11第11章-激光拉曼光譜分析法課件

第11章激光拉曼光譜分析法光是電磁輻射，其作用于物質(zhì)，光子與物質(zhì)分子發(fā)生碰撞時，產(chǎn)生散射光。當(dāng)物質(zhì)顆粒尺寸等于或大于入射光波長，產(chǎn)生丁達(dá)爾散射。當(dāng)物質(zhì)顆粒尺寸小于入射光波長，產(chǎn)生拉曼散射和瑞利散射。彈性碰撞時無能量交換，且不改變頻率，,僅改變運(yùn)動方向，稱瑞利散射；非彈性碰撞不但改變方向，還有能量交換和頻率改變，稱拉曼散射。

1010203概況三點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容整體概況概況一點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容概況二點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容2Raman光譜法分辨率高，重現(xiàn)性好，簡單快速，具有以下特點(diǎn)：1.適合水體系的研究，尤其對生物樣品和無機(jī)物的研究遠(yuǎn)較紅外吸收光譜方便。2.一次可同時覆蓋50～4000cm-1波數(shù)的區(qū)間。3.Raman光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究。尤其是共振Raman光譜，靈敏度高，檢出限可到10-6～10-8mol·L-1。4.Raman光譜所需樣品量少，

g級即可。5.由于共振Raman光譜中譜線的增強(qiáng)是選擇性的，因此可用于研究發(fā)色基團(tuán)的局部結(jié)構(gòu)特征。11.1概論311.2.1Raman散射與Raman位移當(dāng)頻率為ν0的位于可見或近紅外光區(qū)的強(qiáng)激光照射樣品時，有0.1％的入射光子與樣品分子發(fā)生彈性碰撞，此時，光子以相同的頻率向四面八方散射。這種散射光頻率與入射光頻率相同，而方向發(fā)生改變的散射，稱為Rayleigh（瑞利）散射。入射光與樣品分子之間還存在著概率更小的非彈性碰撞（僅為總碰撞數(shù)的十萬分之一），光子與分子間發(fā)生能量交換，使光子的方向和頻率均發(fā)生變化。這種散射光頻率與入射光頻率不同，且方向改變的散射為Raman散射，對應(yīng)的譜線稱為Raman散射線（Raman線）。與入射光頻率ν0相比，頻率降低的為Stokes（Stokes）線，頻率升高的則為反Stokes線。Stokes線或反Stokes線與入射光的頻率差為Raman位移。11.2基本原理411.2.1Raman散射與Raman位移5如果從基態(tài)振動能級躍遷到受激虛態(tài)的分子不返回基態(tài)，而返回到基態(tài)的高位能級，即分子保留一部分能量，此時散射光子的能量為hυ-ΔE，為振動激發(fā)態(tài)的能量，由此產(chǎn)生的拉曼線為斯托克斯線，強(qiáng)度大，其頻率低于入射光的頻率，顯然位于瑞利線左側(cè)；若處于基態(tài)高位能振動能級的分子躍遷到受激虛態(tài)后，再返回到基態(tài)振動能級，此時散射光子的能量則為hυ+ΔE，產(chǎn)生的拉曼線稱為反斯托克斯線，其強(qiáng)度弱，頻率高于入射光的頻率，因此其位于瑞利線右側(cè)。

11.2.1Raman散射與Raman位移6Stokes線遠(yuǎn)強(qiáng)于反Stokes線，因此Raman光譜儀記錄的通常為前者。若將入射光的波數(shù)視作零(Δ＝0)，定位在橫坐標(biāo)右端，忽略反Stokes線，即可得到物質(zhì)的Raman光譜圖。頻率高于入射光的頻率，因此其位于瑞利線右側(cè)。

11.2.2Raman光譜圖與Raman光強(qiáng)度7Raman光譜的光源為激光光源，激光屬于偏振光。當(dāng)入射激光沿x軸方向與分子O作用時，可散射出不同方向的偏振光。若在y軸方向上放置一個偏振器P，當(dāng)偏振器平行于激光方向時，則zy面上的散射光可以通過，當(dāng)偏振器垂直于激光方向時，則xy面上的散射光可以通過。

11.2.3退偏比8若偏振器平行、垂直于激光方向時，散射光的強(qiáng)度分別為I║、I

，則兩者之比稱為退偏比，即

P＝I

/I║。退偏比與分子的極化率有關(guān)，若令為分子極化率中各向同性部分，為各向異性部分，則對于球形對稱振動來說，

P為零，所產(chǎn)生的Raman散射光為完全偏振光。對非對稱振動而言，極化率是各向異性的，

P為3/4。

P越小，分子的對稱性越高。通過測定Raman線的退偏比，可以確定分子的對稱性。

11.2.3退偏比911.2.4Raman光譜與紅外吸收光譜的比較1011.3.1.色散型Raman光譜儀Raman光譜儀主要由光源、樣品池、單色器及檢測器組成，如圖所示：11.3激光Raman光譜儀1111.3.1.1光源由于Raman散射很弱，現(xiàn)代Raman光譜儀的光源多采用高強(qiáng)度的激光光源。激光光源包括連續(xù)波激光器和脈沖激光器。由于高強(qiáng)度激光光源易使試樣分解，尤其是對生物大分子、聚合物等，因此一般采用旋轉(zhuǎn)技術(shù)加以克服。11.3.1.2樣品池Raman光譜法用玻璃作窗口。氣體試樣放在多重反射氣槽或激光器的共振腔內(nèi)。液體試樣采用常規(guī)試樣池。透明棒狀、塊狀和片狀固體可直接進(jìn)行測定。粉末試樣可放入玻璃試樣管或壓片測定。11.3.1色散型Raman光譜儀1211.3.1.3單色器色散型Raman光譜儀采用多單色器系統(tǒng)，如雙單色器、三單色器。最好的是帶有全息光柵的雙單色器，能有效消除雜散光，使與激光波長非常接近的弱Raman線得到檢測。在傅里葉變換Raman光譜儀中，以Michelson(邁克耳孫)干涉儀代替色散元件，光源利用率高，可采用紅外激光光源，以避免分析物或雜質(zhì)的熒光干擾。11.3.1.4.檢測器一般采用光電倍增管。為減少熒光的干擾，在色散型儀器中可用CCD檢測器。常用的檢測器為Ga-As光陰極光電倍增管，光譜響應(yīng)范圍寬，量子效率高，而且在可見光區(qū)內(nèi)的響應(yīng)穩(wěn)定。傅里葉變換型儀器中多選用液氮冷卻鍺光電阻作為檢測器。11.3.1色散型Raman光譜儀1311.3.2.1儀器結(jié)構(gòu)傅里葉變換Raman光譜儀的光路設(shè)計(jì)與傅里葉變換紅外光譜儀非常相似，只是干涉儀與樣品池排列次序不同。11.3.2傅里葉變換Raman光譜儀1411.3.2.2.特點(diǎn)傅里葉變換Raman光譜儀光源發(fā)射波長位于近紅外區(qū)，能量較低，既可以消除熒光干擾，還可以避免某些試樣受激光照射而分解，非常有利于有機(jī)化合物、高分子及生物大分子等的研究。但對一般分子的研究，其Raman散射信號比常規(guī)激光Raman散射信號要弱。同時，該儀器與傅里葉變換紅外光譜儀一樣，還具有掃描速度快、分辨率高、波數(shù)精度及重現(xiàn)性好等特點(diǎn)。11.3.2傅里葉變換Raman光譜儀1511.4.1定性分析Raman位移△表征了分子中不同基團(tuán)振動的特性，因此，可以通過測定△對分子進(jìn)行定性和結(jié)構(gòu)分析。另外，還可通過退偏比ρ的測定確定分子的對稱性。無機(jī)、有機(jī)、高分子等化合物的定性分析；生物大分子的構(gòu)象變化及相互作用研究；各種材料（包括納米材料、生物材料、金剛石）和膜（包括半導(dǎo)體薄膜、生物膜）的Raman分析；礦物組成分析；寶石、文物、公安樣品的無損鑒定等方面。11.4激光Raman光譜法的應(yīng)用1611.4.1.1有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析官能團(tuán)不是孤立的，在不同的分子中，相同官能團(tuán)的Raman位移有一定的差異，△不是固定的頻率，而是在某一頻率范圍內(nèi)變動。對于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)研究，雖然Raman光譜的應(yīng)用遠(yuǎn)不如紅外吸收光譜廣泛，但Raman光譜適合于測定有機(jī)分子的骨架，并能夠方便地區(qū)分各種異構(gòu)體，如位置異構(gòu)、幾何異構(gòu)、順反異構(gòu)等。－C＝C－，－C≡C－，－S－S－，－C＝S－，－S－H，－C－N－，－S＝N－，－N＝N－等基團(tuán)，Raman散射信號強(qiáng)，特征明顯，也適合Raman光譜測定。11.4.1定性分析1711.4.1.2高分子聚合物的研究激光Raman光譜特別適合于高聚物的幾何構(gòu)型、碳鏈骨架或環(huán)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度等的測定。對于含有無機(jī)物填料的高聚物，可以不經(jīng)分離而直接測定。11.4.1.3生物大分子的研究激光Raman光譜是研究生物大分子的有效手段?？梢栽诮咏匀粻顟B(tài)的極稀濃度下來研究生物分子的組成、構(gòu)象和分子間的相互作用。對于眼球晶體、皮膚及癌組織等生物組織切片，可以不經(jīng)處理而直接進(jìn)行測定。11.4.1定性分析18由于Raman信號弱，儀器價(jià)格較貴，激光Raman光譜法在定量分析中不占太大優(yōu)勢，直到共振Raman光譜法和表面增強(qiáng)Raman光譜法出現(xiàn)。與熒光光譜類似，Raman散射光強(qiáng)度與活性成分的濃度成正比。據(jù)此，可利用Raman光譜進(jìn)行定量分析。11