现代分析测试技术分子结构分析概论

现代分析测试技术分子结构分析概论第1页，课件共121页，创作于2023年2月2研究分子光谱是探究分子结构的重要手段之一。分子光谱的特点：分子中包含不同种类的原子，还包含各种基团和结构单元；分子光谱通常为带状光谱，远比原子光谱复杂，但是可以提供更多的结构信息。研究分子光谱能作用：分子光谱除了可以用以进行定性与定量分析外，还能测定分子的能级、键长、键角、力常数等重要参数，帮助我们了解物质的许多物理和化学性质。分子光谱与分子结构第2页，课件共121页，创作于2023年2月3射线0.005nm0.14nmX射线10nm可见光800nm红外光50µm远红外光1mm微波0.1m原子核能级跃迁放射化学内层电子能级跃迁X射线衍射分子转动晶格振动能级跃迁远红外光谱电子自旋、分子转动能级跃迁微波光谱学磁场中核自旋能级跃迁核磁共振光谱学400nm紫外光分子振动能级跃迁红外吸收波长(λ)短长频率(v)高低能量(E)小大价电子能级跃迁紫外可见吸收荧光发射1000m射频（无线电波）第3页，课件共121页，创作于2023年2月4分子光谱与分子结构分子能级结构

分子的能量具有量子化的特征：分子像原子一样，其能量是分裂的、不连续的，有其特征的分子能级图。

当电磁波照射物质时，所有的原子和分子均能吸收电磁波，且对吸收的波长有选择性。第4页，课件共121页，创作于2023年2月5紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法分子光谱分析法拉曼光谱法分子吸收光谱分子散射光谱分子发射光谱吸收光谱第5页，课件共121页，创作于2023年2月6辐射的吸收：辐射通过物质时，某些频率的辐射被物质的粒子选择性地吸收，从而使辐射强度减弱的现象。实质：辐射使物质粒子发生由低能级(一般为基态)向高能级(激发态)的能级跃迁。辐射的发射：物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。实质：物质从高能级向低能量跃迁，损失的能量以电磁辐射形式释放。第6页，课件共121页，创作于2023年2月7

第十五章振动光谱

红外吸收光谱

拉曼散射光谱

第7页，课件共121页，创作于2023年2月拉曼光谱一拉曼光谱基本原理二拉曼光谱与红外光谱比较三拉曼光谱仪简介四拉曼光谱应用五表面增强拉曼简介第8页，课件共121页，创作于2023年2月9C.V.RamananIndianPhysicist拉曼（Raman），印度物理学家。1921年开始研究并在1928年发现了光散射的拉曼效应，1930年获得了诺贝尔物理奖。和汤川秀树（日）一起成为仅有的两位没有受过西方教育的诺贝尔科学奖得主。为表彰拉曼对印度科学进步所作的巨大贡献，印度政府将2月28日定为“拉曼节”。引子第9页，课件共121页，创作于2023年2月10拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发现的，本人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落；1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。拉曼散射效应的进展：第10页，课件共121页，创作于2023年2月11吸收折射衍射反射散射透明试样一、拉曼光谱的基本原理单色光

第11页，课件共121页，创作于2023年2月12光散射-瑞利散射散射光中，弹性(瑞利)散射占主导入射光分子分子散射光excitationemission散射光与入射光有相同的频率散射前…散射后…第12页，课件共121页，创作于2023年2月13光散射-拉曼散射光中的1010光子之一是非弹性散射（拉曼）入射光分子excitation分子振动散射光excit.-vib.emission光损失能量，使分子振动散射前…散射后…第13页，课件共121页，创作于2023年2月14Rayleigh散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；Rayleigh散射Raman散射E0基态，

E1振动激发态；

E0+h0，

E1+h0

激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激发虚态1.1基本原理第14页，课件共121页，创作于2023年2月15Raman散射：有两种跃迁能量差：

a:

E=h(0-

)产生stokes线，强；

b:E=h(0+

)产生反stokes线，较弱。

Raman位移：Raman散射光与入射光频率差。ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)对应于同一分子能级，stocks和anti-stockes线的拉曼位移应该相等第15页，课件共121页，创作于2023年2月16Rayleighscattering

Stockslinesanti-Stockeslines对应于同一分子能级，stocks和anti-stockes线的拉曼位移应该相等;但强度不同CCl4的拉曼光谱第16页，课件共121页，创作于2023年2月170123e电子基态振动能级eeRayleigh散射eeeRaman散射Stocks线Anti-Stocks线温度升高概率大！温度升高，反斯托克斯线增加

温度升高，处于振动激发态的分子数增多

第17页，课件共121页，创作于2023年2月181.2拉曼频移（Ramanshift）

Δν=|ν0–νs|,即散射光频率与激发光频之差。Δv取决于分子振动能级的改变，所以它是特征的。适用于分子结构分析与入射光波长无关第18页，课件共121页，创作于2023年2月191.3拉曼光谱与分子极化率的关系诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子极化率拉曼散射强度与极化率成正比例关系拉曼的强度与分子振动平衡前后电子云形状的变化大小有关。分子在静电场E中，分子产生诱导偶极距μiμi

＝αEα为极化率电场作用下、分子中电子云变形的难易程度第19页，课件共121页，创作于2023年2月20①红外活性振动

ⅰ永久偶极矩：极性基团；

ⅱ瞬间偶极矩：对称分子。②拉曼活性振动非极性基团，对称分子都可产生诱导偶极，μi

=E总则：伴随有极化率变化的振动可以产生拉曼光谱。1.4红外活性和拉曼活性振动总则：伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带.两者研究范围的区别：对称分子：对称振动→拉曼活性，无红外活性

不对称振动→红外活性，无拉曼活性第20页，课件共121页，创作于2023年2月21无对称中心分子（例如H2O

，SO2等），三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。1234拉曼活性红外活性红外活性振动自由度：拉曼光谱—源于极化率变化红外光谱—源于偶极矩变化3N-5=4第21页，课件共121页，创作于2023年2月22O=C=O对称伸缩O=C=O反对称伸缩偶极距不变，无红外活性极化率变，有拉曼活性极化率不变，无拉曼活性偶极距变，有红外活性第22页，课件共121页，创作于2023年2月23红外与拉曼活性判断法则互排法则：有对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼之一有活性，则另一非活性互允法则：无对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼都是活性的。互禁法则：既非拉曼活性，也非红外活性。如乙烯分子的扭曲振动第23页，课件共121页，创作于2023年2月24相同点同属分子振(转)动光谱异：红外分子对红外光的吸收强度由分子偶极距决定异：拉曼分子对激光的散射强度由分子极化率决定红外：适用于研究不同原子的极性键振动－OH,－C＝O，－C－X拉曼：适用于研究同原子的非极性键振动－N－N－,－C－C－互补二拉曼光谱与红外光谱比较第24页，课件共121页，创作于2023年2月25项目红外光谱拉曼光谱光谱类型吸收光谱散射光谱光谱范围400-4000cm-140-4000cm-1分子结构与光谱活性极性分子及基团通常是红外活性的非极性分子及基团通常是拉曼活性的分子结构测定范围适于分子端基的测定适于分子骨架的测定样品池不能用玻璃可用玻璃瓶、毛细管等测试对象与品种测试荧光物质方便，测试单晶、金属不便测试荧光物质不便，测试单晶、粉末方便水溶液测试有一定限制不受水的干扰样品制备需要制样无需制样定量分析可以有些不便谱库谱库谱图及数据有几十万谱库较少2.1拉曼光谱与红外光谱分析方法比较第25页，课件共121页，创作于2023年2月26InformationobtainedfromRamanspectroscopy拉曼光谱的信息characteristicRamanfrequencies拉曼频率的确认compositionofmaterial物质的组成e.g.MoS2,MoO3changesinfrequencyofRamanpeak拉曼峰位的变化stress/strainState张力

/应力

e.g.Si10cm-1shiftper%strainpolarizationofRamanpeak拉曼偏振crystalsymmetryandorientation晶体对称性和取向e.g.orientationofCVDdiamondgrainswidthofRamanpeak拉曼峰宽qualityofcrystal晶体质量e.g.amountofplasticdeformationintensityofRamanpeak拉曼峰强度amountofmaterial物质总量e.g.thicknessoftransparentcoatingparallelperpendicular第26页，课件共121页，创作于2023年2月272.2拉曼峰的辩别a:只要是拉曼散射就会有斯托克斯线和反斯托克斯线同时对称出现斯托克斯散射反斯托克斯线第27页，课件共121页，创作于2023年2月28b:拉曼峰的频移与激发波长无关（改变激发波长）拉曼峰的频移与激发波长无关，即拉曼峰相对频移量不变。第28页，课件共121页，创作于2023年2月29c:通过工具书，核对所用激光波长中含有的等离子线第29页，课件共121页，创作于2023年2月302.3

红外与拉曼谱图对比红外光谱：光能团测定;拉曼光谱：分子骨架测定聚对苯二甲酸乙二酯(面外变形）第30页，课件共121页，创作于2023年2月31PMMA在拉曼光谱的低频率区出现了较为丰富的谱带信号，其红外光谱的同一区域中的谱带信息都很弱。PMMA的C=O及C-O振动模式在红外光谱中有强烈的吸收，而C一C振动模式在拉曼谱中较为明显。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)第31页，课件共121页，创作于2023年2月32许多情况下，拉曼频率位移的程度正好相当于红外吸收频率；分子对称性越高，红外与拉曼光谱的区别就越大；非极性官能团的拉曼散射谱带较强，极性官能团的红外谱带较为强烈；碳链的取代基用红外较易测出，而碳链振动用拉曼光谱较清楚。第32页，课件共121页，创作于2023年2月332.4拉曼光谱的特点和主要困难拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2-3数量级）。激光激发强；拉曼信号频率离激光频率很近。激光瑞利散射比拉曼信号强1010－1014，对拉曼信号干扰很大。拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度（体现在弱信号检测的高信噪比），才能有效地收集拉曼谱。1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈的主要原因。第33页，课件共121页，创作于2023年2月343.1色散型激光拉曼光谱仪拉曼光谱仪主要由五个基本部件组成：1、用于激发被测样品的激发光源（激光）。2、收集散射光光学系统。3、把散射光中不同频率的光分开的分光光度计（单色器）。4、测量各种不同散射光频率的检测器。5、用于单色器扫描控制、数据采集/处理和数据分析的操作软件。三拉曼光谱仪简介色散型拉曼光谱仪光源样品装置单色器信号处理系统第34页，课件共121页，创作于2023年2月35

色散型拉曼光谱仪大都采用可见光作激发光源和光栅分光得到拉曼光谱。这类光谱仪存在的缺点：（1）采用可见光激发，容易产生荧光。在生物大分子分析时将拉曼光谱掩盖，造成高背景。（2）可见光能量高，样品易光解，热解。（3）使用光栅分光和狭缝，光谱分辨率受到限制，光谱波数的重现性和精度差。用标准样品校正波数，狭缝限制了光通量，信噪比不高。第35页，课件共121页，创作于2023年2月36傅立叶变换拉曼光谱仪与色散型拉曼光谱仪完全不同，它主要由以下几个部分组成：激光光源，样品室，相干滤波器，Michelson干涉仪，检测器，计算机处理数据（进行傅立叶变换）。傅立叶变换拉曼光谱仪的光路图3.2傅立叶变换拉曼光谱仪第36页，课件共121页，创作于2023年2月37FT-Raman光谱仪与激光拉曼光谱仪的不同之处1.采用1064nm的Nd:YAG红外激光代替了通常的可见激光。用以调整和校正仪器的方便。2.采用Michelson干涉仪代替通常的光栅单色器。瑞利散射光的降低采用介质膜棱光镜（也称光学过滤器），它可放在样品光路和干涉仪之间。3.探测器采用对近红外有灵敏效应的Ge二极管和InGaAs探测器。傅立叶变换，获得拉曼位移即拉曼光强。第37页，课件共121页，创作于2023年2月38FT-Raman光谱的特点：（1）由于采用近红外激光激发，可避免荧光干扰，扩大Raman光谱的应用范围，有很高的信噪比。（2）用近红外光激发，能量低，可避免样品的光解和热解。（3）傅立叶变换拉曼有分辨率高，波数精确和重现性好的优点。测量精度可达到10-3cm-1并且重现性好。（4）FT-Raman光谱仪可消除瑞利谱线，瑞利线的存在将使弱拉曼谱线变的模糊。（5）近红外光在光导纤维中传递性能好，可用于遥感检测。第38页，课件共121页，创作于2023年2月39四拉曼光谱应用拉曼光谱是一种快速、简单、可重复无损分析技术只要涉及分子组成和分子微环境变化

(包括结构、构型、构像、有序性、分子相互作用、相变化等)的现象都可用拉曼光谱来研究.拉曼光谱是在化学、化工、聚合物、药物、刑侦生物和医学，食品、珠宝、材料、地质、考古、环境等领域都有巨大前景的分析技术第39页，课件共121页，创作于2023年2月40IF=3.087

第40页，课件共121页，创作于2023年2月414.1拉曼光谱在化学研究中的应用有机化学：结构鉴定和分子相互作用无机化合物：配位化合物的组成、结构和稳定性等信息，晶型结构。催化化学：催化剂及表面上物种的结构信息，催化剂制备过程进行实时研究。电化学：分子水平上研究电化学界面结构、吸附和反应等基础问题第41页，课件共121页，创作于2023年2月42由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：2）红外光谱中，由CN，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。3）环状化合物的对称振动常常是最强的拉曼谱带。1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼谱带，随单键双键三键谱带强度增加。拉曼光谱与红外光谱合称为振动光谱，二者互补，称为姐妹光谱。第42页，课件共121页，创作于2023年2月434）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，这类键的反对称伸缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。5）C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。6）醇和烷烃的拉曼光谱是相似的：I.C-O键与C-C键的力常数或键的强度没有很大差别。II.羟基和甲基的质量仅相差2单位。III.与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。第43页，课件共121页，创作于2023年2月44拉曼光谱在无机体系研究中的应用

因为在振动过程中，水的极化度变化很小，因此其拉曼散射很弱，干扰很小。第44页，课件共121页，创作于2023年2月454.2文物颜料无损分析手持式拉曼光谱仪器第45页，课件共121页，创作于2023年2月46Characteristicbandsofcarbonblack:1598cm-1、1366cm-1

Ramanspectraofblackpigment第46页，课件共121页，创作于2023年2月47Characteristicbandsofemerald:859cm-1、547cm-1

Ramanspectraofgreenpigment祖母绿第47页，课件共121页，创作于2023年2月48Characteristicbandsof【Na8(Al6Si6O24)】Sn：545cm-1、1096cm-1Ramanspectraofbluepigment第48页，课件共121页，创作于2023年2月494.3拉曼光谱在材料研究中的应用4.3.1拉曼光谱在高分子材料研究中的应用拉曼光谱的选择定则与高分子构象凡是有对称中心的分子,IR与RAMAN没有频率相同的谱带:可帮助推测聚合物的构象。

比较理论结果与实际测量的光谱，可以判断所提出的结构模型是否准确。这种方法在研究小分子的结构及大分子的构象方面起着很重要的作用。第49页，课件共121页，创作于2023年2月504.3.2医用高分子材料FT—Raman光谱是研究此类体系的较好技术。图中1808cm-1和1739cm-1处的二条谱带为酸酐的特征峰。随着不断水解，这两条谱带的强度不断减弱，这说明随着高聚脂肪酸酐的水解，其酸酐含量在逐渐降低。

高聚脂肪酸酐水解过程的FT—Raman光谱图第50页，课件共121页，创作于2023年2月514.4在生物大分子研究中的应用

已有数十种以上的酶、蛋自质、胶抗体、毒素等用拉曼光谱进行了研究。上图是人体碳酸酐酶-B的拉曼光谱。可以观察到构成人体碳酸酐酶-B的各种氨基酸，以及特征化学键基团的拉曼谱带。如果进一步能对谱带进行详细的解析则可在构象、氡键和氨基酸残基周围环境等方面。第51页，课件共121页，创作于2023年2月52五表面增强拉曼光谱

(Surface-enhancedRamanSpectroscopy，SERS)1974年Fleischmann

等在电化学粗糙的Ag电极上得到高质量的吡啶的表面拉曼光谱－归结为因粗糙电极表面积增加所导致的表面吸附分子浓度的增加。1976年VanDuyne

等系统研究了相同体系，排除了分子浓度增加因素和共振效应后指出:5-6个数量级的增强是来自一种与粗糙的电极表面相关表面增强效应。能有效避免溶液相中相同物种的信号干扰,获取高质量的与表面单层或亚单层物种相关的表面拉曼光谱信号。5Å~0.5mm106第52页，课件共121页，创作于2023年2月53注意：需要纳米级结构（粗糙表面或纳米粒子），只有Ag、Cu、Au才具有很强的SERSSERS和常规拉曼光谱相比，部分谱峰的相对强度发生明显的变化.表面第一层分子的增强因子约为其它层的100倍左右。只有当吸附分子以化学成键或形成表面络合物的方式吸附在金属表面才可能表现出非常高的增强因子.分子吸附在某些特殊的活性位上才产生SERS信号.第53页，课件共121页，创作于2023年2月54SERS使与金属相连的分子层的散射信号增强105-106倍,使拉曼技术成为表面化学，表面催化，各种涂层分析的重要手段，可以对靠近基底的单分子层进行高灵敏度的检测。可以观测覆盖在聚合物膜下面的氧化物的生成过程。因而,SERS可以作为一种原位判断表面膜耐腐蚀性能的手段.5.1聚合物对金属表面的防蚀性能第54页，课件共121页，创作于2023年2月55用SERS研究聚合物对金属表面的防蚀性能

氮杂环化合物在铜及其合金的防腐蚀方面有着广泛的用途。这是因为在共吸附氧的作用下，咪唑类化合物在铜或银等表面形成了致密的抗腐蚀膜。苯并三氮唑聚苯并咪唑聚苯并三氮唑及聚苯并咪唑混合溶液处理铜片之后第55页，课件共121页，创作于2023年2月56光滑银片表面的红外反射吸普通拉曼光谱硝酸刻蚀后的粗糙的银表面图2—57(c)呈现了清晰的拉曼谱带，但与PAN的拉曼光谱完全不同，拉曼线1600cm-1，1080cm-1，1000cm-l是典型的芳环的振动。推测：PAN在银表面已经被催化环化了。而红外光谱显示的聚合膜本体仍然是PAN，因而可以推测，只有与银直接相连的界面相是环化了的产物。聚丙烯腈（PAN)5.2表面增强拉曼光谱在材料表面化学研究中的应用SERS第56页，课件共121页，创作于2023年2月57涂在银表面的、厚度约为300nm的PAN的光谱。样品在测试光谱之前，曾在80℃分别加热24h和6h。红外普通拉曼SERS第57页，课件共121页，创作于2023年2月58作业：1.解释斯托克斯线和反斯托克斯线。2.判断分子红外或拉曼活性的法则？3.比较红外光谱与拉曼光谱的异同。End

第58页，课件共121页，创作于2023年2月59拉曼光谱的特点和主要困难拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2－3数量级）。激光激发强。拉曼信号频率离激光频率很近。激光瑞利散射比拉曼信号强1010－1014，对拉曼信号干扰很大。拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度（体现在弱信号检测的高信噪比），才能有效地收集拉曼谱。第59页，课件共121页，创作于2023年2月60hv0瑞利线反斯托克斯线斯托克斯线v=1E0E1h(v0+v1)(v0+v1)(v0-v1)v0hv1hv0hv0hv0h(v0-v1)v=0第60页，课件共121页，创作于2023年2月61拉曼散射（Raman

）非弹性碰撞，有能量交换，波长有变化样品池透过光λ不变λ不变瑞利散射拉曼散射λ增大λ减小一、激光拉曼光谱基本原理1928年印度物理学家RamanCV发现；1960年快速发展瑞利散射（Rayleigh）仅改变方向，波长不变。弹性碰撞无能量交换散射:低效率,瑞利10-3;拉曼10-6;激光(102-103mW)第61页，课件共121页，创作于2023年2月62RamanspectrumofCCl4拉曼光谱的基本原理处于基态的分子总是占绝大多数，所以斯托克斯线强度远远高于反斯托克斯线强度。斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比可用这样一个式子表示：第62页，课件共121页，创作于2023年2月63拉曼～10-30cm2/分子红外～10-20cm2/分子荧光～10-16cm2/分子灵敏度低I入射=(103-105)I瑞利I瑞利=(103-106)I拉曼分子与光子作用截面（Cross-Section)第63页，课件共121页，创作于2023年2月64c:通过工具书，核对所用激光波长中含有的等离子线第64页，课件共121页，创作于2023年2月652红外光谱与拉曼光谱的比较FT-IRTransmissionSpectrum20406080%TransmittanceRamanSpectrum1234RamanIntensity1000200030004000第65页，课件共121页，创作于2023年2月663拉曼光谱仪仪器简介(1)色散型激光拉曼光谱仪(2)傅立叶变换拉曼光谱仪第66页，课件共121页，创作于2023年2月67(1)色散型激光拉曼光谱仪拉曼光谱仪主要由五个基本部件组成：1、用于激发被测样品的激发光源（激光）。2、收集散射光光学系统。3、把散射光中不同频率的光分开的分光光度计（单色器）。4、测量各种不同散射光频率的检测器。5、用于单色器扫描控制、数据采集/处理和数据分析的操作软件。色散型拉曼光谱仪光源样品装置单色器信号处理系统第67页，课件共121页，创作于2023年2月68(2)傅立叶变换拉曼光谱仪

色散型拉曼光谱仪大都采用可见光作激发光源和光栅分光得到拉曼光谱。这类光谱仪存在的缺点：（1）采用可见光激发，容易产生荧光。在生物大分子分析时将拉曼光谱掩盖，造成高背景。（2）可见光能量高，样品易光解，热解。（3）使用光栅分光和狭缝，光谱分辨率受到限制，光谱波数的重现性和精度差。用标准样品校正波数，狭缝限制了光通量，信噪比不高。第68页，课件共121页，创作于2023年2月69傅立叶变换拉曼光谱仪组成傅立叶变换拉曼光谱仪与色散型拉曼光谱仪完全不同，它主要由以下几个部分组成：激光光源，样品室，相干滤波器，Michelson干涉仪，检测器，计算机处理数据（进行傅立叶变换）。傅立叶变换拉曼光谱仪的光路图第69页，课件共121页，创作于2023年2月70FT-Raman光谱仪与激光拉曼光谱仪的不同之处1.采用1064nm的Nd:YAG激光代替了通常的可见激光。用以调整和校正仪器的方便。2.采用Michelson干涉仪代替通常的光栅单色器。瑞利散射光的降低采用介质膜棱光镜（也称光学过滤器），它可放在样品光路和干涉仪之间。3.探测器采用对近红外有灵敏效应的Ge二极管和InGaAs探测器。傅立叶变换，获得拉曼位移即拉曼光强。第70页，课件共121页，创作于2023年2月71FT-Raman光谱的特点：（1）由于采用近红外激光激发，可避免荧光干扰，扩大Raman光谱的应用范围，有很高的信噪比。

（2）用近红外光激发，能量低，可避免样品的光解和热解。（3）傅立叶变换拉曼有分辨率高，波数精确和重现性好的优点。测量精度可达到10-3cm-1并且重现性好。（4）FT-Raman光谱仪可消除瑞利谱线，瑞利线的存在将使弱拉曼谱线变的模糊。（5）近红外光在光导纤维中传递性能好，可用于遥感检测。第71页，课件共121页，创作于2023年2月72(3)共焦显微拉曼光谱仪进入90年代，拉曼光谱仪的研制获得了重要进展。研制出新一代激光共焦显微拉曼光谱仪。第72页，课件共121页，创作于2023年2月73DetectorObjectiveSampleAdjustz-axiswithscopefocusknobNon-Destructivedepthanalysis Dependantonaperturesizeandobjective Depthselectedbyfocusingz-axisofscopestage第73页，课件共121页，创作于2023年2月74第74页，课件共121页，创作于2023年2月75第75页，课件共121页，创作于2023年2月76第76页，课件共121页，创作于2023年2月77第77页，课件共121页，创作于2023年2月7827microndepth10microndepth17microndepthRamanIntensity40060080010001200140016001800Raman

shift(cm-1)第78页，课件共121页，创作于2023年2月79

显微的MAPPING功能结合专用的显微镜软件．可以对样品表面进行全面地分析，提供样品每一点的各种信息．并可以将采集到的数据以多种方式显示到屏幕上，例如等高图、立体图、瀑布图、拉曼图、微区图等，使分析结果更直观MAPPING第79页，课件共121页，创作于2023年2月80DispersiveRamanMicroscopeMapofAcetaminopheninTablet第80页，课件共121页，创作于2023年2月81DispersiveRamanMicroscopeMapsofAll3ComponentsinthetabletAcetaminophenCaffeineAspirin第81页，课件共121页，创作于2023年2月82仪器的收集，传输和检测效率单个分子的微分散射截面cm2molecule-1sr-1激光功率密度photons·s-1·cm-2(或W·s-1·cm-2)分子数密度molecules·cm-3(molecules·cm-2)检测试样体积cm3(cm2)几何因子,与试样形貌有关收集立体角sr光学元件，色散系统的光传输率检测器的量子效率e-·photon-1检测时间s信号电子量4影响拉曼光谱的因素散射信号量的总计算公式第82页，课件共121页，创作于2023年2月83波长的选择Silicon1064nmlaser400Silicon,785nmlaser8000RamanIntensitySilicon,532nmlaser0300050010001500200025003000Raman

shift(cm-1)

拉曼信号的强度正比与散射光频率的四次方I∝1/4

理想的情况是选择避免荧光的最短激光波长第83页，课件共121页，创作于2023年2月84ShorterWavelengthsareNotAlwaysBetter!Over-The-CounterTablet,532laserOver-The-CounterTablet,633nmlaserRamanIntensityOver-The-CounterTablet,785laser050010001500200025003000Ramanshift(cm-1)第84页，课件共121页，创作于2023年2月85Highlyfluorescentsample:Poly(9-vinylcarbazole)第85页，课件共121页，创作于2023年2月86镜头的选择

如果需要高的空间分辨率则应选择高放大倍数的镜头;如50X,100X的镜头对于易挥发,腐蚀性样品的测试则应选择长工作距离的镜头,并且一般还要用PVC或PE薄膜包裹来保护镜头,或者可以在样品上方加窗片来隔离.

如果要高的光收集效率,则选择数字孔径大(通常倍数是高的放大倍数)的镜头第86页，课件共121页，创作于2023年2月87采样过程2:积分时间和累计次数积分时间越长信号就越强,但积分时间太长,CCD曝光饱和,故要想进一步提高谱图质量就要增加累计次数.3:光栅的选取:采谱范围的选择1800道的光栅分光能力强,光谱分辨率高,但信号强度低,一次采谱范围窄.300道的光栅分光能力弱,光谱分辨率低,但信号强度高,一次采谱范围宽.

1:样品状态处理,固体,液体的样品浓度要提高谱图质量,不仅要优化仪器采谱参数,还应尽量提高采谱体积内的样品量,如对于粉末样品,压片平整的表面就更利于拉曼信号的测试,液体样品浓度高则信号强，尽量拉长光程。第87页，课件共121页，创作于2023年2月88激光功率密度问题在共聚焦显微拉曼仪器中,激光经显微镜镜头聚焦于采样点，即使使用的激光功率很低,到达样品采样点处的激光功率密度仍然很大.考虑样品的承受能力，激光功率密度不能太高，否则可能由于光热或光解作用而使样品发生变化。方法有:采用能量低的激发光降低激光功率:使用衰减片降低激光功率;小倍数的收集透镜离焦:让样品脱离激光聚焦焦点,功率密度即成指数下降第88页，课件共121页，创作于2023年2月89Sample：CopperComplexes（铜配合物）Experimentalcondition:514.5nmundamagedsample--exposuretime:10s;Accumulations:1;laserpower:10%damagedsample--exposuretime:10s;Accumulations:1;laserpower:50%第89页，课件共121页，创作于2023年2月90第90页，课件共121页，创作于2023年2月91距离(m)直径(m)功率密度拉曼强度01100100106.90.25502516.80.04313离焦方法原理第91页，课件共121页，创作于2023年2月92离焦防止光解的例子第92页，课件共121页，创作于2023年2月93拉曼散射的定量分析I=KФ0C∫e-(ln10)(k0+k)zh(z)dzI为拉曼信号强度，K为拉曼散射面积，Ф0为激光功率，C为样品浓度在特定条件下，拉曼信号强度与样品浓度成正比，这是拉曼光谱进行定量检测的依据。第93页，课件共121页，创作于2023年2月9453%郎酒45%古井贡38%古井贡53.2%46.6%39.4%第94页，课件共121页，创作于2023年2月95SpatialResolutiondependantonlaserspotsizeandaperturesize.Objectives785nmlaser633nmlaser532nmlaser20x10um8.6um7um50x4um3.4um2.9um100x2um1.7um1.4umTogetthehighestspatialresolution,usetheshortestwavelengthlaser,thehighestobjectiveandthesmallestaperture.第95页，课件共121页，创作于2023年2月96TradingspectralresolutionforthroughputIntensityincreases7fold,resolutiondecreases5fold100um30um15umIncreasingtheentranceslitincreasesthroughputbutdecreasesresolutionRamanspectrumofCCl4,10-1secaccumulationswithdifferentslitsetting第96页，课件共121页，创作于2023年2月97五拉曼光谱应用拉曼光谱是一种快速、简单、可重复无损分析技术只要涉及分子组成和分子微环境变化(包括结构、构型、构像、有序性、分子相互作用、相变化等)的现象都可用拉曼光谱来研究.拉曼光谱是在化学、化工、聚合物、药物、刑侦生物和医学，食品、珠宝、材料、地质、考古、环境等领域都有巨大前景的分析技术第97页，课件共121页，创作于2023年2月981拉曼光谱在化学研究中的应用有机化学：结构鉴定和分子相互作用无机化合物：配位化合物的组成、结构和稳定性等信息，晶型结构。催化化学：催化剂及表面上物种的结构信息，催化剂制备过程进行实时研究。电化学：分子水平上研究电化学界面结构、吸附和反应等基础问题第98页，课件共121页，创作于2023年2月992拉曼光谱在高分子材料中的应用（1）化学结构和立构性判断（2）组分定量分析（3）晶相与无定形相的表征以及聚合物结晶过程的监测。（4）高分子反应的聚合、裂解和结晶等动力学过程研究。（5）高分子分子构型或构象等方面的研究（6）聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究。（7）复合材料应力松弛和应变过程的监测。（8）聚合反应过程和聚合物固化过程监控。第99页，课件共121页，创作于2023年2月1003拉曼光谱在结构生物学研究中的应用（1）蛋白质二级结构：α-螺旋、β-折叠、无规卷曲及β-回转（2）蛋白质主链构像：酰胺Ⅰ、Ⅲ，C-C、C-N伸缩振动（3）蛋白质侧链构像：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的侧链和后二者的构像及存在形式随其微环境的变化（4）对构像变化敏感的羧基、巯基、S-S、C-S构像变化（5）生物膜的脂肪酸碳氢链旋转异构现象。（6）DNA分子结构以及和DNA与其他分子间的作用。（7）研究脂类和生物膜的相互作用、结构、组分等。（8）对生物膜中蛋白质与脂质相互作用提供重要信息。第100页，课件共121页，创作于2023年2月1014拉曼光谱在中草药研究中的应用（1）中草药化学成分分析（2）中草药的无损鉴别（3）中草药的稳定性研究（4）中药的优化利用拉曼光谱无损采集细菌和细胞的光谱图，观察细菌和细胞的损伤程度，研究其药理作用，并进行中药材、中成药和方剂的优化研究。第101页，课件共121页，创作于2023年2月102TiO2晶型分析第102页，课件共121页，创作于2023年2月103单质碳第103页，课件共121页，创作于2023年2月104高分子鉴别第104页，课件共121页，创作于2023年2月105Nylon60.5

3.0Nylon660.5

500100015002000250030001079.891281.421303.60Nylon6

1.0

2.0

953.571062.531129.071297.81Nylon66

1.0

2.0

900

1100

1300

150017003.0FullSpectrumExpandedFingerprintRegionNylon6andNylon66第105页，课件共121页，创作于2023年2月106枸杞子第106页，课件共121页，创作于2023年2月107a天麻b羊角天麻药材鉴别第107页，课件共121页，创作于2023年2月108翡翠鉴定第108页，课件共121页，创作于2023年2月109RamanstudyofchemicalcompositionoftoothhardtissueToothhardtissueenameldentincementum第109页，课件共121页，创作于2023年2月110WO3准一维纳米线在低温时的结构相变第110页，课件共121页，创作于2023年2月111拉曼光活