激光拉曼光谱分析法

激光拉曼光谱分析法第1页，共20页，2023年，2月20日，星期一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50～4000cm-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10-6～10-8mol·L-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，共20页，2023年，2月20日，星期一11.2.1Raman散射与Raman位移当频率为ν0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ν0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线与入射光的频率差为Raman位移。11.2基本原理第3页，共20页，2023年，2月20日，星期一11.2.1Raman散射与Raman位移第4页，共20页，2023年，2月20日，星期一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hυ-ΔE，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，再返回到基态振动能级，此时散射光子的能量则为hυ+ΔE，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。

11.2.1Raman散射与Raman位移第5页，共20页，2023年，2月20日，星期一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(Δ＝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。

11.2.2Raman光谱图与Raman光强度第6页，共20页，2023年，2月20日，星期一Raman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，共20页，2023年，2月20日，星期一若偏振器平行、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P＝I/I║。退偏比与分子的极化率有关，若令为分子极化率中各向同性部分，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，共20页，2023年，2月20日，星期一11.2.4Raman光谱与红外吸收光谱的比较第9页，共20页，2023年，2月20日，星期一11.3.1.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，共20页，2023年，2月20日，星期一11.3.1.1光源由于Raman散射很弱，现代Raman光谱仪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11页，共20页，2023年，2月20日，星期一11.3.1.3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Raman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，共20页，2023年，2月20日，星期一11.3.2.1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，只是干涉仪与样品池排列次序不同。11.3.2傅里叶变换Raman光谱仪第13页，共20页，2023年，2月20日，星期一11.3.2.2.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，共20页，2023年，2月20日，星期一11.4.1定性分析Raman位移△表征了分子中不同基团振动的特性，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ρ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，共20页，2023年，2月20日，星期一11.4.1.1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－，－C≡C－，－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，共20页，2023年，2月20日，星期一11.4.1.2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，共20页，2023年，2月20日，星期一由于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，共20页，2023年，2月20日，星期一11.4.3.1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，使这一分子的某个或几个特征Raman谱带强度可达到正常Raman谱带的104~106倍，这种现象称为共振Raman（ResonanceRaman）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10-6～10-8molL-1。11.4.3其他Raman光谱法第19页，共20页，2023年，2月20日，星期一11.4.3.2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104～108