【武汉大学分析化学下】仪器分析 第11章 激光拉曼光谱分析法

11.4.1 定性分析
• 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。
• 11.4.3.1 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（Resonance Raman） 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10-6～10-8 mol 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。
11.2 基本原理
• 11.2.1 Raman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。
11.3.2 傅里叶变换Raman光谱仪
• 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
• 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。
11.4.3 其他Raman光谱法
• 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。 • 由于表面增强Raman光谱法灵敏度高，它已成为表面科 学、催化、电化学等领域的重要研究手段。其定量分析 检出限可达纳克或亚纳克级。若它与电化学方法联用， 可以研究许多生物物质，如氧合血红蛋白、肌红蛋白、 腺苷、多肽、核酸等。 • 将表面增强Raman光谱和共振Raman光谱技术联用时， 其检出限可达10-9～10-12 mol L-1。
11.4 激光Raman光谱法的应用
• 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。
11.4.2 定量分析
• 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。
11.4.3 其他Raman光谱法
11.2.3 退偏比
• 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
ρ p＝
3(β )2⊥ 45(α )2 +4(β )2
• 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。
11.4.1 定性分析
• 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。
第11章 激光拉曼光谱分析法
• 光是电磁辐射，其作用于物质，光子与 物质分子发生碰撞时，产生散射光。 • 当物质颗粒尺寸等于或大于入射光波长， 产生丁达尔散射。 • 当物质颗粒尺寸小于入射光波长，产生 拉曼散射和瑞利散射。 • 弹性碰撞时 无能量交换，且不改变频 率，,仅改变运动方向，称瑞利散射； • 非弹性碰撞不但改变方向，还有能量交 换和频率改变，称拉曼散射。
11.2.4 Raman光谱与红外吸收光谱的比较
11.3 激光Raman光谱仪
• 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：
样品室 双单色仪 检测和记录
激光器
11.3.1 色散型Raman光谱仪
• 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。
11.2.1 Raman散射与Raman位移
11.2.1 Raman散射与Rห้องสมุดไป่ตู้man位移
• 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 Δ E ，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 +Δ E，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。
11.3.1 色散型Raman光谱仪
• 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。
11.2.2 Raman光谱图与Raman光强度
• 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。
11.1 概论
• 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50～4000 cm-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10-6～10-8 mol· L-1。
11.2.3 退偏比
• 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。