分子振动光谱红外光谱与拉曼光谱

1、1分子振动光谱-红外光谱与拉曼光谱-Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy( IR and Raman )Vibration spectroscopy2如何感知?生命的本质?运动眼睛3diatomic molecule Molecular movement4bond distanceVibrationR0R1R2nmEnergyintrinsic property5AB =21k-1 = MA-1 + MB-1:与化合物组成和结构有关ABR0R1R2键长Stretching vibration :折合质量k :化学键的键力常数601E=(n+

2、)h n=0,1,2,3, 21能量量子化 能级2振 动 激发态 =21k7Spectroscopyresonance8偶极子在光波电场矢量中的运动dipole电场时间+9分子振动的与吸收Single bond: k = 4 -6Ncm-1 Double bond: k = 8-12Ncm-1 Triple bond: k = 12-18Ncm-1 C-C, 1190cm-1C=C, 1683cm-1 CC, 2060cm-1 10短波长波11IR units: wavenumbers (cm-1)10 micron wavelength 1000 cm-11 eV 8100 cm-1 1 T

3、Hz 33 cm-1300 Kelvin 210 cm-1The Infrared Part of the EM SpectrumNear-IR: 4000 14000 cm-1Mid-IR: 500 4000 cm-1 Far-IR: 5 500 cm-1 IR covers 1 meV to 1 eV12The Science Museum, UKAround 1800, Herschel studied the spectrum of sunlight using a prism. He measured the temperature of each color, and found

4、the highest temperature was just beyond the red, what we now call the infrared. 13分子振动与红外吸收Single bond: k = 4 -6Ncm-1 C-C, 1190cm-1300 000 2 500nm30 4 000cm-1红外共振吸收14分子的能级Energy Levels与跃迁TransitiongroundstateexcitedstateInfrared01v0v1UV-absorption215多原子分子16对称伸缩3652cm-1反对称伸缩3756cm-1弯曲,1595cm-1水的红外光谱1

5、7多原子分子的运动及其自由度整个分子重心的平动 (3 freedom)整个分子绕其重心的转动 (3 freedom)每个原子相对于其它原子的运动（振动）一个点: 3自由度N个点: 3N自由度3N-6 (linear molecule)xyz分子: N个原子空间的运动：3N freedom3N-518symmetricalasymmetricalscissoringrockingwaggingtwistingstretchingbending多原子分子的振动19振动自由度 3N-6?20An Example: CO2Symmetric StretchCOOAsymmetric StretchBe

6、nding ModeIR AbsorbanceWavenumber (cm-1)13883N-5=42349667?21An Example: CO2Symmetric StretchCOOAsymmetric StretchBending ModeIR AbsorbanceWavenumber (cm-1 Dipole Moment = charge imbalance in the molecule(Has dipole moment so IR active)(Has dipole moment so IR active)(Dipole moment = 0 s

7、o not IR active)138822dipole电场时间偶极矩为零的振动没有红外吸收23基团频率多原子分子的结构特征在红外光谱中的反映C=O3N-6Or 3N-5?24基团频率4000 cm-1 1300 cm-1 1.最有分析价值的基团频率,这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区。 2.区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。 25指纹区1800 cm-1 （1300 cm-1 ） 600 cm-1在此区域内，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。

8、这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹区。指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助，而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。26影响基团频率的因素电子效应氢键振动耦合费米共振27红外光谱仪28双光束光谱仪referencesamplelight斩波器单色器检测器记录仪检测池: NaCl, KBr, CaF2, LiF生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池水的红外“窗口”: 结合重水D2O解决29红外光谱仪发展史单色器优缺点棱镜岩盐镜易吸潮,分辨率低光栅扫描速度慢Michelson分辨率高,扫描速度快,Fourier变换30Fourier Transform Infrared spectrometer

9、light半透镜固定反射镜动镜优势:可在短时间内得到频率范围内的干涉图,通过多次扫描提高信噪比. S/N n-2-1附加功能：平滑、差谱、二阶导、去卷积和曲线拟合等.31Schematic representation of waves and their phases,input,output and the two arms of the interferometer as The scan goes from zero path difference condition to OPD=. a) 0;b) /4; c) /2; d) 3/4; e)32Two wavelength sour

10、ce caseBroadband source interferogram33We can rewrite this to something more familiar:A Fourier Transform!34Sample preparation for IR1. Solution: solvent, cell, concentration2. Solid: KBr,石蜡3. Gas:弯曲,1595cm-135 吸收强度 结构因素结构的对称性越高,吸收越弱环境因素氢键 =21k36红外光谱振动光谱信息与主要参量红外光谱是红外吸收随入射光波数变化的曲线. 吸收带的位置nmax , cm-1

11、 由于消光系数对环境敏感，特征基团在不同分子中波动很大，因此红外的谱峰强度只用强strong中meso、弱weak表示。37Application38H2Oprotein紫外吸收谱红外光谱39Cefradine 头孢拉定40Melamine41武汉理工大学材料研究与测试中心42光学异构体43Application in biosystem吸收带cm-1振动模式指认酰胺A3300N-H伸缩振动酰胺B3100酰胺的一次泛频，费米共振酰胺1660C=O伸缩振动酰胺1570N-H面内弯曲振动和C-N伸缩振动酰胺1300C-N伸缩振动和N-H面内弯曲振动酰胺630O=C-N面内弯曲振动酰胺730N-H面

12、外弯曲振动酰胺600C=O面外弯曲振动酰胺带80%来自于C=O基的弱伸缩振动和C=O旁的C-N伸缩振动以及N-H平面内弯曲振动的偶合 44cm-1对应二级结构16244伸展肽链16313伸展肽链16373伸展肽链16454无规卷曲16534螺 旋16634转 角16713转 角16755伸展肽链16832转 角16892转 角16942转 角45J Pept. Res., 2002Application in biosystem46 抗氧化剂对A1-40结构的影响庾照学等,中国病理生理杂志,2000,16FT - IR spectra of A1 - 40 in PBS(pH7. 4) for

13、 30minFT - IR spectra of A1 - 40 in PBS(pH7. 4) for 7 days47FT - IR spectra of A1 - 40 in PBS(pH7. 4) for 7 daysFT- IR spectra of A1 - 40 in PBS(pH7. 4) with TA9901 for 7 days (percent ratio : A1 40 :TA9901 = 11)48衰 减 全 反 射 红 外 光 谱研究人乳腺癌组织A1635/A1652A1625/A1652A1645/A1652A1662/A1652A1682/A1652benign

14、0.980.650.640.490.17malignant0.430.230.560.370.0949Conformational transition: from alpha-helix rich to beta-sheet richPrPc PrPscScout50Image 51红外摄影52Lipids (cell walls)Nucleic acids (DNA, RNA) ProteinsEach of these major classes of cellular components have distinct IR markersInfrared spectra are obt

15、ained from individual living cells.Infrared Spectromicroscopy of Individual Living Cells53脑功能成像54Raman spectroscopy55hnhn= n Rayleigh scattering Prof. C.V. Ramann n Raman scattering56瑞利散射电子基态电子激发 态反Stokes线虚能态Stokes线IRVirtual state571). 在示意图中斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。2). 反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于Bolt