激光拉曼光谱分析法优秀课件.ppt

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1、激光拉曼光谱分析法第1 页，本讲稿共20 页 Raman 光谱法分辨率高，重现性好，简单快速，具有以下特点：1.适合水体系的研究，尤其对生物样品和无机物的研究远较红外吸收光谱方便。2.一次可同时覆盖504000 cm-1 波数的区间。3.Raman 光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究。尤其是共振Raman 光谱，灵敏度高，检出限可到10-610-8 molL-1。4.Raman 光谱所需样品量少，g级即可。5.由于共振Raman 光谱中谱线的增强是选择性的，因此可用于研究发色基团的局部结构特征。11.1 概论第2 页，本讲稿共20 页 11.2.1 Raman 散射与Raman 位移 当频率为0

2、的位于可见或近红外光区的强激光照射样品时，有0.1的入射光子与样品分子发生弹性碰撞，此时，光子以相同的频率向四面八方散射。这种散射光频率与入射光频率相同，而方向发生改变的散射，称为Rayleigh（瑞利）散射。入射光与样品分子之间还存在着概率更小的非弹性碰撞（仅为总碰撞数的十万分之一），光子与分子间发生能量交换，使光子的方向和频率均发生变化。这种散射光频率与入射光频率不同，且方向改变的散射为Raman 散射，对应的谱线称为Raman 散射线（Raman 线）。与入射光频率0相比，频率降低的为Stokes（Stokes）线，频率升高的则为反Stokes 线。Stokes 线或反Stokes 线与

3、入射光的频率差为Raman 位移。11.2 基本原理第3 页，本讲稿共20 页11.2.1 Raman散射与Raman位移 第4 页，本讲稿共20 页 如 果 从 基 态 振 动 能 级 跃 迁 到 受 激 虚 态 的 分 子 不 返回 基 态，而 返 回 到 基 态 的 高 位 能 级，即 分 子 保 留一 部 分 能 量，此 时 散 射 光 子 的 能 量 为h-E，为振 动 激 发 态 的 能 量，由 此 产 生 的 拉 曼 线 为 斯 托 克斯 线，强 度 大，其 频 率 低 于 入 射 光 的 频 率，显 然位于瑞利线左侧；若处于基态高位能振动能级的分子跃迁到受激虚态后，再返回到基态

4、振动能级，此时散射光子的能量则为h+E，产生的拉曼线称为反斯托克斯线，其强度弱，频率高于入射光的频率，因此其位于瑞利线右侧。11.2.1 Raman散射与Raman位移 第5 页，本讲稿共20 页 Stokes 线 远 强 于 反Stokes 线，因 此Raman 光 谱 仪 记 录 的 通 常 为前 者。若 将 入 射 光 的 波 数 视 作 零(0)，定 位 在 横 坐 标 右 端，忽略 反Stokes 线，即 可 得 到 物 质 的Raman 光 谱 图。频 率 高 于 入 射光的频率，因此其位于瑞利线右侧。11.2.2 Raman光谱图与Raman光强度 第6 页，本讲稿共20 页 R

5、aman 光 谱 的 光 源 为 激 光 光 源，激 光 属 于 偏 振 光。当 入 射 激 光沿x轴 方 向 与 分 子O 作 用 时，可 散 射 出 不 同 方 向 的 偏 振 光。若在y轴 方 向 上 放 置 一 个 偏 振 器P，当 偏 振 器 平 行 于 激 光 方 向 时，则zy 面 上 的 散 射 光 可 以 通 过，当 偏 振 器 垂 直 于 激 光 方 向 时，则xy面上的散射光可以通过。11.2.3 退偏比 第7 页，本讲稿共20 页 若偏振器平行、垂直于激光方向时，散射光的强度分别为I、I，则两者之比称为退偏比，即PI/I。退偏比与分子的极化率有关，若令为分子极化率中各向

6、同性部分，为各向异性部分，则 对于球形对称振动来说，P 为零，所产生的Raman 散射光为完全偏振光。对非对称振动而言，极化率是各向异性的，P为3/4。P越小，分子的对称性越高。通过测定Raman 线的退偏比，可以确定分子的对称性。11.2.3 退偏比 第8 页，本讲稿共20 页11.2.4 Raman光谱与红外吸收光谱的比较 第9 页，本讲稿共20 页 11.3.1.色散型Raman 光谱仪 Raman 光谱仪主要由光源、样品池、单色器及检测器组成，如图所示：11.3 激光Raman光谱仪 第10 页，本讲稿共20 页 11.3.1.1 光源 由于Raman 散射很弱，现代Raman 光谱仪

7、的光源多采用高强度的激光光源。激光光源包括连续波激光器和脉冲激光器。由于高强度激光光源易使试样分解，尤其是对生物大分子、聚合物等，因此一般采用旋转技术加以克服。11.3.1.2 样品池 Raman 光谱法用玻璃作窗口。气体试样放在多重反射气槽或激光器的共振腔内。液体试样采用常规试样池。透明棒状、块状和片状固体可直接进行测定。粉末试样可放入玻璃试样管或压片测定。11.3.1 色散型Raman光谱仪 第1 1 页，本讲稿共20 页 11.3.1.3 单色器 色散型Raman 光谱仪采用多单色器系统，如双单色器、三单色器。最好的是带有全息光栅的双单色器，能有效消除杂散光，使与激光波长非常接近的弱Ra

8、man 线得到检测。在傅里叶变换Raman 光谱仪中，以Michelson(迈克耳孙)干涉仪代替色散元件，光源利用率高，可采用红外激光光源，以避免分析物或杂质的荧光干扰。11.3.1.4.检测器 一般采用光电倍增管。为减少荧光的干扰，在色散型仪器中可用CCD 检测器。常用的检测器为Ga-As 光阴极光电倍增管，光谱响应范围宽，量子效率高，而且在可见光区内的响应稳定。傅里叶变换型仪器中多选用液氮冷却锗光电阻作为检测器。11.3.1 色散型Raman光谱仪 第12 页，本讲稿共20 页 11.3.2.1 仪器结构 傅里叶变换Raman 光谱仪的光路设计与傅里叶变换红外光谱仪非常相似，只是干涉仪与样

9、品池排列次序不同。11.3.2 傅里叶变换Raman光谱仪 第13 页，本讲稿共20 页 11.3.2.2.特点 傅里叶变换Raman 光谱仪光源发射波长位于近红外区，能量较低，既可以消除荧光干扰，还可以避免某些试样受激光照射而分解，非常有利于有机化合物、高分子及生物大分子等的研究。但对一般分子的研究，其Raman 散射信号比常规激光Raman 散射信号要弱。同时，该仪器与傅里叶变换红外光谱仪一样，还具有扫描速度快、分辨率高、波数精度及重现性好等特点。11.3.2 傅里叶变换Raman光谱仪 第14 页，本讲稿共20 页 11.4.1 定性分析 Raman 位移 表征了分子中不同基团振动的特性

10、，因此，可以通过测定 对分子进行定性和结构分析。另外，还可通过退偏比 的测定确定分子的对称性。无机、有机、高分子等化合物的定性分析；生物大分子的构象变化及相互作用研究；各种材料（包括纳米材料、生物材料、金刚石）和膜（包括半导体薄膜、生物膜）的Raman 分析；矿物组成分析；宝石、文物、公安样品的无损鉴定等方面。11.4 激光Raman光谱法的应用 第15 页，本讲稿共20 页 11.4.1.1 有机化合物结构分析 官能团不是孤立的，在不同的分子中，相同官能团的Raman 位移有一定的差异，不是固定的频率，而是在某一频率范围内变动。对于有机化合物的结构研究，虽然Raman 光谱的应用远不如红外吸

11、收光谱广泛，但Raman 光谱适合于测定有机分子的骨架，并能够方便地区分各种异构体，如位置异构、几何异构、顺反异构等。C C，CC，S S，C S，S H，C N，S N，N N 等基团，Raman 散射信号强，特征明显，也适合Raman 光谱测定。11.4.1 定性分析第16 页，本讲稿共20 页 11.4.1.2 高分子聚合物的研究 激光Raman 光谱特别适合于高聚物的几何构型、碳链骨架或环结构、结晶度等的测定。对于含有无机物填料的高聚物，可以不经分离而直接测定。11.4.1.3 生物大分子的研究 激光Raman 光谱是研究生物大分子的有效手段。可以在接近自然状态的极稀浓度下来研究生物分

12、子的组成、构象和分子间的相互作用。对于眼球晶体、皮肤及癌组织等生物组织切片，可以不经处理而直接进行测定。11.4.1 定性分析第17 页，本讲稿共20 页 由于Raman 信号弱，仪器价格较贵，激光Raman 光谱法在定量分析中不占太大优势，直到共振Raman 光谱法和表面增强Raman 光谱法出现。与荧光光谱类似，Raman 散射光强度与活性成分的浓度成正比。据此，可利用Raman 光谱进行定量分析。11.4.2 定量分析第18 页，本讲稿共20 页 11.4.3.1 共振Raman 光谱 当入射激光波长与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，Raman 跃迁的概率大大增加，使这一分子的某个

13、或几个特征Raman 谱带强度可达到正常Raman 谱带的104106倍，这种现象称为共振Raman（Resonance Raman）效应。基于共振Raman 效应建立的Raman 光谱法称共振Raman 光谱法。共振Raman 光谱有利于低浓度和微量样品的检测，最低检出浓度约为10-610-8 mol L-1。11.4.3 其他Raman光谱法第19 页，本讲稿共20 页 11.4.3.2 表面增强Raman 光谱 将试样吸附在金、银、铜等金属的粗糙表面或胶粒上可大大增强其Raman 光谱信号，基于这种具有表面选择性的增强效应而建立的方法为表面增强Raman 光谱法。该法可使某些Raman 线的增强因子达104108。由于表面增强Raman 光谱法灵敏度高，它已成为表面科学、催化、电化学等领域的重要研究手段。其定量分析检出限可达纳克或亚纳克级。若它与电化学方法联用，可以研究许多生物物质，如氧合血红蛋白、肌红蛋白、腺苷、多肽、核酸等。将表面增强Raman 光谱和共振Raman 光谱技术联用时，其检出限可达10-910-12 mol L-1。11.4.3 其他Raman光谱法第20 页，本讲稿共20 页