红外和拉曼原理及性能分析
拉曼光谱、红外光谱、XPS的原理及应用
拉曼光谱、红外光谱、XPS的原理及应用拉曼光谱的原理及应用拉曼光谱由于近几年来以下几项技术的集中发展而有了更广泛的应用。
这些技术是：CCD检测系统在近红外区域的高灵敏性，体积小而功率大的二极管激光器，与激发激光及信号过滤整合的光纤探头。
这些产品连同高口径短焦距的分光光度计，提供了低荧光本底而高质量的拉曼光谱以及体积小、容易使用的拉曼光谱仪。
1. 含义光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。
当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。
在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。
由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。
因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。
目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。
2.拉曼散射光谱具有以下明显的特征：a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关；b.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。
c.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。
这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。
3.拉曼光谱技术的优越性提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量，此外。
①由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。
傅里叶红外光谱和拉曼光谱的区别和联系与区别
傅里叶红外光谱和拉曼光谱的区别和联系与区别
傅里叶红外光谱和拉曼光谱都是分析物质结构和组成的常用技术手段，但二者也存在一些区别和联系：
区别：
1. 基础原理不同：傅里叶红外光谱利用物质分子在红外区域吸收能量的原理，而拉曼光谱则是利用分子在受到激光激发后，发生分子振动而产生散射光的原理。
2. 待测物质不同：傅里叶红外光谱适用于测定分子中存在的不对称振动和对称振动，而拉曼光谱则更适合测定分子中的小振动和大振动。
3. 信号强度不同：傅里叶红外光谱信号强度较高，适用于测定含量较高的样品。
而拉曼光谱信号较弱，更适用于测定稀释度较高的样品。
联系：
1. 都可以提供关于分子结构和组成的信息，有助于分析样品中的化学成分、功能组或配体等。
2. 二者都可以用于检测食品、药物、化妆品等领域的原料和成品。
3. 在谱图分析方面，两者都可以用于进行比较、鉴别和定量分析。
红外光谱和拉曼光谱的原理
红外光谱和拉曼光谱是常用的分析技术，可以用于研究物质的结构、组成和性质。
它们基于不同的原理，下面简要介绍一下它们的工作原理：
1.红外光谱（Infrared Spectroscopy）：
红外光谱利用物质与红外辐射（波长范围通常为2.5-25微米）的相互作用来研究物质的分子结构和化学键的振动状态。
其原理基于分子吸收红外辐射时，物质中的原子核和化学键会被激发，产生特定的振动和转动。
当物质受到红外光源照射后，通过测量样品对不同波长红外光的吸收程度，可以得到红外光谱图。
红外光谱图上的峰值位置和强度提供了关于物质中的化学键种类、官能团和分子结构的信息。
2.拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：
拉曼光谱则利用物质与激光光源相互作用时，散射光中的微小频率偏移来分析物质的结构和振动信息。
当样品受到激光照射时，其中的分子会发生拉曼散射现象，即散射光中的部分光子与物质相互作用后发生能量的频移。
这种频移对应着分子的振动和转动模式。
通过测量样品散射出来的光的频率变化，可以获取拉曼光谱图。
拉曼光谱图上的峰值位置和强度提供了关于物质所含化学键、官能团和结构的信息。
3.总结：
红外光谱和拉曼光谱都是通过物质与不同光源的相互作用来研究其结构和性质。
红外光谱利用物质对红外辐射的吸收来分析物质的化学键振动，而拉曼光谱则是通过测量散射光的频率变化来分析物质的振动信息。
两种技术在分析样品成分、鉴定物质、研究反应机理等方面都有广泛的应用。
红外光谱和拉曼光谱的原理与应用
红外光谱和拉曼光谱的原理与应用光谱学是一门研究物质与辐射相互作用的科学，它可以通过测量物质与辐射的吸收、发射或散射光的能量来研究物质的结构和特性。
其中，红外光谱和拉曼光谱是两种常用的光谱分析技术。
一、红外光谱红外光谱是研究物质与电磁辐射相互作用的一种重要手段。
它利用物质分子的振动和转动引起的入射光吸收现象来分析物质的成分和结构。
在红外光谱中，常用的测量方法有透射法、反射法和散射法。
透射法是红外光谱中最常见的测量方法之一。
通过将待测样品置于光束中，测量光束通过物质后的光强变化，可以得到物质对不同波长的红外光的吸收情况，从而得到红外光谱图谱。
透射法测量速度快，测量结果准确可靠，被广泛应用于材料科学、环境监测、食品安全等领域。
反射法是另一种常用的红外光谱测量方法。
它利用样品对入射光的反射来测量样品的红外光谱。
与透射法相比，反射法无需对样品进行任何处理，能够快速测量样品的红外光谱，适用于表面或薄膜等样品的分析。
散射法是红外光谱中较为特殊的一种测量方法。
它利用样品对入射光的散射来获取样品的光谱信息。
散射法可以用于非晶态、多相和粉末样品的红外光谱测量，并且对样品形态、结构和成分变化不敏感，具有很高的灵敏度和分辨率。
红外光谱在许多领域都有着广泛的应用。
例如，在药物分析中，红外光谱可以用于药物的定性和定量分析，以及药物与载体的相互作用研究。
在环境监测中，红外光谱可以用于水污染和大气污染物的检测和分析。
在食品安全领域，红外光谱可以用于检测食品中的添加剂、农药残留和营养成分等。
二、拉曼光谱拉曼光谱是一种通过测量物质散射光的频率变化来分析物质结构和成分的技术。
它是由物理学家拉曼于1928年发现的一种光谱现象，后来被广泛应用于化学、生物和材料科学等领域。
拉曼光谱的测量原理是利用激光照射样品后，样品会散射出经过激光光线与物质相互作用后产生的较高或较低频率的散射光，这些散射光中含有关于样品分子振动和旋转的信息。
通过测量散射光的频率变化，可以获得样品的拉曼光谱图谱。
拉曼光谱与红外光谱的区别
拉曼光谱和红外光谱是两种常用的光谱分析技术，它们在分子结构和化学成分分析方面有 一些区别。
1. 原理：拉曼光谱是通过测量样品散射光的频移来分析样品的分子振动和转动模式。而红 外光谱是通过测量样品吸收红外光的频率来分析样品的分子振动模式。
2. 能量变化：拉曼光谱是非弹性散射，测量的是光子与分子相互作用后的能量变化。红外 光谱是通过分子吸收红外光的能量来分析分子的振动模式。
拉曼光谱与红外光谱的区别
3. 可测量的范围：拉曼光谱可以测量分子的振动和转动模式，包括低频和高频振动。红外 光谱主要用于测量分子的振动模式，包括伸缩振动和弯曲振动。
4. 样品要求：拉曼光谱对样品的要求相对较松，可以测量固体、液体和气态。
5. 信息获取：拉曼光谱提供了关于分子的化学键和结构的信息，能够检测非常细微的结构 变化。红外光谱提供了关于分子的官能团和官能团之间的化学键的信息，能够确定化合物的 功能团。
拉曼光谱与红外光谱的区别
总的来说，拉曼光谱和红外光谱是两种互补的光谱技术，可以提供不同层面的分子结构和 化学成分信息。选择使用哪种技术取决于所需的分析目的和样品特性。
拉曼光谱和红外光谱
拉曼光谱和红外光谱拉曼光谱和红外光谱是光谱学的两个重要分支。
拉曼光谱是一种分子光谱学，它能够通过对振动分子的分析来测量它们的结构特征。
红外光谱是一种从热释放模式中获取分子结构信息的技术，它可以用来研究分子的结构特性，以及分子之间的相互作用。
拉曼光谱和红外光谱的主要原理都是利用分子的振动模式来获取分子的结构特征。
拉曼光谱的基本原理是，当分子振动时，它们会发出不同频率的能量，从而产生特定的光谱特征。
红外光谱的原理是，当分子热力学升温或热损耗时,它们会发出不同频率的红外能量，从而产生特定的红外光谱特征。
拉曼光谱和红外光谱在分子结构表征和分析中都有着重要的作用。
拉曼光谱可以用来获取分子的精细结构信息，不仅可以测定分子的化学结构，而且还可以测定其中的振动模式，用来描述分子的构型。
红外光谱可以用来获取分子的粗略结构信息，可以用来确定分子的结构特征，并给出分子的相互作用方式，从而为分子的设计和研究提供重要的参考。
拉曼光谱和红外光谱的应用的领域有很多，比如材料科学中的结构表征和分析、生物学中的细胞标志物、医学中的癌症检测、化学反应动力学和能量转化等，以及环境污染检测等等。
拉曼光谱和红外光谱均可用来研究多种不同的物质，包括气体和液体，甚至于有机物、无机物和络合物等。
拉曼光谱和红外光谱技术是一种非常重要的分子表征和分析技术，它在材料科学、生物学、化学、环境学和医学等领域有着广泛的应用。
它们的结构表征和分析技术特别重要，可以深入地研究物质的性质，为分子设计和研究奠定基础。
综上所述，拉曼光谱和红外光谱是光谱学的重要分支，它们可以用来获取分子结构特征，在材料科学、生物学、化学、环境学和医学等领域有着广泛的应用。
拉曼光谱和红外光谱分析和表征技术有助于深入研究物质的性质，为分子工程提供重要的参考。
红外与拉曼比较
对称分子：
对称振动→拉曼活性。
不对称振动→红外活性
2024/10/15
4. 红外与拉曼谱图对比
红外光谱：基团； 拉曼光谱：分子骨架测定；
2024/10/15
红外与拉曼谱图对比
2024/10/15
5.选律 1 S C S
振动自由度：3N- 4 = 4
拉曼活性
2 S C S
红外活性
3 S C S
4
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。
2024/10/15
2941，2927cm-1 ASCH2 2854cm-1 SCH2 1444，1267 cm-1 CH2
1029cm-1 （C-C） 803 cm-1环呼吸
2024/10/15
水可作为溶剂
水不能作为溶剂
样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器 中直接测定
不能用玻璃容器测定
固体样品可直接测定
需要研磨制成 KBR 压片
2024/10/15
二、拉曼光谱的应用
由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息： 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。 2）红外光谱中，由C N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一
3060cm-1r-H) 1600,1587cm-1 c=c)苯环 1039, 1022cm-1单取代
1000 cm-1环呼吸 787 cm-1环变形
2024/10/15
三、激光Raman光谱仪
激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm；
Ar激光器， 波长514.5nm，
488.0nm； 散射强度1/4 单色器： 光栅，多单色器； 检测器： 光电倍增管， 光子计数器；
拉曼光谱跟红外光谱的区别
拉曼光谱跟红外光谱的区别
拉曼光谱和红外光谱是两种不同的光谱技术，有以下几个主要区别：
1. 基本原理：红外光谱是通过测量分子吸收红外光的能量来分析样品的功能团信息，而拉曼光谱则是通过测量样品中分子振动引起的光散射来分析样品的化学结构。
2. 分析范围：红外光谱通常适用于分析样品中的官能团、化学键类型和某些结构特征，而拉曼光谱则可以提供更详细和全面的关于样品分子振动模式和化学结构信息。
3. 样品要求：红外光谱需要样品具有一定的吸收能力，因此大多数有机化合物和无机物都可以进行红外光谱测试。
而拉曼光谱对样品的要求相对较低，可以测试几乎所有类型的样品，包括固体、液体和气体。
4. 干扰因素：红外光谱对水分和二氧化碳有较强的吸收能力，因此在测试液体或气体样品时需要特别注意这些干扰因素。
而拉曼光谱对水和二氧化碳的干扰较小。
5. 仪器配置：红外光谱需要使用红外光源和红外检测器，且样品通常需要准备成KBr片或涂布在红外透明基板上。
而拉曼光谱则需要使用激光光源和拉曼散射检测器。
总的来说，虽然红外光谱和拉曼光谱都可以用于化学分析，但它们的原理、应用范围和仪器配置等方面有着一定的区别。
在
实际应用中，选择使用哪种光谱技术取决于需要分析的样品类型和所关注的分析信息。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
极化率是分子的平均偶极矩u与电场强度E的比 值。符号α ；u=αE 它是统计平均值
20
红外与拉曼谱图对比
红外：基团 拉曼：分子骨架的测定
甲基的特征吸收频率： 2960cm-1 2870cm-1 1460cm-1 1380cm-1
21
红外与拉曼光谱的相互补充
2
红外光谱的表示方法
以透过率T~λ 或T~ν 来表示： ν / cm−1 = 104 /(λ /μm)
T(%)= I/I0×100%， I—透过强度，I0—入射强 度
3
T(%)
红外光谱的区域
4
红外特征吸收产生的条件
产生红外特征吸收的必要条件：
➢辐射光子应具有能满足物质产生振动跃迁所 需的能量 ➢辐射与物质间有相互耦合作用
• 拉曼散射信号的接收类型分单通道和多 通道接收两种。 光电倍增管接收属于单通道接收。
检测记录系统
为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处 理方法是直流放大、选频和光子计数， 然后用记录仪或计算机接口软件画出图 谱。
19
小结：红外与拉曼原理的区别
红外光谱 吸收；分子在振动跃迁过程中有偶极矩的改 变 偶极矩指正、负电荷中心间的距离d和电荷中心 所带电量q的乘积，表达式为μ=qd，方向规定为 从正电中心指向负电中心。
E0 + h0 h0
h0 h0
E1
V=1
E0
V=0
h(0 - )
h0 ( + h0 ， E1 + h0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态.
13
激光拉曼光谱仪
仪器组成
14
光源
• 它的功能是提供单色性好、功率大并且 最好能多波长工作的入射光。目前拉曼 光谱实验的光源己全部用激光器代替历 史上使用的汞灯。对常规的拉曼光谱实 验，常见的气体激光器基本上可以满足 实验的需要，常用氩离子激光器。最常 用的两条激发线的波长分别为 514.5 nm 和 488.0 nm。
• 色散系统使拉曼散射光按波长在空间分 开，通常使用单色仪。主要作用是减少 杂散光对测量的干扰，之后进入光电倍 增管。 单色仪是拉曼光谱仪的心脏，要求环境 清洁，灰尘对单色仪的光学元件镜面的 玷污是严重的，必要时要用洗耳球吹拂 去镜面上的灰尘，但切忌用粗糙的滤纸 或布抹擦，以免划破光学镀膜。
18
接收系统
红外光谱仪的应用
进行化合物的鉴定 进行未知化合物的结构分析 进行化合物的定量分析 进行化学反应动力学、晶变、相变、材料拉伸与 结构的瞬变关系研究 工业流程与大气污染的连续检测 在煤炭行业对游离二氧化硅的监测 卫生检疫，制药，食品，环保，公安，石油， 化工，光学镀膜，光通信， 材料科学等诸多领域珠宝行业的检测 水晶石英羟基的测量 聚合物的成分分析 药物分析......
11
拉曼光谱（Raman spectra）
当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除 有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有和 激发光波长不同的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种 现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新 波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉 曼光谱或拉曼散射光谱。拉曼光谱是通过测定散射光相对 入射光频率的变化来获取分子内部结构信息。
照射过程中，光子与分子 之间没有能量交换，光子 只改变运动方向，不改变 频率
照射过程中，光子与分子 之间发生能量交换，光子 不仅改变运动方向，而且 改变频率
12
Rayleigh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；
激发虚态
E1 + h0
5
对称分子：无偶极矩，辐 射不能引起共振，无红外 活性。 N2、O2、Cl2等。 ——拉曼光谱
非对称分子：有偶极矩， 有红外活性
红外特征吸收产生的条件 ——红外光谱
6
主要有机基团红外振动特征频率——
• 饱和烃：2800-3000cm-1，归属为-CH3，-CH2，-CH 中C--H的伸缩振动
• 烯烃：1650 cm-1，归属为C=C的伸缩振动
谱图信息
主要反映分子的官能团 主要反映分子的骨架，用于分析
生物大分子
23
特有的优势
红外光谱优缺点
应用范围广 特征性强 信号强 提供的信息多 不受样品物态的限制 仪器操作和维护简单，对操作员的素质水平要求较低 数据库比较完善
缺点
(1) 不适合分析含水样品，因为水中的羟基峰对测定有干 扰; (2) 定量分析时误差大，灵敏度低，故很少用于定量分析; (3) 在图谱解析方面主要靠经验。
从下图可见拉曼光 谱较红外光谱谱峰 尖锐，二者官能团 特征频率相近，但 强度有较大区别。
水杨酸的红外 （上图）与拉曼 （下图）谱图
22
红外与拉曼的比较
红外
拉曼
产生的机理 常规测量范围
振动引起分子偶极矩或电 由于键上电子云分布产生瞬间变
荷分布变化产生的
形引起暂时极化，是极化率的改
变，产生诱导偶极，当返回基态
10
以光栅为分光元件的红外光谱仪不足之处： • 需采用狭缝，光能量受到限制； • 扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪 器联
用； • 不适于过强或过弱的吸收信号的分析。 傅立叶变换红外光谱仪
——利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光 度仪
特点： 检测器直接检测样品与红外光的干涉光，
无光栅和单色器，能量高、响应快。 与时间分辨技术配合，可以跟踪毫微秒级瞬时过程。 其能量大、灵敏度和分辨率，准确度均高。分辨率可达 0.1-0.005cm-1。
24
拉曼光谱优缺点
特有的优势
•一些在红外光谱中为弱吸收或强度变化的谱带，在
拉曼光谱中可能为强谱带，从而有利于这些基团的
检出。
• 拉曼光谱低波数方向的测定范围宽，有利于提供重
原 子的振动信息。红外需要进行光谱扩展才可实现
低波数测试。
• 对于结构的变化，拉曼光谱有可能比红外光谱更敏
感。
• 特别适合于研究水溶液体系。
15
外光路系统
• 外光路部分包括聚光、集光、样品 架．滤光和偏振等部件。
(1) 聚光：用一块或二块焦距合适的汇聚透镜， 使样品处于汇聚激光束的中部，以提高样品光 的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功率 比不用透镜汇聚前增强105倍。
(2) 集光：常用透镜组或反射凹面镜作散射光 的收集镜。通常是由相对孔径数值在1左右的 透镜组成。为了更多地收集散射光，对某些实 验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加 反射镜。
• 比红外光谱有更好的分辨率。
• 固体样品可直接测定，无需制样。
一些缺点
信号强度弱
有荧光干扰
数据库仍然不全
25
26
时发生的散射。散射的同时电子
云也恢复原态
400—4000cm-1
40—4000cm-1
光谱产生的方 式
检测对象
测定要求
水溶液样品
吸收光谱
散射光谱
化学分子的的偶极距
分子的电子云的极化。
能斯特灯、碳化硅棒等作 激光作光源；样品不需前处理 光源；样品需前处理
水的吸收强，严重影响测 吸收弱，可以应用于生物的活体 试结果，限制了应用领域 测试
16
(3) 样品架：样品架的设计要保证使照明最有效 和杂散光最少，尤其要避免入射光进入光谱仪 的入射狭缝。
(4) 滤光：安置滤光部件的主要目的是为了抑制 杂散光以提高拉曼散射的信噪比。
(5) 偏振：做偏振谱测量时，必须在外光路中插 入偏振元件。加入偏振旋转器可以改变入射光 的偏振方向。
17
色散系统
对固定。
7
有机化合物的特征吸收简介 烯烃
环己烯的红外光谱图
8
摄取红外吸收光谱的工具—红外光谱仪
9
红外光谱仪
第一代红外光谱仪：人工晶体棱镜作 FTIR-8400S红外光谱仪（日本，岛津公司） 色散元件 第二代红外光谱仪：光栅作色散元件 第三代红外光谱仪：以干涉仪为分光 器—傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR） 第四代红外光谱仪：用可调激光光源
红外和拉曼原理及性能分析
讲解人：***
• 红外光谱 • 拉曼光谱 • 红外和拉曼光谱对比分析
1
红外光谱
红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结 构和化学组成分析的仪器。红外光谱仪通常由光源，单色器，探测器和计算 机处理信息系统组成。根据分光装置的不同，分为色散型和干涉型。对色散 型双光路光学零位平衡红外分光光度计而言，当样品吸收了一定频率的红外 辐射后，分子的振动能级发生跃迁，透过的光束中相应频率的光被减弱，造 成参比光路与样品光路相应辐射的强度差，从而得到所测样品的红外光谱。
• 炔烃：2100 cm-1，归属为C≡C的伸缩振动
• 酮、醛、酸或酰胺中的羰基：1700 cm-1
• 脂肪化合物中的-OH的振动吸收：3600-3700 cm-1
—— 特定分子或化学键吸收特定频率的红外光，称之为 基团或化学键的特性频率
不同基团或化学键的特性频率不同； 同一基团或化学键的特性频率在不同物质中出现时吸收位置相