)測(cè)。（8）聚合反應(yīng)過(guò)程和聚合物固化過(guò)程監(jiān)控。3 拉曼光譜在結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的應(yīng)用（1）蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)：-螺旋、-折疊、無(wú)規(guī)卷曲及-回轉(zhuǎn)（2）蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)像：酰胺、，C-C、C-N伸縮振動(dòng)（3）蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)像：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的側(cè)鏈和后二者的構(gòu)像及存在形式隨其微環(huán)境的變化（4）對(duì)構(gòu)像變化敏感的羧基、巰基、S-S、C-S構(gòu)像變化（5）生物膜的脂肪酸碳?xì)滏溞D(zhuǎn)異構(gòu)現(xiàn)象。（6）DNA分子結(jié)構(gòu)以及和DNA與其他分子間的作用。（7）研究脂類(lèi)和生物膜的

43、相互作用、結(jié)構(gòu)、組分等。（8）對(duì)生物膜中蛋白質(zhì)與脂質(zhì)相互作用提供重要信息。4 拉曼光譜在中草藥研究中的應(yīng)用（1）中草藥化學(xué)成分分析（2）中草藥的無(wú)損鑒別（3）中草藥的穩(wěn)定性研究（4）中藥的優(yōu)化 利用拉曼光譜無(wú)損采集細(xì)菌和細(xì)胞的光譜圖，觀察細(xì)菌和細(xì)胞的損傷程度，研究其藥理作用，并進(jìn)行中藥材、中成藥和方劑的優(yōu)化研究。TiO2晶型分析單質(zhì)碳高分子鑒別Nylon 6 0.5 3.0Nylon 66 0.5 500 1000 1500 2000 2500 3000 1079.891281.421303.60Nylon 6 1.0 2.0 953.571062.531129.071297.81Nylon 66 1.0 2.0 900 1100 1300 1500 1700 3.0Full SpectrumExpanded Fingerprint RegionNylon 6 and Nylon 66枸杞子a 天麻 b 羊角天麻藥材鑒別翡翠鑒定Raman study of chemical composition of tooth hard tissueTooth hard tissueenameldentincementumWO3準(zhǔn)一維納米線在低溫時(shí)的結(jié)構(gòu)相變拉曼光活性拉曼光活性是左旋及右旋圓極化光產(chǎn)生拉曼散射強(qiáng)