红外光谱和拉曼光谱

1、关于红外光谱与拉曼光谱第一张，PPT共九十页，创作于2022年6月你知道什么有机物名称及分子式？（请六人一组，写出尽可能多的有机物名字和分子式）第二张，PPT共九十页，创作于2022年6月目前人类已知的有机物达 8000 多万种烷烃，烯烃，炔烃，环烷烃，芳香烃，杂环化合物，醇，芳香醇，酚，醚，醛，羧酸，羧酸衍生物（酰卤，酰胺，酸酐），酯，胺，腈，氨基酸，肽，蛋白质，糖类第三张，PPT共九十页，创作于2022年6月C的不同形态?第四张，PPT共九十页，创作于2022年6月思考1：不同分子，不同形态本质的不同？电子数目？元素种类？原子与原子之间链接方式？思考2：红外光谱和Raman光谱的基本原理？

2、画图解释第五张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.1 红外光谱的基本原理 1800年，英国天文学家赫歇尔首次发现红外光 来源于分子振动能级间的跃迁 振-转光谱：振动能级间的跃迁通常会伴随转动能级 红外光谱已经成为物质鉴别、化合物结构分析的主要手段第六张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.1.1 红外光谱概述聚苯乙烯薄膜的红外吸收光谱 第七张，PPT共九十页，创作于2022年6月红外光谱波段的划分THz的频率、波长、波数？与物质的什么运动相关？第八张，PPT共九十页，创作于2022年6月Teraherz spectrum1THz: 4 meV, 0.1-10 THz，远红外和微波之间

3、半导体激子束缚能，光学声子，超导能隙，磁场作用下Landau能级间隔，生物大分子振动能级，凝聚态和液体中载流子的响应第九张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.1.2 振动频率(1)分子振动能级 (2)振动选律：相邻振动能级之间的跃迁是允许的 (3)振动基频(4)非简谐振动下，能级跃迁可以为 即倍频或合频也是允许的键力常数，与原子间的作用力大小相关第十张，PPT共九十页，创作于2022年6月n=0时，振动能？双原子分子振动能级的能量是量子化的，双原子分子振动在 n = 0 时能量最低，即在绝对零度 时，振动能量为 1/2h，该能量也被称为零点能。零点能的存在表明即使在绝对零度的条件下， 分

4、子还是不断地进行振动。当入射红外线的能量与振动能级差相同 时， 分子吸收红外线跃迁到高能级第十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.1.3 分子振动方式 振动频率大小 弯曲振动 伸缩振动键BA第十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.1.3 分子振动方式(Cont.)N个原子的分子，分子振动模式数？第十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.1.4 振动选律（红外活性） 引起电偶极距发生变化的振动才能产生红外吸收 何谓电偶极距？空间中的两个电荷分子中电荷分布不均匀分子键中 振动引起电偶极距的变化第十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.1.5 红外吸收强度 根据摩

5、尔吸光系数划分 相比紫外-可见吸收强度要小很多 吸收强度与偶极矩变化幅度相关，偶极矩变化越大，吸收强度越大第十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.2 红外光谱与分子结构6.2.1 功能团的红外特征吸收频率功能团区 40001300 cm-1含氢官能团，双键或三键官能团指纹区 1300600 cm-1不含氢单键，弯曲振动第十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月（1）X-H（X为C, N, O, S等）伸缩振动区 40002500 cm-1 OH 36002500 cm-1 游离羟基，3600 cm-1附近，中等强度尖峰，氢键低波数，宽且强 羧酸羟基，3600 cm-12500 c

6、m-1，宽而强的峰 水分子OH键，3300 cm-1附近 CH 3000 cm-1附近 饱和CH（环除外）3000 cm-1，三键的CH峰在约3300 cm-1处，双键和苯环的CH峰在31003010 cm-1 甲基CH3，特征吸收峰2962 cm-1和2872 cm-1 亚甲基CH2，2926 cm-1和2853 cm-1 NH 35003300 cm-1 中等强度的尖峰 伯氨基(2个NH键)，2个吸收峰；仲氨基，1个吸收峰；叔氨基，无第十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月（2）三键和累积双键伸缩振动区 25002000 cm-1 CC，22802100 cm-1，强度较弱 CN，2

7、260 2240 cm-1，强度中等 累积双键有丙二烯类（-C=C=C-）、烯酮类（-C=C=O）、异氰酸脂类（-N=C=O）等 二氧化碳（O=C=O），2350 cm-1附近，弱吸收带 一些XH伸缩振动，当X的原子质量较大时，比如：B、P、Si等，也会出现在该区第十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月（3）双键伸缩振动区 20001500 cm-1 羰基C=O伸缩振动，17601690 cm-1，强吸收峰 芳香族化合物的C=C伸缩振动（环的骨架振动），16001585 cm-1和15001400 cm-1 烯烃化合物C=C伸缩振动，16671640 cm-1，中等强度或弱吸收峰（4）C

8、H弯曲振动区 15001300 cm-1 甲基CH3，1375 cm-1和1450 cm-1，后者一般会与亚甲基CH2的剪式弯曲振动峰（1465 cm-1）重合在一起 连在同一个碳原子上的多个甲基 异丙基(CH3)2CH-，13851380 cm-1和13701365 cm-1，强度相当的峰 叔丁基(CH3)3C-，13951385 cm-1和1370 cm-1，后者强度大于前者第十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月（5）单键伸缩振动区 1300910 cm-1 C-O单键伸缩振动，13001050 cm-1 醇、酚、醚、羧酸、酯等，强吸收峰 醇，11001050 cm-1 酚，125

9、01100 cm-1 酯，12401160 cm-1和11601050 cm-1 C-C和C-X（卤素）伸缩振动也在该区有峰。第二十张，PPT共九十页，创作于2022年6月（6）910 cm-1 苯环面外弯曲振动，强吸收峰，可判断有无芳香族化合物第二十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月（6）910 cm-1 （Cont.） 亚甲基（CH2）的面内摇摆振动，780720 cm-1 4个以上的亚甲基连成直线，吸收在722 cm-1，随着相连的甲基数目减少，吸收峰会向高波数移动，以此可以推测分子链的长短 烯烃CH面外弯曲振动， 第二十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.2.2 影响

10、振动吸收频率的因素（1）质量效应第二十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月（2）诱导效应 电效应之一，基团相互作用 电子云密度 键力常数 给电子诱导（烷基）和吸电子诱导（卤素）（3）共轭效应 双键之间以1个单键间隔，使键力常数减小，频率降低，但强度增加第二十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月（4）空间效应 空间阻碍，基团破坏共面性，降低共轭效果，向高波数移动 环张力，随环减小而增大，削弱环内键的作用，移向低波数 增强环外键的作用，移向高波数第二十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月（5）氢键作用 假设形成氢键XH-Y（H与Y之间为氢键作用），那么原先位于高波数的尖锐的X-H

11、伸缩振动峰，会移向低波数，并且峰会变宽变强气体正己酸液体正己酸C=O 17601700H-O 32002500宽且强第二十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月（6）耦合效应 两个频率相近的基团相邻并共用一个原子连接时会发生耦合效应，会产生两个吸收峰，分别高于和低于单个基团相连时的振动频率 N=O伸缩振动 1530和1360 cm-1第二十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月（7）费米共振 当某一振动的倍频出现在同一对称类型的另一振动基频附近，会发生振动的强耦合，导致出现高于和低于未混合的倍频和基频的两个频率，并且倍频的强度会显著增加 -CHO基团CH伸缩振动基频28302695 c

12、m-1CH弯曲振动倍频在2780 cm-1费米共振形成2820和2720 cm-1两个吸收峰，而且倍频峰的强度显著提高 第二十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月（8）外部因素 态效应 气态，分子间相互作用小，低压下可以获得光谱的精细结构，如转动能级，增大气压，碰撞作用导致吸收谱带变宽，损失部分精细结构 液态，分子间相互作用大，红外光谱中将不会出现转动结构，而且液态时如果发生氢键作用，会导致吸收峰的频率、数目和强度发生重大变化 溶剂 溶剂与样品发生缔合作用，影响样品分子化学键的力常数 样品分子含极性基团时，极性溶剂就会严重影响红外吸收频率 第二十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月

13、6.3 红外光谱的测量6.3.1 红外光谱仪的基本组成（1）红外光源 能斯脱灯，1015 m，价格便宜，不需专门的预热装置，可提供的短波红外辐射，但是需水冷，易折断 珀金-埃尔默光源（改良的能斯托灯），具有更好机械性能和光谱性能，它不易折断，能够提供225 m范围的红外辐射第三十张，PPT共九十页，创作于2022年6月（2）样品池 要求在红外波段透明第三十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月（3）探测器 热探测器，热电偶、高莱池、热（释）电探测器等 热（释）电探测器，硫酸三甘氨酸脂TGS，响应速度很快，多用于红外傅里叶变换光谱仪 光导型光电探测器，Hg-Cd-Te（MCT）、PbS、In

14、Sb MCT，中红外及远红外，使用时需用液氮冷却至约77 K以降低噪声，灵敏度比TGS高，在红外傅里叶变换光谱仪中也使用较多 PbS，近红外，室温下即可第三十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.3.2 红外光谱仪（1）色散型光谱仪第三十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月（2）傅立叶变换光谱仪第三十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.3.3 样品制备（1）气体样品红外透明材料2.5-10 cm第三十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月（2）液体样品 不易挥发、无毒且具有一定粘度的液体，直接涂于NaCl或KBr晶片上进行红外光谱测量 易挥发液体，需使用专用液体样品

15、池0.05-1 mm，由它调节光程第三十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月（3）固体样品 压片法固体样品固体分散介质KBr, NaCl1:100200混合研细压片测光谱易潮解，会受游离OH键吸收峰影响，利用参比减小干扰 糊状法，样品粉末与糊剂（重烃油或六氯丁二烯）研磨成糊状，用组合窗片组装后测量。 重烃油，长链烷烃，30002850 cm-1的CH伸缩振动、1456 cm-1和1379 cm-1的CH变形振动以及720 cm-1的CH2平面摇摆振动 六氯丁二烯，1700600 cm-1有多个吸收峰第三十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月（3）固体样品（Cont.） 薄膜法，一般

16、用于聚合物（很难研磨成细粉）聚合物溶解于易挥发有机溶剂滴于红外窗片上薄膜溶剂挥发 溶液法，将固体溶于溶剂，再按液体方式测量光谱第三十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月（4）特殊红外光谱测量法第三十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.4 红外光谱解析6.4.1 红外光谱的特征要素 吸收峰的位置、强度和形状，不仅要关注峰位，也要关注峰的强度和形状 (1) C=O，最强或次强峰，如果17601690 cm-1有弱吸收峰，说明样品不含羰基，只是样品中含有少量羰基化合物 (2) 只有当官能团在各个区的特征吸收频率均存在时，才能判断某个官能团是否存在缔合-OH缔合-NH2C-H 峰较宽峰

17、有分叉峰较尖锐第四十张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.4.2 红外光谱解析的一般步骤在获得分子式后，红外光谱解析可按如下步骤进行，(1) 计算不饱和度n 四价元素数t 三价元素数m 一价元素数第四十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.4.2 红外光谱解析的一般步骤（Cont.）(2) 确定碳链骨架，由高波数到低波数区，CH伸缩振动不饱和碳碳伸缩振动CH面外弯曲振动 低于高于3000 cm-1附近CH伸缩振动饱和烃烯烃炔烃芳香25001500 cm-1不饱和CC伸缩22802100 cm-1炔烃16671640 cm-1烯烃16001585 cm-115001400 cm-1

18、芳香族化合物斯托克斯线反斯托克斯线 激发光波长越短灵敏度越高(3) 斯托克斯线与反斯托克斯线对称分布(4) 拉曼位移，相对于入射光频率的频移与分子振动能级相关第五十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月四氯化碳的拉曼光谱第五十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月ANTI-STOKES0 - RayleighSTOKES0 + 0在每条原始入射谱线（频率0 ）两旁都伴有频率差相等的散射谱线在长波一侧的（频率为0 j ）称为红伴线或斯托克斯线在短波一侧的（频率为0 j ）称为紫伴线或反斯托克斯线第五十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.5.2 拉曼活性 引起分子极化率变化的能级

19、跃迁才是允许的！ 极化：让正、负电荷分开的过程 在分子中，分子是具有电荷分布的粒子，分子形状变化时，正、负电荷间距也会随之改变，因此分子极化率实际上也反映了分子变形的大小 双原子分子，当两个原子间距最大时极化率最大，间距最小时极化率最小。-极化第五十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月拉曼活性与红外活性比较第五十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月拉曼光谱与红外光谱的互补性1,3,5-三甲苯 茚 第五十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.5.3 拉曼光谱与红外光谱的比较（1）物理机理不同，电偶极矩变化，极化率变化（2）光源不同，红外光谱的入射光和检测光均为红外光，而拉曼光

20、谱的入射光和散射光可以都是可见光（便于探测）（3）光谱坐标不同，吸收度和散射光强，波数和拉曼位移（4）峰的特征不同，拉曼光谱峰陡且分辨率高，红外光谱峰重叠严重（5）水的影响，水的拉曼光谱很简单，其红外光谱吸收峰则很多（6）灵敏度，拉曼光谱灵敏度更高，消耗样品更少（7）其它，利用斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比测量温度，空间分辨率高（激光准直性好）（8）拉曼光谱的缺陷，损坏样品（激光光强大），荧光信号的干扰（？）第六十张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.5.4 拉曼光谱的测量 信号探测方向与入射光传播方向垂直 激发光波长选择：减小荧光？减小吸收？波长尽量短？第六十一张，PPT共九十页，创

21、作于2022年6月6.5.4 拉曼光谱的测量(Cont.) 退偏度测量，分子对称性越高，退偏比越小第六十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.5.5 拉曼光谱增强 表面增强拉曼光谱技术（SERS） 将分子吸附在极微小金属颗粒表面或其附近，这样测得的拉曼光强要比常规方法高103106倍，银、金或铜 基本原理：SERS效应主要由金属表面基质受激而使局部电磁场增强所引起，与光波长对应的金属表面粗糙度大小，与波长相关的金属电介质作用程度 影响SERS效应的因素：带孤对电子或电子云的分子呈现的SERS 效应最强，芳氮或含氧化合物（如芳胺和酚）也具有强的SERS效应，电负性功能团（如羧酸）也能观察

22、SERS效应第六十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月Shell-isolated nanoparticle-enhanced RamanspectroscopyJ. F. Li et al., Nature 464, 392 (2010)The working principles of SHINERS compared to other modes第六十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月Detection of hydrogen adsorption on single-crystal flat surfaces of Pt and Si by SHINERS第六十五张，PP

23、T共九十页，创作于2022年6月In situ probing of biological structures by SHINERS第六十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月In situ inspection of pesticide residues on food/fruit第六十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.5.5 拉曼光谱增强 共振拉曼光谱 虚态不是分子实际的本征态，这样使得吸收和散射的概率都很小 基本思路，选择激发光源频率，使分子吸收该频率光子后能跃迁到电子激发态，使原来的虚态变成本征态，提高拉曼散射几率 共振拉曼光谱技术要求光源频率可调谐，以方便本征态的选

24、择和激发 如果样品本身具有荧光效应，共振拉曼光谱会受荧光影响较大 第六十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.5.5 拉曼光谱增强 非线性拉曼光谱 激光光强增加到一定程度时，拉曼散射光强与入射光强存在非线性关系 受激拉曼效应，超拉曼效应 非线性拉曼光谱具有信噪比高、灵敏度高、光谱分辨率高、空间分辨能力强等优点，而且可用于研究高阶极化率第六十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月6.5.6 拉曼光谱的应用 有机化合物 同种分子的非极性键，如S-S, C=C, N=N, CC等，会产生强拉曼谱带，并且强度随单键双键叁键依次增加 CN, C=S, S-H的伸缩振动，产生的红外吸收谱带一般

25、较弱，而在拉曼光谱中则是强谱带 环状化合物的对称呼吸振动（即C-C键的全对称伸缩振动）往往是强拉曼谱带 在拉曼光谱中，X=Y=Z, C=N=C, O=C=O这类键的对称伸缩振动是强谱带，反对称伸缩振动是弱谱带，而红外光谱与此相反 C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带 醇OH键的拉曼谱带较弱，它的拉曼光谱与烷烃的相似第七十张，PPT共九十页，创作于2022年6月 无机化合物 各种矿化物如碳酸盐、磷酸盐、呻酸盐、饥酸盐、硫酸盐、锢酸盐、鸽酸盐、氧化物和硫化物等的分析 高岭土、多水离岭土及陶土等（红外光谱难以鉴定） 过渡金属配合物、生物无机化合物以及稀土类化合物等 测定硫酸、硝酸等强酸的解离常数等 其

26、它方面 高聚物的硫化、风化、降解、结晶度和取向性等 在生物体系研究方面，拉曼光谱可直接对生物环境中（水溶液体系、pH接近中性等）的酶、蛋白质、核酸等具有生物活性物质的结构进行研究 利用拉曼光谱技术研究各种疾病和药物的作用机理第七十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月拉曼光谱在司法文书鉴定方面的应用 不同品牌圆珠笔墨迹的拉曼光谱第七十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月例1.鉴别同一成分C但晶体结构不同的材材料I. 化学分子或材料鉴别应用举例第七十三张，PPT共九十页，创作于2022年6月I. 化学分子或材料鉴别M. S. Dresselhaus et al., Nano Lett.

27、 10, 751 (2010)第七十四张，PPT共九十页，创作于2022年6月下面大家欢迎熊雯同学讲Raman光谱在石墨烯研究中的应用！第七十五张，PPT共九十页，创作于2022年6月 实际案例1:不同年份红色印章印迹的拉曼光谱图(a)2006年 （b)2005年 (c)2004年 (d)2003年(e)检材上的公章印迹 2002年第七十六张，PPT共九十页，创作于2022年6月 实际案例2: 蓝黑墨水病历记录的拉曼光谱图 (a)3月6日 (b)3月7日 (c)3月8日（检材）(d)3月9日第七十七张，PPT共九十页，创作于2022年6月例. 由拉曼光谱获得DNA结构II . 晶体结构测定和鉴

28、别第七十八张，PPT共九十页，创作于2022年6月III. 相结构判别和相变研究例1. 硅的晶体（长程有序）/非晶（长程无序）70cm-1480cm-14cm-1520cm-1第七十九张，PPT共九十页，创作于2022年6月例 2 Ni/Zr/Ni和Ni/Co/Ni 合金膜耐高温性质 镍的硅化物是下一代CMOS器件的重要材料，但是在高温时，转变为电阻较高的NiSi2 材料结构 转变温度缺点 NiSi 600C 不耐高温 Ni/Pt/Ni， 800C Pt贵金属 Ni/Zr/Ni ？ Ni/Co/Ni ？Ni/Zr/Ni/Si/650 Ni/Zr/Ni/Si/800Ni/Zr/Ni/Si/850

29、Ni/Co/Ni/Si/650Ni/Co/Ni/Si/800NiSi2 800C 650C -J. Raman Spectrosc. 2006; 37: 951953第八十张，PPT共九十页，创作于2022年6月IV. 参数测量和物性研究 例1. 拉曼成像技术测量集成电路CoSi电极微米尺度的应力分布-Semicond. Sci. Technol. 13, 634(1998). 第八十一张，PPT共九十页，创作于2022年6月 关于Raman光谱的深入讨论第八十二张，PPT共九十页，创作于2022年6月问题Raman散射实验中泵浦光的频率能否小于分子振动频率？答：可以，这与激光冷却相关第八十三

30、张，PPT共九十页，创作于2022年6月Why cold atoms? 物理学是研究物质的基本结构与其运动规律及其相互作用的自然科学.要开展研究,就要把研究对象拿在 手,进行仔细地观察和测量 ideals 在微观尺度上操纵原子分子使原子、分子的运动速度降至极小,使它们保持相对独立,很少相互作用,长久以来是物理学家的一个梦想. 根据分子运动理论,在常温下,所有原子分子都在高速运动着.以空气中的氢分子为例,室温下均以1100m/s的速率运动,即使降温到3K,它们仍在以110 m/s的速率运动,这样高速的粒子如过眼烟云,很难观察,对其测量也必然带来严重误差. 在降温时,一般情况下原子气会凝结成液体和固体,这时原子间有强烈的相互作用,其结构和基本性能都将发生显著变化. 激光冷却与捕陷原子技术的发明使这一难题基