物质结构分析拉曼光谱分析幻灯片.ppt

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1、物质结构分析拉曼光谱分析第1页，共38页，编辑于2022年，星期一主要参考书4 张光寅，蓝国祥，王玉芳，晶格振动光谱学，（第二版）2001。1 朱自莹、顾仁敖、陆天虹，拉曼光谱在化学中的应用。沈阳：东北大学出版社，1998。2 方容川，固体光谱学.中国科学技术大学出版社，2001。3 程光煦，拉曼 布里渊散射原理及应用 北京：科学出版社，2001。第2页，共38页，编辑于2022年，星期一拉曼光谱的发现与发展光散射现象与拉曼光谱光谱选律拉曼光谱的偏振拉曼光谱的一些应用拉曼光谱的实验装置第3页，共38页，编辑于2022年，星期一一拉曼光谱的发现与发展一拉曼光谱的发现与发展 印度物理学家拉曼拉曼(

2、C.V.C.V.RamanRaman)于1928年在试验中发现了光的非弹性散射效应，并因此于1930年获诺贝尔物理学奖。C.V.Ramanan Indian Physicist第4页，共38页，编辑于2022年，星期一第5页，共38页，编辑于2022年，星期一435,8 nm(Hg-line)Spectrum taken by Raman in 1929;Resolution ca.10 cm-1Sample Volume:ca.1 literExposure time:ca.40 hoursSpectrum taken with a modern Raman set-up;Resolutio

3、n ca.0.5 cm-1Sample Volume:ca.1 mlAccumulation time:ca.1 sRaman Spectrum of CCl4Stokesanti-StokesIsotopic(35,37Cl)splitting of 1-vibration461.5-CCl435455.1-CCl335Cl37453.4-CCl235Cl237第6页，共38页，编辑于2022年，星期一拉曼光谱在物理、化学、材料科学、生物等许多领域都有重要应用价值。我国科技工作者对拉曼光谱学的发展做出了重要贡献。第7页，共38页，编辑于2022年，星期一 1935年吴大猷，饶毓泰和沈寿春在北

4、京大学进行了光散射的研究。发表在1937年的 Phys.Rev.上。1939年由北京大学出版了吴大猷的多原子分子的结构及其振动光谱的英文专著。是自拉曼获诺贝尔奖以来，第一部全面总结分子拉曼光谱研究成果的经典著作。1944年，吴大猷和沈寿春在昆明西南联大进行了“硝酸镍氨晶体的拉曼光谱及其硝酸根离子上的晶体场效应”的研究。发表在中国物理学学报第五卷，第二月期。第8页，共38页，编辑于2022年，星期一 稍后黄昆在英国留学和工作期间，开展有关对晶格动力稍后黄昆在英国留学和工作期间，开展有关对晶格动力学的研究，并和玻恩合著了学的研究，并和玻恩合著了晶格动力学理论晶格动力学理论，为晶体的，为晶体的拉曼散

5、射提供了理论基础，成为该领域重要的经典著作拉曼散射提供了理论基础，成为该领域重要的经典著作之一。之一。19881988建立起超晶格拉曼散射理论建立起超晶格拉曼散射理论 20022002年获国家科技奖。年获国家科技奖。第9页，共38页，编辑于2022年，星期一 6060年代初期问世的年代初期问世的激光技术激光技术以及高分辨率，低杂色光以及高分辨率，低杂色光的的光栅单色仪光栅单色仪，高灵敏度的，高灵敏度的光电接收系统光电接收系统（光电倍增管和（光电倍增管和光子计数器）的应用，使拉曼光谱测量达到与红外光谱一光子计数器）的应用，使拉曼光谱测量达到与红外光谱一样方便的水平。样方便的水平。和红外光谱相比，

6、拉曼光谱有制样简单，水的干扰小，和红外光谱相比，拉曼光谱有制样简单，水的干扰小，可做活体实验等优点可做活体实验等优点第10页，共38页，编辑于2022年，星期一二二 光散射现象与拉曼光谱光散射现象与拉曼光谱 当一束光照射到介质上时，大部分光被介质反射或透过介质，另一小部分的光则被介质向四面八方散射。早晚东西方的天空中出现红色霞光，晴朗的天空呈蓝色，广阔的大海呈深兰色等，都属于光散射现象。早在1871年，这种现象就可以用大气和海水对太阳光的瑞利散射予以解释，瑞利散射的强度与入射光波长的四次方成反比（I14）。第11页，共38页，编辑于2022年，星期一 19231923年年，斯斯迈迈克克尔尔（S

7、mekalSmekal）从从理理论论上上预预测测，当当频频率率为为0 0的的入入射射光光经经试试样样散散射射后后，散散射射光光中中应应含含有有0 0的辐射的辐射。19281928年年，印印度度物物理理学学家家拉拉曼曼第第一一次次经经实实验验在在液液态态苯苯中中发现了这种效应，因而称作拉曼效应。发现了这种效应，因而称作拉曼效应。样品拉曼散射反斯托克斯线0+瑞利散射0拉曼散射 0-斯托克斯线 0第12页，共38页，编辑于2022年，星期一Raman散射的散射的基本原理基本原理Rayleigh散散射射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；Rayl

8、eigh散射散射Raman散射散射E0基态，E1振动激发态；E0+h 0，E1+h 0 激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态。h E0E1V=1V=0h 0h 0h 0h 0+E1+h 0E0+h 0h(0-)激发虚态第13页，共38页，编辑于2022年，星期一E=0E=1h0h0h(0-k)h0h0h(0+k)虚态能极振动能极hk拉曼散射斯托克斯线拉曼散射反斯托克斯线瑞利散射图3 拉曼和瑞利散射能级图虚态能极和某一电子能极重合 共振拉曼如跃迁涉及的不是振动能极而是电子能极 电子拉曼第14页，共38页，编辑于2022年，星期一 处于基态处于基态 E E =0=0的分子受入射光的分子受入射光hh

9、0 0的激发而跃迁到一个的激发而跃迁到一个受激虚态。因为这个受激虚态是不稳定的能级（一般不存在），受激虚态。因为这个受激虚态是不稳定的能级（一般不存在），所以分子立即跃迁到基态所以分子立即跃迁到基态E E =0=0。此过程对应于弹性碰撞，跃迁。此过程对应于弹性碰撞，跃迁辐射的频率等于辐射的频率等于0 0，为瑞利散射线。，为瑞利散射线。处于虚态的分子也可能跃迁到激发态处于虚态的分子也可能跃迁到激发态E E =1=1，此过程，此过程对应于非弹性碰撞，对应于非弹性碰撞，跃迁频率等于跃迁频率等于(0-k),(0-k),光子的部光子的部分能量传递给分子，为拉曼散射的斯托克斯线。分能量传递给分子，为拉曼散

10、射的斯托克斯线。第15页，共38页，编辑于2022年，星期一 类似的过程也可能发生在处于激发态类似的过程也可能发生在处于激发态E E =1=1的分子受入射光的分子受入射光子子hh0 0的激发而跃迁到受激虚态，同样因为虚态是不稳定的激发而跃迁到受激虚态，同样因为虚态是不稳定的而立即跃迁到激发态的而立即跃迁到激发态 E E =1=1，此过程对应于弹性碰撞，此过程对应于弹性碰撞，跃迁频率等于跃迁频率等于0 0，为瑞利散射。，为瑞利散射。处于虚态的分子也可能跃迁到基态处于虚态的分子也可能跃迁到基态E E =0=0，此过程对，此过程对应于非弹性碰撞，光子从分子的振动或转动中得到部分应于非弹性碰撞，光子从

11、分子的振动或转动中得到部分能量，跃迁频率等于（能量，跃迁频率等于（0+10+1），为拉曼散射的反斯托），为拉曼散射的反斯托克斯线。克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线对称分布在瑞利线两侧，且反斯托克斯线和反斯托克斯线对称分布在瑞利线两侧，且反斯克斯线一般较弱，通常我们只测斯托克斯线。斯克斯线一般较弱，通常我们只测斯托克斯线。第16页，共38页，编辑于2022年，星期一 斯托克斯和反斯托克斯线与瑞利线之间的频率差分别为：0-(0-k)=k 0-(0+k)=-k 其数值相等，符号相反，说明拉曼谱线对称地分布在瑞利线的两侧。第17页，共38页，编辑于2022年，星期一 根据玻尔兹曼定律，常温下处于基态E

12、=0的分子数比处于激发态E=1的分子数多，遵守玻尔兹曼分布，因此斯托克斯线的强度(Is)大于反斯托克斯线的强度(Ias)，和实验结果相符。-玻尔兹曼常数，-体系的绝对温度 第18页，共38页，编辑于2022年，星期一第19页，共38页，编辑于2022年，星期一三光谱选律三光谱选律 拉曼和红外光谱同属分子光谱，但同一分子的红外和拉曼和红外光谱同属分子光谱，但同一分子的红外和拉曼光谱却不尽相同，拉曼光谱却不尽相同，红外光谱是分子对红外光源的吸收红外光谱是分子对红外光源的吸收所产生的光谱；拉曼光谱是分子对可见光的散射所产生的光所产生的光谱；拉曼光谱是分子对可见光的散射所产生的光谱。谱。分子的某一振动

13、谱带是在拉曼光谱中出现，还是在分子的某一振动谱带是在拉曼光谱中出现，还是在红外光谱中出现，是由光谱选律决定的。红外光谱中出现，是由光谱选律决定的。第20页，共38页，编辑于2022年，星期一光谱选律的直观说法是，如果某一简正振动对应的分子偶极矩变化不为零，即则是红外活性的；反之，是红外非活性的。如果某一简正振动对应于分子的极化率变化不为零，即则是拉曼活性的，反之，是拉曼非活性的如果某一简正振动对应的分子偶极矩和极化率同时发生变化（或不变化），则是红外和拉曼活性的（或非活性的）第21页，共38页，编辑于2022年，星期一互不相容原理具有对称中心的分子：红外活性的振动模，拉曼非活性拉曼活性的振动模

14、，红外非振动红外+拉曼全部振动谱第22页，共38页，编辑于2022年，星期一一般有：同核双原子分子：红外非活性 拉曼活性非极性晶体：红外非活性 拉曼活性异核双原子分子：红外活性 拉曼非活性极性晶体：红外活性 拉曼具体分析 有对称中心非活性第23页，共38页，编辑于2022年，星期一将激发激光从可见光区移至紫外光区而避将激发激光从可见光区移至紫外光区而避开拉曼光谱中的荧光干扰开拉曼光谱中的荧光干扰Excitation line106Excitation line106IntensityWavelength/nmUVVisible RamanUV Raman解决了长期以来拉曼光谱解决了长期以来拉曼

15、光谱的荧光干扰难题的荧光干扰难题第24页，共38页，编辑于2022年，星期一四四 拉曼光谱的偏重拉曼光谱的偏重一个确定取向的分子，在偏振的入射光的作用下，所产生的拉曼散射也是完全偏振的。由于液体和气体样品的分子取向是无规的，因此完全偏振的入射光所产生的散射光则不一定是完全偏振的，称做散射光的退偏。为了描述拉曼谱带的偏振性能变化的程度，引进了退偏比的概念。第25页，共38页，编辑于2022年，星期一YZX检偏器散射光入射光探测器EzEzEyIz退偏比的测量-Iz 样样品品第26页，共38页，编辑于2022年，星期一YZX散射光入射光探测器EzEzEy退偏比的测量-Iy IyIy样样品品检偏器第2

16、7页，共38页，编辑于2022年，星期一第28页，共38页，编辑于2022年，星期一五、拉曼光谱的应用5.1物相分析物相分析每一种物质都有其特征的拉曼光谱，利用拉曼光谱可以鉴别和分析样品的化学成分和分子结构。图中A和B分别为单晶石墨和金刚石的拉曼散射图谱，其拉曼散射峰的位置分别在1580cm-1和1330cm-1处。红色为锐钛矿、黑色为金红为金红石石第29页，共38页，编辑于2022年，星期一5.2、相变及相变机理研究通过分析物质在不同条件下的系列拉曼光谱，来分析物质相变过程。示例为ZrO2样品不同温度焙烧后的拉曼光谱图。从拉曼光谱结果不但可以得到ZrO2样品的相变温度，且可以发现氧化锆四方相

17、到单斜相的相变首先是从表面开始，接着逐步发展到体相。第30页，共38页，编辑于2022年，星期一5.3、显微成分的测定5.3.1包裹体的测定包裹体的测定利用显微拉曼可以测利用显微拉曼可以测试样品中包裹体的拉试样品中包裹体的拉曼位移，从而判断包曼位移，从而判断包裹体的分子成分与结裹体的分子成分与结构构。第31页，共38页，编辑于2022年，星期一5.3.2、考古利用显微拉曼分析利用显微拉曼分析青花瓷青花瓷器不同区域器不同区域/图案的成分，图案的成分，推测其配方。推测其配方。右图瓷器上的右图瓷器上的黑色的网状黑色的网状斑点的拉曼谱，其峰位斑点的拉曼谱，其峰位在在662、302cm-1处，为处，为F

18、e3O4的特征峰。的特征峰。第32页，共38页，编辑于2022年，星期一5.4、物质生成条件的分析青花瓷的青花瓷的Ip值较大，说明唐寿州窑黄釉瓷的烧成温值较大，说明唐寿州窑黄釉瓷的烧成温度低于青花瓷，通常认为寿州窑黄釉瓷的烧成温度度低于青花瓷，通常认为寿州窑黄釉瓷的烧成温度为为1200，而青花瓷的烧成温度高于，而青花瓷的烧成温度高于1300。第33页，共38页，编辑于2022年，星期一5.5、结构应力的测定拉曼峰值频率的移动量与薄膜内部残余应力的大小具有拉曼峰值频率的移动量与薄膜内部残余应力的大小具有线性关系，即线性关系，即=k。其中。其中是薄膜拉曼峰值的频移量，是薄膜拉曼峰值的频移量，是薄膜

19、的残余应力，是薄膜的残余应力，k称为应力因子。通过测量薄膜在残称为应力因子。通过测量薄膜在残余应力作用下引起的材料拉曼谱峰的移动可推知薄膜的余应力作用下引起的材料拉曼谱峰的移动可推知薄膜的残余应力分布。残余应力分布。第34页，共38页，编辑于2022年，星期一5.6、分子/晶体趋向测定由于拉曼入射光是偏振光，对于由于拉曼入射光是偏振光，对于一个确定取向的分子，一个确定取向的分子，在偏振的入射光的作用下，所产生的拉曼散射也是完全偏在偏振的入射光的作用下，所产生的拉曼散射也是完全偏振的。振的。如果样品的分子取向是无规的，则完全偏振的入射光所产如果样品的分子取向是无规的，则完全偏振的入射光所产生的散

20、射光则不一定是完全偏振的，称做散射光的退偏。生的散射光则不一定是完全偏振的，称做散射光的退偏。通过测定样品的散射光的通过测定样品的散射光的退偏比可推道样品的分子趋向。退偏比可推道样品的分子趋向。第35页，共38页，编辑于2022年，星期一六、激光拉曼光谱仪主要配置：主要配置：1514.5nm激光器2LeiCADMLM型显微镜（5X、20X、50X）主要技术指标：主要技术指标：1.分辨率：1-2cm-12.扫描范围：804000cm-13.扫描重复性：0.2cm-14.激发光波长：514.5nm5.输出功率：1.7mW第36页，共38页，编辑于2022年，星期一仪器结构图当当激激发发光光源源经经

21、发发射射镜镜照照射射到到样样品品时时，通通常常是是在在同同入入射射光光成成90度度的的方方向向收收集集散散射射光光。散散射射信信号号经经分分光光后后，进进入入检检测测器器。经经过过光光电电倍倍增增管管将将微微弱弱信信号号转转换换为为电电信信号号，再再经经放放大大检检测测，获获得图谱。得图谱。第37页，共38页，编辑于2022年，星期一Raman光谱仪的特点分析快速、鉴别各种无机、有机和生物材料的特性与结分析快速、鉴别各种无机、有机和生物材料的特性与结构。构。样品需用量很小，微区分辨率可小于样品需用量很小，微区分辨率可小于2微米。微米。对样品无接触、无损伤；样品无需制备。对样品无接触、无损伤；样品无需制备。适合黑色和含水样品。适合黑色和含水样品。可进行高、低温测量。可进行高、低温测量。局限：不适于有荧光产生的样品。解决法是改变激光的局限：不适于有荧光产生的样品。解决法是改变激光的激发波长。激发波长。第38页，共38页，编辑于2022年，星期一