激光拉曼光谱

目录㈠、拉曼光谱的发展简史㈡、Raman光谱的基本原理㈢、Raman活性与红外活性的比较㈣、激光Raman光谱仪㈤、激光Raman光谱的应用㈥、激光Raman光谱的发展㈦、参考书目及文献第一页，共82页。拉曼光谱的发展简史NobelPrizeinPhysics1930

(C.V.Raman)1928年，印度物理学家拉曼用水银灯照射苯液体，发现了新的辐射谱线。因而他进一步在实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带，属于一种新的分子辐射，后人称之为拉曼散射。拉曼因发现这一新的分子辐射和所取得的许多光散射研究成果而获得了1930年诺贝尔物理奖。第二页，共82页。与此同时，前苏联的兰茨堡格和曼德尔斯塔也报道了在石英晶体中发现了类似的现象，即由光学声子引起的拉曼散射，称之谓“并合散射”。法国的罗卡特，卡本斯以及美国伍德都证实了拉曼的观察研究的结果。在三十年代，我国物理学家吴大猷等在国内首先开展了对原子分子拉曼光谱的研究。直到1934年，科学家普拉坎克才比较详尽地评述了拉曼效应，对振动拉曼效应进行了较系统的总结。

拉曼光谱的发展简史第三页，共82页。拉曼光谱的发展简史但原始的拉曼光谱是以汞弧灯为光源，出现的谱线极其微弱，而且只有是透明的液体样品才适合于实验，因此在极大程度上限制了它的发展。到1945年左右，这种拉曼光谱仍未引起人们的注意。20世纪50年代，拉曼光谱只是物理学上的振动光谱研究和教学上的示范。所以在30年代至60年代，拉曼散射的研究处于一个低潮时期。第四页，共82页。拉曼光谱的发展简史直到1960年激光的问世，由于激光具有单色性好、方向性强、能量密集、输出功率大等优点，可以大大提高了激发效率，故而很快将这种新型光源引入拉曼光谱作为它的激发光源，使它克服了以前的缺点，并配以高质量的单色器及高灵敏度的光电检测系统。从而使激光拉曼光谱的获得了新的起点。凡是红外光谱可测的试样，激光拉曼光谱几乎同样可测。甚至有些红外测定有困难的试样，激光拉曼光谱也都可测。据近来的报道，在高分子化合物、有机金属络合物、水溶性生化有机试剂的测定方面，激光拉曼光谱比红外光谱更胜一筹。第五页，共82页。拉曼光谱的发展简史

1962年，美国波托（）和伍德（）首次报道了运用脉冲红宝石激光器作为拉曼光谱的激发光源来开展拉曼散射的研究。从此激光拉曼散射成为众多领域在分子原子尺度上进行振动谱研究的重要工具。

第六页，共82页。Raman光谱的基本原理光的散射现象

当一束单色光通过透明介质时，大部分光透过或反射而小部分光会被样品在各个方向上散射，在透射和反射方向以外出现的光就称散射光。当介质中含有大小与光的波长差不多的微粒聚集体时，引起丁铎尔（Tyndall）散射。当散射的粒子为分子大小时，其散射光频率与入射光相同，强度与入射光波长的四次方成反比，发生瑞利（Rayleigh）散射。当单色光通过物质时，其散射的光有部分频率和能量发生变化，也就是说散射光频率与入射光频率发生了偏移，此时产生拉曼（Raman）散射。这种频率的偏移与分子的振动和转动有关，记录偏移情况，即可得到拉曼光谱。第七页，共82页。Raman光谱的基本原理

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激发虚态

E0为基态能级，E1振动激发态；E0+h0

，

E1+h0

为激发虚态（受外界能量为h0入射光子的激发，分子能级跃迁到能级比较高的激发态，分子在这种虚态能级下是不稳定的，很快就会返回相应的能级）。Rayleigh散射Raman散射第八页，共82页。Raman光谱的基本原理

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激发虚态Rayleigh散射Raman散射

Rayleigh散射是光子与物质分子发生弹性碰撞，当在碰撞过程中没有能量的交换，光子的频率不变，仅改变方向。也就是说，当处于E0或E1的分子，受hv0入射光子激发跃迁到E0+h0，E1+h0的激发虚态，由于其不稳定，马上又返回相应能级E0和E1能级，把吸收的能量又以光子的形式释放出来。第九页，共82页。Raman光谱的基本原理

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激发虚态Rayleigh散射Raman散射

而Raman散射是光子与物质分子产生非弹性碰撞，他们之间产生能量的交换，光子不但发生了方向上的改变，而且能量会减少或增加。如上图所示，受激到激发态的分子不是按照相应得返回到受激前的能级，这就会使入射频率与散射光频率不同，产生一个能量差。第十页，共82页。Raman光谱的基本原理Raman散射Raman散射的两种跃迁能量差：①当入射光子(hv0)把处于E0能级的分子激发到E0+hv0能级，因这种能态不稳定而跃回E1能级，其净结果是分子获得了E1与E0的能量差h，而光子就损失了这部分的能量,即使散射光频率小于入射光频率，[E=h(0-)]，产生Stokes线。h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E0+h0

h

h0h(0

-

)ANTI-STOKES0-RayleighSTOKES0+0第十一页，共82页。Raman光谱的基本原理Raman散射Raman散射的两种跃迁能量差：②当入射光子(hv0)把处于E1能级的分子激发到E1+hv0能级，因这种能态不稳定而跃回E0能级，这时分子就要损失掉E1与E0的能量差h，而光子获得了这部分的能量,结果是散射光频率大于入射光频率，[E=h(0+)]，这样就产生了反Stokes线。

h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E0+h0

h

h0h(0

-

)ANTI-STOKES0-RayleighSTOKES0+0第十二页，共82页。Raman光谱的基本原理h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E0+h0

h

h0h(0

-

)ANTI-STOKES0-RayleighSTOKES0+0按Boltzmann统计，室温时处于振动激发态的几率不足1%，因此Stokes线强度比反Stokes线强的多。另外，随着温度的升高Stokes线的强度将降低，而反Stokes线的强度将升高。Raman散射光强度取决于分子的极化率、光源的强度、活性基团的浓度等多种因素。极化率越高，分子中电子云相对于骨架的移动越大，Raman散射越强。在不考虑吸收的情况下，其强度与入射光频率的4次方成正比第十三页，共82页。Raman光谱的基本原理Raman位移Stokes线或反Stokes线的频率与入射光频率之差，就称为Raman位移。且对应的Stokes线与反Stokes线的Raman位移是相等的。对于同一物质分子，随着入射光频率的改变，Raman线的频率也会改变，但Raman位移始终不变，因此Raman位移与入射光频率无关。它仅与物质分子的振动和转动能级有关，也就是说只与分子基态和激发态的能级差有关。ANTI-STOKES0-RayleighSTOKES0+0第十四页，共82页。Raman光谱的基本原理例：

我们一般

以Raman位移（波数）为横坐标;强度为纵坐标，而把激发光的波数作为零（频率位移的标准，即v0）写在光谱的最右边，并略去反Stokes谱带，便得到类似于红外光谱的Raman光谱图。Stokes带反Stokes带CCl4的Raman光谱图激发光用单色光的波长为488.0nmv0如右图是CCl4的Raman光谱图。利用Raman光谱可对物质分子进行结构分析和定性检定。第十五页，共82页。Raman光谱的基本原理几个概念的解释：两个相同原子形成的共价键，正电荷与负电荷中心重合，键没有极性，这种共价键称为非极性键。两个不同原子形成共价键时，由于原子的电负性不同，正负电荷中心不重合，其中电负性较强的原子一端电子云密度较大，带有部分负电荷，电负性较弱的原子一端带有部分正电荷，这种共价键称为极性键。（1）机理第十六页，共82页。Raman光谱的基本原理在物理学中，把大小相等符号相反彼此相距为d的两个电荷组成的体系称之为偶极子，其电量与距离之积，就是偶极矩。由极性键组成的极性分子就是偶极子。对分子中的正负电荷来说，可以设想它们分别集中于一点，叫做正电荷中心和负电荷中心，或者说叫分子的极（正极和负极），极性分子的偶极距等于正负电荷中心间的距离乘以正电荷中心（或负电荷中心）上的电量。偶极矩是一个矢量，既有数量又有方向。它的定义式为：

μ=q×dq-正负电荷中心之一所带的电荷量；d-正负电荷中心之间的距离第十七页，共82页。Raman活性与红外活性的比较Raman光谱与红外光谱都是研究分子的振动和转动，但其产生的机理却是不同的。红外光谱又叫分子振动转动光谱，它是研究极性基团和非对称分子，由其振动或转动引起偶极距的变化，此时光的能量通过分子偶极距的变化而传递给分子，基团就吸收一定频率的红外光，产生分子振动和转动能级从基态跃迁到激发态。而拉曼光谱主要研究的是非极性基团或全对称分子，不是直接来自偶极距的变化，而是产生于诱导偶极距的变化。第十八页，共82页。Raman活性与红外活性的比较非极性基团或全对称分子，其本身没有偶极距，当分子中的原子在平衡位置周围振动时，由于入射光子的外电场的作用，使分子的电子壳层发生形变，分子的正负电荷中心发生相对移动，形成诱导偶极距，即产生了极化现象。（即电子云形状在振动平衡位置前后发生变化。）用公式表示：μ=E式中μ为诱导偶极距，分子极化率，E为入射光子的电场。与分子内部的振动无关，则为Rayleigh散射；随分子内部的振动而变化，则为Raman散射。第十九页，共82页。Raman活性与红外活性的比较分子振动的类型：一般多原子分子组成原子数目较多，组成分子的键或基团和空间结构不同，其振动光谱比双原子要复杂的多，但是可以把它们的振动分解成许多简单的基本振动，即简正振动。简正振动的基本形式：㈠伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动，用符号v表示。它又可以分为对称伸缩振动(vs)和不对称伸缩振动(vas)。㈡弯曲振动：基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为弯曲振动，用符号σ表示。它也可分为面内弯曲和面外弯曲。第二十页，共82页。Raman活性与红外活性的比较

在拉曼光谱中，分子或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，也就是说两者的活性有所不同。一般说来，有三种规则来判别分子的Raman或红外活性：

1.相互排斥规则：凡有对称中心的分子，象CS2和CO2等这些线性分子，红外和Raman活性是相互排斥的，若红外吸收是活性的，则Raman散射是非活性的；反之，若红外为非活性，则Raman是活性的。第二十一页，共82页。Raman活性与红外活性的比较CO2振动模式和选律简并：这是量子化学中的一个概念，在一个体系中，能量相同的各个称为体系的简并态，而简并态的数目就称为简并度。第二十二页，共82页。Raman活性与红外活性的比较

2.相互允许规则：一般来说，不具备对称中心的分子，其红外和Raman光谱的活性是可以并存的。例如水的三个振动υs

、υas和δ都有红外和拉曼活性的。H2O的振动模式和选律第二十三页，共82页。Raman活性与红外活性的比较

3.相互禁阻规则：也有少数分子的振动在红外和Raman中都是非活性的。例如平面对称分子乙稀的扭曲振动，既无偶极矩变化，也不产生极化率的改变，故在红外及Raman中皆为非活性。第二十四页，共82页。Raman活性与红外活性的比较(2)红外光谱与Raman光谱大多数有机化合物具有不完全的对称性，因此它的振动方式对于红外和Raman都是活性的，并在Raman光谱中所观察到的Raman位移与红外光谱中所看到的吸收峰的频率也大致相同。如右图是反式1，2-二氯乙烯红外和Raman光谱的一部分。它的VC=C是红外非活性的，在Raman光谱中则是很清楚（1580cm-1）。同样，C—Cl对称伸缩振动也是红外非活性的，在Raman光谱中也很清楚（840cm-1）。C—Cl不对称伸缩振动（895cm-1）是红外活性的，却是Raman非活性的。两种C—H弯曲振动分别出现在1200cm-1（红外）和1270cm-1（Raman）。第二十五页，共82页。Raman活性与红外活性的比较N—H、C—H、C≡C及C＝C等这些伸缩振动在Raman与红外光谱上基本一致，只是对应峰的强弱有所不同。但如果一些振动只具有红外活性，而另外一些振动却仅有Raman活性，那么，为了更完全得获得分子振动的信息，通常需要红外和Raman光谱的相互补充。例如：一些强极性键—OH、—C＝O、—C—X等在红外光谱中有强烈的吸收带，但在Raman光谱中却没有反映。对于非极性但易极化的键，如—S—S—、—N＝N—及反式烯烃的内双键等在红外光谱中根本不能或不能明显反映，而Raman光谱中则有明显的反映。所以一般说来，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。第二十六页，共82页。Raman活性与红外活性的比较第二十七页，共82页。Raman活性与红外活性的比较第二十八页，共82页。Raman活性与红外活性的比较第二十九页，共82页。Raman光谱与红外光谱的比较激光Raman光谱的特点激光Raman光谱之所以一开始就受到人们的重视，因为除了它与红外光谱有着相同的波长范围以及操作比红外光谱简单以外，还具有以下优点：⑴Raman光谱是将照射试样的频率v0改为v的一种散射光谱，频率位移差△v不受单色光源频率的限制，因此单色光源的频率可根据样品颜色而有所选择。红外光谱的光源不能任意调换。（奈斯特灯，高压汞灯）⑵用激光器作为光源，激光的单色性很好，Raman光谱谱峰尖锐，分辨性好。而红外谱峰往往都很宽。⑶在显微分析中，Raman光谱有更高的分辨率。激光拉曼光谱的常规试样用量为2～2.5微克，微量操作时用量可为0.06微克；红外光谱的常规用量为100微克，微量操作时为0.1微克。第三十页，共82页。Raman光谱与红外光谱的比较⑷由于玻璃对可见光的吸收弱，对于Raman光谱，样品可装于毛细管内或玻璃瓶内直接测定拉曼光谱，对固体试样则不需任何处理直接测定；红外光谱测定固体样品时则需要一定处理，如KBr压片或制备石蜡糊等。使用这些添加剂后，往往对谱图造成一定影响，形成一些杂质峰。⑸特别的，激光Raman光谱可用于对单晶的低频晶格频率及高频分子频率进行研究，而红外光谱不能得出这些单晶的数据。⑹激光Raman光谱可测水溶液，而红外光谱不适用于水溶液的测定。⑺激光Raman光谱应用的频率范围比红外光谱要大，激光Raman光谱的频率范围一般为20～4000cm-1。而一般红外光谱的测频范围目前只能为200～4000cm-1，200cm-1以下需要用远红外光谱。⑻激光Raman光谱对C＝C、C≡C、S—S、C＝S、P—S等红外弱谱峰很灵敏，能出现强拉曼峰，另外对易产生偏振的一切重元素（过渡金属、超铀元素）的配位键都可出现一些拉曼强峰。第三十一页，共82页。红外和拉曼两种谱线的强弱不同，拉曼散射光的强度太弱，仅是瑞利散射光强度的10-6~10-8.因此，有时必须考虑他们两者对基团频率测定的灵敏度。所以红外，拉曼二者相互补充，对确定基团频率的归属有利。第三十二页，共82页。光源试样池单色器

检测器器激光Raman光谱仪激光Raman光谱仪的基本组成有激光光源、样品池、单色器和检测记录系统四部分，并配有微机控制仪器操作和处理数据，其方框图如下图所示。第三十三页，共82页。第三十四页，共82页。激光Raman光谱仪激光光源：多用连续式气体激发器，有主要波长为632.8nm的He-Ne激光器和主要波长为514.5nm和488.0nm的Ar离子激光器。散射强度1/4。样品池：常用微量毛细管以及常量的液体池、气体池和压片样品架等。单色器：激光Raman光谱仪的心脏，可以最大限度地降低杂散光且色散性能好。常用光栅分光，并采用双单色器以增强效果。检测系统：对于可见光谱区内的Raman散射光，可用光电倍增管作为检测器。以光子计数器进行检测，它的测量范围可达几个数量级。第三十五页，共82页。激光Raman光谱仪傅立叶-拉曼光谱仪（FT-Raman）光谱仪，它的基本结构跟普通可见光激光Raman相似，所不同的是它以1.064微米波长的Nd-YAG(钇铝石榴石)激光器代替了可见激光作光源，并由干涉FT系统代替分光扫描系统对散射光进行检测。检测器用高灵敏度的铟镓砷探头，并在液氮冷却下工作，从而可大大降低了检测器的噪声。第三十六页，共82页。激光Raman光谱仪与可见激光Raman光谱仪相比，FT-Raman技术有以下新的特点：①可避免荧光干扰，从而大大拓宽了Raman光谱的应用范围；②可提高光谱仪的测量精度；③消除Rayleigh谱线的干扰；④操作较以前的光谱仪更为方便，且测量速度更快；⑤还能跟电脑联机，进行光谱数据的处理。一般的，FT-Raman光谱仪与FT-红外光谱仪基本类似，所以我们通常将红外光谱仪与Raman光谱仪进行联用，只需在FT-红外光谱仪上增加一个激光Raman散射室的附件，就可以满足对两种光谱进行研究的需要。第三十七页，共82页。激光Raman光谱的应用㈠激光Raman光谱在有机化学方面的应用对于某些有机化合物的基团，它的特征峰在红外光谱图中非常微弱，单一地用红外光谱图来分析的话，无法确定该有机化合物的基团。但相反，该基团可能在拉曼光谱图上却呈现出锐利的强峰。所以可用Raman光谱与红外光谱结合来分析和表征有机化合物。第三十八页，共82页。激光Raman光谱的应用⒈饱和基团①饱和烃的CH3及CH2的碳氢伸缩振动频率在拉曼光谱中较强，而其弯曲振动频率很弱；②硫氢及双硫伸缩振动频率在拉曼光谱上比红外光谱上强得多；③碳碳单键伸缩振动频率在拉曼光谱上很强，而在红外光谱上则较弱；④极性的氮氢及氧氢伸缩振动频率在红外光谱中很强，而在拉曼光谱则很弱。氮氢及氧氢的弯曲频率也是如此；⑤含有一个或几个重原子（如卤素、重金属）的谱峰在拉曼谱图上比红外谱图上更强。第三十九页，共82页。激光Raman光谱的应用2.不饱和基团①碳碳双键及碳碳三键展示出特别强的拉曼谱峰，而红外谱峰很弱。它们附近的碳氢伸缩频率在拉曼光谱中也很强；②碳氧双键的振动频率在拉曼光谱上也是很强的。③芳香环有特别明显的对称伸缩频率，在红外光谱上是很弱的，而在拉曼光谱上是主要的特征峰。芳香环的不饱和双键与一般双键相同，它的面外弯曲振动很强。然而，环的变形振动在拉曼光谱上比在红外光谱上要弱些。多核（指稠环）芳香烃在红外光谱上谱峰很多，谱形复杂，而在拉曼光谱图上谱峰强而陡。第四十页，共82页。激光Raman光谱的应用红外：2800-3000cm-1VC-H伸缩，强1400-1600cm-1环变形振动，强700-850cm-1三取代苯，强1000cm-1V(=C-C)伸缩，较弱（1400~900为指纹区）拉曼：2800cm-1VC-H伸缩，较弱1300，1400cm-1环变形，较弱1000cm-1VC-C伸缩，强600cm-1V芳香环(C=C)，非常强

红外T(%)（拉曼）相对强度第四十一页，共82页。激光Raman光谱的应用2941，2927cm-1

ASCH22854cm-1

SCH21444，1267cm-1

CH21029cm-1

（C-C）803cm-1环变形

第四十二页，共82页。激光Raman光谱的应用3060cm-1r-H)1600,1587cm-1c=c)苯环1039,1022cm-1单取代环的谱峰1000cm-1苯环CC伸缩787cm-1环变形第四十三页，共82页。第四十四页，共82页。激光Raman光谱的应用㈡激光Raman光谱在生物大分子方面的应用生物大分子的正常结构是维系生物体正常生命活动的关键，拉曼效应应包含分子中原子所处的位置、电子的分布以及分子内作用力的相互影响，它被公认为研究分子结构和功能的有效方法之一。第四十五页，共82页。激光Raman光谱的应用特别是激光Raman光谱灵敏度高、所需样品浓度低（10-3mol/L-10-5mol/L）、反映结构信息量大等特点，可以针对复杂分子的不同色团选择性地激发，而相互间不受影响，尤其适用于生理水溶液状态，因此受到广泛关注。生物大分子的振动频率非常复杂，振动频率与分子中固定的分子群体的几何排布和键的配置有密切的关系，而这种排布和配置也反映着分子间的相互作用，生物分子的这些特性影响着他们的谱线。所以，通过生物分子的拉曼谱我们就可以找出相应的振动频率，从而可以知道分子的结构，还可以通过谱的变化来了解分子结构的变化，因此拉曼光谱非常适合研究生物大分子的结构及变化。第四十六页，共82页。激光Raman光谱的应用蛋白质分子在三维空间折叠和卷曲构成的特有空间构象和核酸的有序结构是它们各自发挥各种功能的结构基础。一般纯的核酸或蛋白质有30-40条拉曼光谱线出现在300-1700cm-1范围内，由此可获得核酸的有序结构、碱基堆积；蛋白质的主链构象（α-螺旋、β-折叠、回折结构、无规则卷曲）、侧链残基的构型以及所处环境等多种信息。对蛋白质的研究最先从最简单的肽类物质入手，运用拉曼光谱来研究蛋白质或多肽的一级结构。近年来，拉曼光谱在蛋白质构象研究中的进展较多。第四十七页，共82页。激光Raman光谱的应用然而,在过去十年的研究中发现,在细胞中许多缺乏独特卷曲、折叠的天然非折叠蛋白质同样发挥着重要生理功能。这类蛋白质由于缺乏独特结构,采用其他分析方法难以进行特征描述,而拉曼光谱分析则能够弥补这方面的缺陷。卷曲、折叠很好的蛋白质二级结构可以采用球蛋白的氨基化合物Ⅰ(amideⅠ)和氨基化合物Ⅲ(amideⅢ)振动参考光谱位置确定。由于天然非折叠蛋白不具有球蛋白的构型,套用球形蛋白质而来的拉曼经验常数到天然去折叠蛋白质将导致错误的结果。因此,有必要建立适合天然非折叠蛋白质的拉曼标记。例如:用拉曼特征谱带氨基化合物Ⅰ的1653cm-1(α-螺旋)、1667cm-1(β-片层)、1674cm-1～1685cm-1(聚脯氨酸polyprolineⅡ)结构确定了α-synuclein二级结构的存在、相对变化,并由此推断其它天然非折叠蛋白质卵黄高磷蛋白(phosvitin),酪蛋白α(α-casein),酪蛋白β(β-casein)的二级结构。第四十八页，共82页。激光Raman光谱的应用目前应用拉曼光谱研究生物大分子的工作十分活跃，通过拉曼光谱分析可以提供丰富的关于蛋白质结构的信息,使得研究人员在X-射线晶体衍射分析、核磁共振技术之外有了新的手段对蛋白质结构进行研究。相信随着激光技术(如高效率激光倍频技术、紫外可调谐激光技术)、检测技术的发展以及新的拉曼光谱技术和方法的提出，将更加有力地推动拉曼光谱在蛋白质等生物大分子结构及其与物质相互作用等研究工作中的应用。第四十九页，共82页。激光Raman光谱的应用㈢激光Raman光谱在纳米材料上的应用纳米材料广义上是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。从80年代末纳米科技诞生以来,纳米材料始终是纳米科技的一个重要研究领域。纳米材料的特殊性质与其微观结构有着密切的关系,搞清纳米材料的微结构对了解纳米材料的特性及其应用十分重要。因此,对纳米材料的结构和性能表征是纳米科技最重要的研究课题之一。在众多的表征手段中,谱学方法独树一帜,通过各种谱学技术,不仅可以探知其微观结构的信息,还可以了解纳米材料的许多性质,特别是光学方面的性质。第五十页，共82页。激光Raman光谱的应用拉曼光谱是分子对可见单色光的散射所产生的光谱。它可以作为一种研究晶体或物质分子结构的重要方法,特别是对于研究低维纳米材料,它已经成为首选方法之一。

拉曼光谱具有灵敏度高、不破坏样品、方便快速等优点。拉曼光谱产生的条件是某一简谐振动对应于分子的感生极化率变化不为零。拉曼频移与物质分子的转动和振动能级有关,不同物质有不同的振动和转动能级,可以产生不同的拉曼频移。

所以，利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构分析、键态特征分析、结构相变和定性鉴定等。第五十一页，共82页。激光Raman光谱的应用纳米材料中的晶界结构比较复杂,与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及热处理过程等因素均有密切的关系,拉曼频率特征可提供有价值的结构信息。我国研究人员李颖等对2～40nm不同粒径的纳米级锐钛矿、微米级锐钛矿和天然锐钛矿分别进行了拉曼光谱研究。结果表明,随着晶粒尺寸的减小,谱带强度大幅降低,并发生蓝移；515和637cm-1处谱带蓝移达到一个最大值后，当粒度继续减小时却发生红移,但396cm-1的谱带随粒度减小不发生明显位移,这些现象都反映了纳米材料结构的复杂性。此外,也有其他科学家对纳米TiO2的结构用拉曼光谱进行了详细的表征。常规TiO2的不同相结构即金红石结构和锐钛矿结构的拉曼活性振动模式具有较大差异。根据不同温度烧结的纳米TiO2拉曼谱可以分析其相结构。

第五十二页，共82页。激光Raman光谱的应用RamanspectraofTiO2atdifferentsinteringtemperature（a）623K；（b）773K；（c）1073K；（d）1173K；（e）1273K上图为在不同烧结温度下纳米TiO2块体的拉曼谱。由图可知随着烧结温度的升高,拉曼谱的谱线数目、位置、谱峰高度均有变化。通过纳米TiO2与常规TiO2拉曼谱的比较,可以得到纳米TiO2结构的变化情况。当烧结温度小于773K时,纳米TiO2的相结构为金红石和锐钛矿的混合相，而温度达到1073K时,根据峰高变化和峰位的移动可以判断纳米TiO2中存在的锐钛矿结构已完全转变成金红石结构。由此得到纳米TiO2的相变温度为1073K,而常规TiO2相变温度为1273K左右,说明纳米尺度的相变温度一般比常规态的低得多。第五十三页，共82页。激光Raman光谱的应用㈣Raman光谱在催化研究中的应用

催化科学与技术的发展与催化研究方法的发展是密不可分的。特别是在催化新材料和新反应的不断探索过程中，催化新表征技术起着很重要的作用。拉曼光谱是一项重要的现代分子光谱技术，被广泛应用于化学、物理和生物科学等诸多学科领域，是研究物质分子结构的有力工具。70年代起拉曼光谱被应用于催化领域的研究，在担载型金属氧化物、分子筛、原位反应和吸附等研究中取得了丰富的成果。

从右图我们可以看出，进入90年代以来，文章数目平均以每年30%的速度增长。

1991-2000年间催化研究主要刊物上发表的有关拉曼光谱的文章数目

第五十四页，共82页。激光Raman光谱的应用拉曼光谱之所以在催化应用中发展迅速，有如下几个方面的原因：（1）拉曼光谱能够提供催化剂本身以及表面上物种的结构信息，这是认识催化剂和催化反应最为重要的信息；（2）拉曼光谱较容易实现原位条件下（高温、高压，复杂体系）的催化研究；（3）拉曼光谱可以用于催化剂制备的研究，特别是可以对催化剂制备过程从水相到固相的实时研究，这是许多其它光谱技术难以进行的；（4）近年来随着探测器灵敏度的大幅度提高和光谱仪的改进，拉曼光谱仪的信噪比大大提高。第五十五页，共82页。激光Raman光谱的应用拉曼光谱与红外光谱都能得到分子振动和转动光谱，但他们产生活性的机理不同，所以二者有一定程度的互补性，而不可以互相代替。拉曼光谱在某些实验条件下具有优于红外光谱的特点，因此拉曼光谱可以充分发挥它在催化研究中的优势：（1）红外光谱一般很难得到低波数（200cm-1以下）的光谱，但拉曼光谱甚至可以得到几十个波数的光谱。而低波数光谱区反映催化剂结构信息，特别如分子筛的不同结构可在低波数光谱区显示出来。（2）由于常用载体（如γ-Al2O3和SiO2等）的拉曼散射截面很小，因此载体对表面担载物种的拉曼光谱的干扰很少。而大部分载体（如γ-Al2O3、SiO2和TiO2等）在低波数的红外吸收很强，在1000cm-1以下几乎不透过红外光。（3）由于水的拉曼散射很弱，因此拉曼比红外更适合进行水相体系的研究。这对于通过水溶液体系制备催化剂过程的研究极为有利，对于水溶液体系的反应研究也提供了可能性。第五十六页，共82页。激光Raman光谱的应用近十多年来，研究者使用激光拉曼光谱在催化领域进行了大量的研究，下面来介绍几个主要的应用：①金属氧化物催化剂

过渡金属氧化物催化剂是一类重要的烃类选择氧化催化剂。通过对金属氧化物的拉曼光谱研究可以得到以下信息：（1）金属氧化物的晶相结构；（2）金属氧化物的相变过程；（3）金属氧化物活性位的配位结构；（4）在催化氧化反应中金属氧化物催化剂的变化。第五十七页，共82页。激光Raman光谱的应用如右图所示，反应后催化剂的表征结果显示样品是由MoO3（主要的拉曼谱峰在996、821、667和285cm-1）、Fe2（MoO3）4（主要的拉曼谱峰在965、776和348cm-1）和两种氧化物的混合相组成。甲醇氧化催化研究表明MoO3的活性远低于Fe2（MoO3）4，它的主要作用是保持催化剂表面的Mo的浓度，因为表面Mo富积的催化剂具有更高的活性和选择性。拉曼光谱分析钼酸铁甲醇氧化催化剂（a）MoO3和Fe2（MoO3）4的混合物（b）Fe2（MoO3）4，（c）MoO3例：钼酸铁（ironmolybdate）催化剂被用于甲醇氧化生成甲醛的反应中，它是最早使用拉曼光谱研究的金属氧化物催化剂。研究结果表明钼酸铁催化剂中晶相结构的分布不均匀，是由MoO3、Fe2（MoO3）4，以及二者的混合物组成的。第五十八页，共82页。激光Raman光谱的应用②担载型金属氧化物催化剂担载型金属氧化物催化剂被广泛应用于许多工业催化过程中，如烷烃脱氢、烯烃聚合、烯烃置换、有机物的选择氧化、氨化和还原、以及有机物的消除等反应中。担载型金属氧化物一般是指在氧化物载体（如Al2O3、TiO2、SiO2等）上形成的二维表面金属氧化物，有时也形成小的晶相氧化物结构。由于这种高分散的金属氧化物相一般都有很强的拉曼信号，而氧化物载体（如Al2O3、SiO2等）的拉曼信号通常都较弱，因此拉曼光谱是研究担载型金属氧化物催化剂的理想手段。用拉曼光谱研究的担载型金属氧化物主要包括：氧化钒、氧化铬、氧化钼、氧化铌、氧化铼、氧化钨、氧化镍等。最早的担载型氧化物的拉曼光谱研究始于70年代末期，主要集中在Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ族过渡金属元素。第五十九页，共82页。激光Raman光谱的应用拉曼光谱研究主要集中在担载型金属氧化物的结构随担载量的变化。有科学家用Raman、XRD等手段对表面钼物种在载体Al2O3上随担载量的变化进行了研究。在理论单层的三分之一以下是四配位的氧化钼，随后出现的是六配位的氧化钼；达到理论单层时形成了Al2（MoO4）3结构，在更高担载量时出现了晶相的氧化钼。对担载型氧化钨的Raman研究结果也是类似的。在理论单层的65%以下形成了四配位的氧化钨，随后是六配位的氧化钨，到达理论单层后形成了晶相氧化钨。对担载型氧化钒催化剂的拉曼光谱表征表明有两种类型的钒物种：表面的与载体键合的钒物种以及晶相的五氧化二钒。研究人员对不同担载量的V2O5/TiO2进行了表征，担载量在理论单层以下的催化剂在850-1000cm-1,出现了很宽的谱峰，被归属于单层分散的氧化钒。到达单层后在997cm-1处出现了一个尖锐的谱峰，被归属于晶相氧化钒的V=O伸缩振动峰。第六十页，共82页。激光Raman光谱的应用所以，拉曼光谱在担载型金属氧化物的研究中发挥了很重要的作用，不但得到了表面物种的结构信息，而且能将结构与反应活性和选择性进行很好地关联，这在催化研究中是非常重要的。但是，由于载体一般有很强的荧光干扰，使一些氧化物，特别是低担载量氧化物的常规拉曼光谱研究目前还是遇到了很大的困难。第六十一页，共82页。激光Raman光谱的应用

沸石型分子筛和分子筛型无机微孔材料在催化、吸附和离子交换等领域中有广泛的应用。其中在催化领域中，分子筛被用于裂解、异构化、烷基化、聚合、脱氢、羰基化、芳构化等很多重要的工业催化过程中。

科学家Angel于1973年第一次将拉曼光谱用于分子筛骨架研究，迄今为止，天然和合成分子筛骨架研究已经得到了很大的发展。下面主要介绍对分子筛骨架结构的拉曼光谱的表征工作。③分子筛第六十二页，共82页。激光Raman光谱的应用分子筛的骨架振动分子筛拉曼光谱的最强峰一般出现在300-600cm-1，该峰被归属于氧原子在面内垂直于T-O-T键（T指Si或Al等）的运动。人们通过Raman光谱，对各种不同分子筛进行研究和表征，总结出了VS（T-O-T）的频率与分子筛的结构单元(如：环大小，平均T-O-T键角和Si／Al比之间)的对应关系。⑴一般来说较小的环对应于较高的VS（T-O-T）频率。只含有偶数环的分子筛该谱峰出现在500cm-1处。而含有五元环等奇数环的分子筛VS（T-O-T）的谱峰一般出现在390-469cm-1，具体位置取决于分子筛的环的种类。由此，我们可根据Raman光谱图来确定分子筛环的大小。第六十三页，共82页。激光Raman光谱的应用⑵

VS（T-O-T）谱峰的位置也依赖于T-O-T的键角。较大键角使T-O-T键的力常数下降，导致VS（T-O-T）谱峰向低频率位移。研究人员Dutta等研究了拉曼谱峰和分子筛结构T-O-T键角的关系，下列图表给出了他们的研究结果。一些常规分子筛的拉曼振动频率和其相应的T-O-T键角

不同分子筛的拉曼光谱（a）Cs-D（b）Na-X（c）Na-Y(d)Li-A(e)Na-A(f)Na-P(g)K-R(h)syntheticmagadiite第六十四页，共82页。激光Raman光谱的应用

⑶一般分子筛的基本结构单元是SiO4和AlO4四面体，骨架中每个氧原子都为相邻的两个四面体所共有，这些基本结构单元按一定组合和排列方式形成不同结构的分子筛。事实上，对于硅铝分子筛，其环数和T-O-T键角不同的最直接原因就是铝原子的插入。因此，Si／Al比是影响分子筛拉曼振动频率的一个很重要的因素。八面沸石中掺杂少量的铝会导致在298、312、492和510cm-1的拉曼谱峰宽化，这是由于Al3+离子在骨架中的随机分布引起的。当铝含量高时，具有拉曼活性的谱峰发生明显位移，强度明显增强。这一效应对于在500cm-1左右的反对称伸缩振动模式最为显著。

因此，我们通过激光Raman光谱，可以获得较多的拉曼频移与分子筛结构单元的对应关系，更清楚得表征分子筛的骨架结构。第六十五页，共82页。激光Raman光谱的应用㈤激光Raman光谱在定量分析研究上的应用目前，利用拉曼光谱进行混合成份的定量分析是令分析工作者关注的问题之一,在混合成分的定量分析中,主要采用以下两种方法：一是内标法,就是在被测样品中不加其它基准物质而以样品溶液中一种稳定的波峰作为标准;二是外标法,它则是在样品中加入一定的基准物,以基准物的特征峰作为标准进行定量分析。但目前拉曼光谱的定量分析多见于液体和气体样品；因为对于固体样品的定量分析，会受粉末颗粒的大小、密度和混合物的均质性的影响。下面我们用溶解于苯溶液中的萘和菲的拉曼光谱图对他们作定量分析。第六十六页，共82页。激光Raman光谱的应用将不同量的萘或菲分别溶解于苯溶液中,可得出如下拉曼光谱图1。

图1.溶解于苯溶液的萘或菲拉曼光谱

1.苯溶液2.萘(0.1062g/10ml苯)3.菲(0.1532g/10ml苯)由图我们可以看出，苯的拉曼位移1177.7cm-1强度不发生明显变化，萘的拉曼位移1381.8cm-1随萘含量的不同发生明显的改变；菲的拉曼位移1349.8cm-1同样随着含量的变化而发生变化。将萘或菲与苯的拉曼位移峰强度对比(R），结果见图2和图3。第六十七页，共82页。激光Raman光谱的应用图2.萘与苯的参比峰比较结果图3.菲与苯的参比峰比较结果第六十八页，共82页。激光Raman光谱的应用从上述结果可以看出,萘、菲在苯溶液中,萘/苯、菲/苯具有良好的线性关系。将不同量的萘和菲同时溶解于苯溶液中,其拉曼光谱见图4。从图4可以看出,萘菲随比例不同其拉曼位移强度也随着发生变化且具有良好的线性关系。尽管萘菲的分子结构有一定的相似形,但它们拉曼位移相差40cm-1左右,因此在此实验中,其定量分析的结果相互影响较小。从图2、3、4可以看出，萘的1379.8cm–1，菲的1350.4cm-1拉曼位移具有较高的灵敏度,因此在定量分析中将采用上述拉曼位移进行测定。图4.萘菲溶解在苯溶液中的拉曼光谱

1.萘溶解在苯溶液中(0.1062g/10ml)2.菲溶解在苯溶液中(0.1532g/10ml)3.萘、菲溶解在苯溶液中(0.3505、

0.0508g/10ml)4.萘、菲溶解在苯溶液中(0.0234、

0.1615g/10ml)第六十九页，共82页。激光Raman光谱的应用在拉曼测定过程中,假设激发辐射光的强度为Ⅰ0,则:ⅠRaman=KVCⅠ0公式中V为样品的体积,C为样品的浓度,K为每一谱带的常数。因此,对于谱峰不相互干扰成份的定量分析,采用各自的特征峰对其在混合物的含量做工作校正曲线,从校正曲线上求出未知成份的含量。萘和菲的定量分析拉曼位移选择为1379.8cm-1、1350.4cm-1。它们峰强和苯的1177.5cm-1峰强度之比是萘菲进行定量分析的依据。第七十页，共82页。激光Raman光谱的发展①傅立叶变换拉曼光谱技术傅立叶变换拉曼光谱是上世纪90年代发展起来的新技术,采用傅立叶变换技术对信号进行收集,多次累加来提高信噪比,并用1064mm的近红外激光照射样品,大大减弱了荧光背景。从此,FT-Raman在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力。近几年来,化学工作者们对FT-Raman光谱仍在不断探索。王斌等研究人员采用FT-Raman光谱仪对蛋白质样品进行多次扫描,曲线拟合原始光谱图,以子峰面积表征对应二级结构含量,从而可对蛋白质二级结构进行定量分析。还可以根据人体正常组织和病变组织的FT-Raman光谱差异从分子水平鉴别和研究病变的起因。第七十一页，共82页。激光Raman光谱的发展②表面增强拉曼光谱技术表面增强拉曼散射(SERS)效应是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中,吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射(NRS)信号大大增强的现象。表面增强拉曼克服了拉曼光谱灵敏度低的缺点,可以获得常规拉曼光谱所不易得到的结构信息,被广泛用于表面研究、吸附界面表面状态研究、生物大小分子的界面取向及构型、构象研究、结构分析等,可以有效分析化合物在界面的吸附取向、吸附态的变化、界面信息等。SERS技术是一种新的表面测试技术,可以在分子水平上研究材料分子的结构信息,如氧化银溶胶上植酸分子的SERS光谱。第七十二页，共82页。通过测得氧化银溶胶表面的SERS光谱与植酸在溶液中的常规拉曼光谱相比,SERS峰有较大的位移,表明其机制应为化学增强为主。化学增强机制体现短程增强效应,即只有直接吸附于胶粒上的分子或分子结构单元(比如基团)的拉曼散射峰才会被表面增强。激光Raman光谱的发展植酸是环己六醇的六磷酸酯,又名肌醇六磷酸酯。由于植酸分子具有非共平面的六个磷酸酯键,与金属离子有很强的络合作用,决定它具有独特的理化性质。第七十三页，共82页。激光Raman光谱的发展植酸结构式表面增强拉曼谱图第七十四页，共82页。从上图和右表可知,1026cm-1处的峰归属为P30=O32伸缩和P30-O36-H39摇摆的组合振动;1127cm-1处是P30-O31-H40摇摆振动;O8-P14=O23伸缩振动出现在846cm-1处;1275cm-1附近的谱带是源于环扭曲振动和P14-O24-H46摇摆振动;同时在998cm-1处可以观察到P13=O20的伸缩振动;1105cm-1处是P17-O33-H38摇摆振动及P17=O34