第四章拉曼光谱及圆二色谱

1、高分子科学系周平1第四章第四章 拉曼光谱及圆二拉曼光谱及圆二色谱色谱高分子科学系周平2一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理高分子科学系周平3一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理拉拉高分子科学系周平4一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理 1、拉曼光谱的产生、拉曼光谱的产生 当频率为 0的单色光入射到样品上，大部分光将透过样品，有一少部分会被散射。而其中部分散射光的频率出现在 0 这种散射光频率相对入射光频率发生变化的现象称拉曼（Raman）散射。 该变化的频率频率与分子的振动和转动能级的跃迁与分子的振动和转动能级的跃迁有关有关。因此拉曼光谱像红外光谱一样成为研究分子结构的另一种有效方

2、法。高分子科学系周平5一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理高分子科学系周平6一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理高频低频高分子科学系周平7一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理 2、拉曼散射的特点、拉曼散射的特点 拉曼散射线的频率位移与入射的激发光频率 0 无关，只与散射分子本身的结构有关。因此，可以用可见光作激发光源，获得在红外区的分子振动与转动光谱； 拉曼散射光很弱，仅为入射光强的10-6。并要求样品体积足够大、无色、无尘埃、无荧光； 使用的入射光源为强度高，方向性强的激光。0高分子科学系周平8一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理 3、拉曼散射条件、拉曼散射条件 处于辐射场的

3、分子，其偶极矩 P 与辐射场强度 E 的关系满足：P E 为分子极化率张量，是分子振动所引起的核坐标 变化的函数。00)()( 只有当极化率倒数（/)0 0时，振动方有拉曼活性； 只有当偶极矩倒数（P/)0 0时，振动方有红外活性。高分子科学系周平9一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理 4、红外活性、拉曼活性比较、红外活性、拉曼活性比较 双原子分子： 同核A-A 异核A-B是是非非红外活性红外活性偶极矩随简正坐偶极矩随简正坐标的变化标的变化(示意图示意图)00极化率导数极化率导数振动模式振动模式0=0偶极矩导数偶极矩导数是是是是拉曼活性拉曼活性极化率随简正坐极化率随简正坐标的变化标的变化(

4、示意图示意图)分子分子AABAAABA对称伸缩反对称伸缩高分子科学系周平10一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理 4、红外活性、拉曼活性比较、红外活性、拉曼活性比较 线性多原子分子A-B-A：分子分子振动模式振动模式极化率随简极化率随简正坐标的变正坐标的变化化(示意图示意图)极化率导数极化率导数000拉曼活性拉曼活性是是非非非非偶极矩随简偶极矩随简正坐标的变正坐标的变化化(示意图示意图)偶极矩导数偶极矩导数=000红外活性红外活性非非是是是是AABAABAABAAB对称伸缩反对称伸缩弯曲振动高分子科学系周平11一、拉曼光谱基本理论一、拉曼光谱基本理论 4、红外活性、拉曼活性比较、红外活性、

5、拉曼活性比较 非线性多原子分子：A-B-A分子分子振动模式振动模式极化率随简极化率随简正坐标的变正坐标的变化化(示意图示意图)极化率导数极化率导数000拉曼活性拉曼活性是是是是是是偶极矩随简偶极矩随简正坐标的变正坐标的变化化(示意图示意图)偶极矩导数偶极矩导数000红外活性红外活性是是是是是是BAABAABAABAA对称伸缩弯曲振动非对称伸缩高分子科学系周平12一、拉曼光谱基本原理一、拉曼光谱基本原理 4、红外活性、拉曼活性比较、红外活性、拉曼活性比较 红外光谱与拉曼光谱相互补充和支持 例：CO2：3N54 有四个简正振动模式O=C=O拉曼拉曼红外红外1活性活性非活性非活性2非活性非活性活性活

6、性3非活性非活性活性活性4BAABAABAABAA对称伸缩反对称伸缩面内弯曲面外弯曲高分子科学系周平13一、拉曼光谱基本理论一、拉曼光谱基本理论 例：SO2：非线型分子3N63 有三个简正振动模式红外红外拉曼拉曼1活性活性活性活性2活性活性活性活性3活性活性活性活性SOO对称伸缩振动弯曲振动非对称伸缩振动高分子科学系周平145、 拉曼光谱的特征谱带及强度拉曼光谱的特征谱带及强度 在拉曼光谱中，官能团谱带的频率与其在红外光谱中出现的频率基本一致。不同的是两者选律不同，所以在红外光谱中甚至不出现的振动在拉曼光谱可能是强谱带。 1）相互排斥规则：凡有对称中心的分子，若红外是活性，则拉曼是非活性的；反

7、之，若红外为非活性，则拉曼是活性的。如O2只有一个对称伸缩振动，它在红外中很弱或不可见，而在拉曼中较强。 2）相互允许规则：一般来说，没有对称中心的分子，其红外和拉曼光谱可以都是活性的。例如水的三个振动as、s和皆是红外和拉曼活性的。 高分子科学系周平153）相互禁阻规则：有少数分子的振动在红外和拉曼中都是非活性的。 如乙烯的扭曲振动既无偶极矩变化，也无极化率变化，故在红外及拉曼中皆为非活性。CCHHHH高分子科学系周平16 (2) 在红外光谱中CN、C=S、SH的伸缩振动谱带强度可变或较弱，而在拉曼光谱中为强谱带。C-O-O-C的对称伸缩在880cm-1也是强谱带。(6) 醇和烷烃的拉曼光谱

8、相似。因为OH的拉曼谱带弱，而C-O和C-C键力常数及键强度无很大差别，羟基与甲基质量仅仅相差2个质量单位。(5) c-c在拉曼中强。(4) X=Y=Z、C=N=C和O=C=O-的对称伸缩在拉曼中为强谱带，在红外中弱；相反，反对称伸缩在拉曼中弱，在红外中强。(3) 环状化合物骨架的对称呼吸振动常是最强的拉曼谱带。6、拉曼光谱的一些基本特征：、拉曼光谱的一些基本特征：(1) 对称取代的S-S 、C=C 、N=N 、CC振动产生强拉曼谱带，由单键、双键到三键，因可变形的电子逐渐增加，故谱带也增强。高分子科学系周平177、拉曼光谱的特点、拉曼光谱的特点 (a)拉曼光谱的常规扫描范围为4000-40c

9、m-1。 (b)固体粉末样品、高聚物、纤维、单晶、溶液等各种样品皆可以做拉曼光谱。 (c)水在水在2000 1000 cm-1的拉曼光谱很弱，所以水在此波的拉曼光谱很弱，所以水在此波数范围是优良的溶剂。数范围是优良的溶剂。 (d)固体粉末样品可直接进行测定，不必制样。但注意样品勿被高强度激光束烧焦。 (e) 由于荧光为辐射光，所以有荧光的物质难以进行测定 二、拉曼光谱的应用二、拉曼光谱的应用(f)红外光谱和拉曼光谱皆反映了分子振动的变化，红外光谱适用于分子中基团的测定，拉曼光谱更适用于分子骨架的测定。高分子科学系周平18二、拉曼光谱的应用二、拉曼光谱的应用 拉曼光谱有广泛的应用，遍及化学、物理

10、学、生物学、材料科学、医学等领域。与红外光谱相结合，用以判断物质的结构、对称性、取向性。 重要的是重要的是，由于水分子在酰胺键区域拉曼散射较低，使之成为研究水溶液体系的有力工具。特别对于生物体系的研究，避免避免了大量水峰的干扰。了大量水峰的干扰。高分子科学系周平19二、拉曼光谱的应用二、拉曼光谱的应用纯水的拉曼光谱H2O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Absorbance 50 0 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 35 00 40 00 W aven umb ers (cm-1)KBr固体盐片中水的红外光谱H2O高分子

11、科学系周平20二、拉曼光谱的应用二、拉曼光谱的应用 1、在有机化学中的应用、在有机化学中的应用 由于在拉曼光谱和红外光谱中，官能团的振动在两种光谱中具有不同的活性和强度。因此综合两种光谱的结果，可以明确化合物的结构。高分子科学系周平211、在有机化学中的应用、在有机化学中的应用 红外活性对应着分子振动时偶极矩的变化，拉曼活性对应着分子振动时极化度的变化。 高度对称的振动是拉曼活性的，一些非极性基团和碳骨架的对称振动有强的拉曼谱带。 高度非对称的振动是红外活性的，一些强极性基团的不对称振动有强的红外谱带 。 红外光谱和拉曼光谱可以互相补充。高分子科学系周平22 1、在有机化学中的应用、在有机化学

12、中的应用振动振动波数波数cm-1拉曼拉曼红外红外(O-H)36503000ws(N-H)35003300mm(CN)22552220m-ss-0(CC)22502100vsw-0(C=O)18201680s-wvs(C=C)19001500vs-m0-w(N-N),脂肪族取代基15801550m0(N-N),芳香族取代基14401410m0(C-S)12501000sw(C-Cl)800330sss: strong; m: medial; w: weak; v: very.高分子科学系周平23二、拉曼光谱的应用二、拉曼光谱的应用 2、在生物学中的应用、在生物学中的应用 用于测定蛋白质的二级结构

13、与蛋白质侧链情况。蛋白质不同的二级结构，如螺旋态、-折叠态、 -转角态等，均使肽键振动模式中酰胺I、II和III具有不同的拉曼特征频率。高分子科学系周平24二、拉曼光谱的应用二、拉曼光谱的应用 2、在生物学中的应用、在生物学中的应用 肽链的三种振动形式：N-H面内弯曲面内弯曲 + C-N扭转振动扭转振动15001600 cm-1C-N扭转振动扭转振动 + N-H面内弯曲，面内弯曲，12001400 cm-116001700 cm-1 高分子科学系周平25二、拉曼光谱的应用二、拉曼光谱的应用 2、在生物学中的应用、在生物学中的应用 蛋白质二级结构与振动频率高分子科学系周平26二、拉曼光谱的应用二

14、、拉曼光谱的应用 2、在生物学中的应用、在生物学中的应用 下图为丝素蛋白在pH5.2时的拉曼光谱。右图为酰胺 I 区的振动频率，表明蛋白质主要为-折叠构象。18001600140012001000800wavenumber (cm-1)180017501700165016001550wavenumber (cm-1)1667高分子科学系周平27二、拉曼光谱的应用二、拉曼光谱的应用 2、在生、在生物学中物学中的应用的应用螺旋结构折叠结构高分子科学系周平28 1332 1580 20000150001000050000100012001400160018002000Wavenumber (cm-1

15、) . 1313 1499 2000015000100005000010001200140016001800Wavenumber (cm-1)DLC - “Diamond-like Carbon”a tribological coating1400012000100008000600040002000100012001400160018002000Wavenumber (cm-1)Relative intensities - degree of disorder in graphite structureG band D band 3、在无机化学上的应用、在无机化学上的应用高分子科学系周平29

16、 1332 1580 20000150001000050000100012001400160018002000Wavenumber (cm-1) . 1313 1499 2000015000100005000010001200140016001800Wavenumber (cm-1)DLC - “Diamond-like Carbon”a tribological coating1400012000100008000600040002000100012001400160018002000Wavenumber (cm-1)Relative intensities - degree of diso

17、rder in graphite structureG band D band 3、在无机化学上的应用、在无机化学上的应用高分子科学系周平30三、拉曼光谱谱仪及测试三、拉曼光谱谱仪及测试 1、激光拉曼光谱仪组成、激光拉曼光谱仪组成样品高分子科学系周平31三、拉曼光谱谱仪及测试三、拉曼光谱谱仪及测试 1、激光拉曼光谱仪组成、激光拉曼光谱仪组成高分子科学系周平32三、拉曼光谱谱仪及测试三、拉曼光谱谱仪及测试 1、激光拉曼光谱仪组成、激光拉曼光谱仪组成 光源光源：由具有良好单色性的激光器产生。根据不同的波长要求选择气体（Ar, Kr, He-Ne等离子，457799 nm）、染料（罗丹明系列，尼罗蓝

18、高氯酸盐等，590800 nm）激光器。高分子科学系周平33三、拉曼光谱谱仪及测试三、拉曼光谱谱仪及测试 1、激光拉曼光谱仪组成、激光拉曼光谱仪组成 检测和记录系统检测和记录系统 在可见区，检测器为光电倍增管或阵列探测器(CCD)。近红外区用红外探测器。Raman Microscopes高分子科学系周平34三、拉曼光谱谱仪及测试三、拉曼光谱谱仪及测试 1、激光拉曼光谱仪组成、激光拉曼光谱仪组成 控制及数据处理系统控制及数据处理系统 用计算机控制单色器并用专用软件处理数据。当检测器是阵列探测器，则在入射焦平面上不需要逐点扫描即可一次测量一定范围内的拉曼图谱。高分子科学系周平35三、拉曼光谱谱仪及

19、测试三、拉曼光谱谱仪及测试 2、拉曼光谱的测量要求、拉曼光谱的测量要求 由于拉曼散射光强度很低，所以要求激发光源单色性好，强度高。分光部分分辨率高，杂散光低。检测器灵敏度高，暗电流低。测量时要求环境温度恒定等。 3、样品、样品 适于气体、液体、固体样品的测试，而且对样品无损伤。高分子科学系周平36四、拉曼光谱谱仪进展四、拉曼光谱谱仪进展 由于普通拉曼散射是光子的非弹性散射，一般仅1/1010的光子方可产生非弹性散射。所以拉曼光谱的信噪拉曼光谱的信噪比常常较低比常常较低。如图所示蚕丝在不同拉伸条件下的拉曼光谱。由A至D谱，拉伸率增加，逐渐向折叠结构转变。高分子科学系周平37四、拉曼光谱谱仪进展四

20、、拉曼光谱谱仪进展 用具有阵列探测器测量的随拉伸作用变化的丝纤维拉曼光谱图信噪比明显提高高分子科学系周平38四、拉曼光谱谱仪进展四、拉曼光谱谱仪进展 表面增强拉曼光谱表面增强拉曼光谱 (surface enhanced Raman scattering, SERS) 研究发现，许多分子在电极表面、胶体上、真空沉积固体界面上均有表面增强拉曼散射现象（强度增加105 106倍）。使吸附分子产生表面增强拉曼散射的金属有Ag, Au, Cu, Li, Na, K, In, Al, Pt, Rh, Ni, Ti, Hg, Cd, Pd等，化合物有TiO2, NiO等。高分子科学系周平39四、拉曼光谱谱仪

21、进展四、拉曼光谱谱仪进展 表面增强拉曼光谱表面增强拉曼光谱 例如腺嘌呤在银电极表面的吸附。因为其中的N原子是很好的电子给予体，在Ag电极表面有强的吸附，所以有较强的拉曼增强效应。高分子科学系周平40四、拉曼光谱谱仪进展四、拉曼光谱谱仪进展 表面增强拉曼光谱表面增强拉曼光谱 腺嘌呤的拉曼频率和归属高分子科学系周平41红外光谱与拉曼光谱比较红外光谱与拉曼光谱比较周平42五、圆二色谱五、圆二色谱 1、基本原理、基本原理 当一束具有所有方向振动平面的单色光通过一个平面偏振器（也称线偏振器）后，只有与这一偏振平行的光通过偏振器，其余光都被阻挡了。这束通过的光就称平面偏振光（也称线偏振光） 。如果该平面偏

22、振光再通过一个圆偏振器，即产生圆偏振光（类自然光，但有旋转方向）。圆偏振光有左旋和右旋之分。顺时针方向前进，称右旋偏振光，反之称左旋偏振光。一束平面偏振光可以看成是相同频率和振幅的左旋和右旋偏振光的叠加。五、圆二色谱五、圆二色谱1、基本原理、基本原理五、圆二色谱五、圆二色谱1、基本原理、基本原理周平45五、圆二色谱五、圆二色谱 1、基本原理、基本原理 当一束平面偏振光通过非光学活性的介质，其偏振情况不变。但当其通过有旋光性的光学活性介质后，该平面偏振光的左旋光和右旋光在介质中的前进速度（由折射率决定）将产生不同。因此，当入射两个左、右圆偏振光于样品时，透射的两个圆偏振光叠加的平面不再与平面偏振

23、光一致，产生一个夹角 。这就是旋光。周平46周平47五、圆二色谱五、圆二色谱 1、基本原理、基本原理 当两束圆偏振光EL和ER通过光学活性介质后，由于光被吸收的折射和振幅的不同，透射两个圆偏振光变成了一个椭圆偏振光。这种现象就是圆二色性 (circular dichroism, CD)。周平48周平49五、圆二色谱五、圆二色谱 1、基本原理、基本原理 圆二色性(circular dichroism, CD) A是指左旋偏振光强度与右旋偏振光强度之差，它与左、右旋偏振光的吸光系数之差以及溶液的浓度 c (mol/L)、样品池的长度 d (cm)有关。 A = c d 摩尔圆二色值定义为： = A

24、 / c d周平50五、圆二色谱五、圆二色谱 1、基本原理、基本原理 圆二色性的大小用椭圆度 ，摩尔椭圆值 或平均残基椭圆值 mRW 来表示。 椭圆偏振光的椭圆率椭圆偏振光的椭圆率 为：为：可导出椭圆偏振光的椭圆率与圆二色吸收的关系： 周平51 1、基本原理、基本原理 实验上通常测量的是 ，理论证明 与 有下列关系： 式中C为样品摩尔浓度，l 为样品厚度（即光径）， 的单位为degmoldm-1。 五、圆二色谱五、圆二色谱周平52五、圆二色谱五、圆二色谱 2、圆二色谱的应用、圆二色谱的应用 氨基酸的 -碳原子是不对称原子，有光学活性。蛋白质的肽链也是不对称结构，也有光学活性，因此有圆二色性。通

25、过测定蛋白质溶液的圆二色性，可以研究蛋白质的二级结构以及生色团的微环境等。 蛋白质肽链在远紫外区 (185245 nm)的吸收反映了肽链的二级结构，如 -螺旋螺旋 (209及及222 nm, 两个负峰)、 -折叠折叠 (215nm 负峰)、无规卷曲无规卷曲 (190nm正峰, 205235nm负峰) 等构象等有特征吸收线形。周平53螺旋折叠无规卷曲周平54五、圆二色谱五、圆二色谱 2、圆二色谱的应用、圆二色谱的应用 在近紫外区 (240320nm)，圆二色谱的吸收峰主要是蛋白质芳香氨基酸侧链生色团所贡献。基团基团波长波长 (nm）峰形峰形S-S195200250260色氨酸色氨酸290310酪氨酸酪氨酸275 or 苯丙氨酸苯丙氨酸250260周平55五、圆二色谱五、圆二色谱 2、圆二色谱的测定、圆二色谱的测定 圆二色谱的测定在圆二色谱仪上进行。测量分远紫外和近紫外区。波长波长(nm)溶液浓度溶液浓度(mg/ml)样品池长样品池长(cm)1902400.10.12403501.01.0周平56螺旋红曲霉葡萄糖淀粉两个分子型E3和E4的圆二色谱周平57五、圆二色谱五、圆二色谱 2、圆二色谱的测定、圆二色谱的测定 圆二色光谱仪是用相同强度、相同频率的左、右旋圆偏振光