拉曼光谱与振动光谱学
生物分子的光谱学分析
生物分子的光谱学分析光谱学是一门研究物质在电磁波谱区吸收、发射、散射等现象的学科。
在生物科学领域，光谱学是一项重要的手段，可以帮助研究者了解生物分子的结构和功能。
本文将介绍几种常见的生物分子光谱学分析方法，包括红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱和紫外光谱。
一、红外光谱红外光谱是研究物质分子振动和转动的光谱学方法。
红外光谱图能够反映出不同波数下样品分子中的振动和转动状态，从而确定分子结构和化学键的类型。
在生物分子研究中，红外光谱技术广泛应用于蛋白质、核酸、多糖和其他生物分子的研究。
通过红外光谱，可以确定生物分子的结构、构象和组成。
例如，红外光谱可用来确定蛋白质的二级结构，通过测量蛋白质的频率区域来捕捉螺旋、折叠和延伸构象所产生的光谱特征。
同时，红外光谱还可以用来检测分子内的氢键以及某些氨基酸的含量。
这些信息对于了解蛋白质的折叠、稳定性和功能至关重要。
二、拉曼光谱拉曼光谱是一种反映物质分子振动和转动信息的非破坏性光谱学方法。
拉曼光谱通过测量样品与激光光束相互作用的散射光谱来研究样品的分子结构与化学键的类型。
与红外光谱不同，拉曼光谱使用可见或近红外激光与样品相互作用，故有更好的空间分辨率和更小的选型效应。
在生物分子研究中，拉曼光谱可用来确定蛋白质、核酸和多糖的三维结构、二级结构及其组成成分。
最近，拉曼光谱已成为生物分子高效直观的表征方法之一。
拉曼光谱可以消除流的影响，即对生物分子进行研究时分子固定位置不变时的分子振动行为，这与其他方法不同。
此外，由于可见和近红外光是拉曼光谱的激发源，所以样品的浓度不影响其结果，这使得拉曼光谱成为一种理想的组成分析技术。
三、荧光光谱荧光光谱是生物分子的激发发射光谱，指的是在样品受到辐射时，样品吸收光能量并排放出发光，常被用于研究DNA、RNA、蛋白质和细胞等生物大分子的结构、功能和活性。
荧光光谱是一种比较灵敏的分析技术，荧光分子对光的响应很敏锐。
在荧光光谱中，荧光发生最强的波长，也就是荧光峰的位置和强度是研究者需要关注的重点。
光谱分析3-拉曼
Huazhong University ofScience and Technology材料分析与表征技术黄云辉材料科学与工程学院拉曼光谱分析§3-1 基本原理§3-1-1 拉曼散射效应拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术，与红外光谱相同，其信号来源与分子的振动和转动。
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。
为表彰拉曼的巨大贡献，印度政府将2月28日定为“拉曼节”。
拉曼光谱与吸收光谱的差异（1）吸收光谱中光子的能量必须等于分子的某两个能级之间的能量差，而拉曼光谱中入射光子的频率和分子跃迁所涉及的能量差之间无确定的关系。
（2）拉曼散射的强度很低，只有入射光的10-7，一般在入射光的垂直方向检测。
（3）拉曼光谱是通过测定散射光相对于入射光频率的变化来获取分子内部结构信息。
二、转动拉曼光谱无论同核还是异核双原子分子，都有转动拉曼光谱。
转动能级（谱项）)1()(+=J BJ J F转动拉曼光谱选律2,0±=ΔJ 0=ΔJ 2−=ΔJ 2=ΔJ 0~~νν=Q )2/3(4~~0++=J B O νν)2/3(4~~0+−=J B S ννQ 支O 支S 支统一公式)2/3(4~+±=ΔJ B ν小拉曼位移三、振动拉曼光谱振动时的极化率变化)(00r r −+=βαα振动能级（谱项）ωχω~)2/1v (~)2/1v ()v (2+−+=G 选律简谐振子非简谐振子1v ±=ΔL,3,2,1v ±±±=Δ10→频率位移ωχν~)21(~−=Δ大拉曼位移四、共振拉曼光谱普通拉曼共振拉曼四、拉曼光谱与红外光谱的互补性拉曼光谱和红外光谱有互补性：（1）都是振动转动光谱；（2）红外：固有偶极矩拉曼：感生偶极矩（3）活性互补拉曼与红外的互补性不经分离而直接测定，在红外吸收上会造成很大干扰，下图为红外图和拉曼图的比较测试方法§3-2仪器结构与原理§3-3 应用无机材料分析有机化合物分析联用技术§3-3-1 拉曼光谱分析的特点•定性分析：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。
第八讲分子振动光谱之拉曼Raman.PPT
（五）拉曼光谱图常规分析方法
➢ 凡不引起分子偶极矩改变的振动是非红外活
性的振动，不能形成振动吸收，使红外光谱 的应用受到一定程度的限制。
➢ 但是这些红外非活性的振动信息可以通过拉
曼光谱来获得。故拉曼光谱常作为红外光谱 分析的补充技术，俗称“姐妹光谱”。
拉曼散射是与入射光电场E所引起的分子极化的
诱导偶极矩有关。
拉曼散射的发生必须在有相应极化率α的变化
时才能实现，这是和红外光谱所不同的。 在红外光谱中检测不出的谱线，可以在拉曼光
谱中得到，使得两种光谱成相互补充的谱线。
在激光拉曼光谱中有一个重要参数即退偏振
比ρ（也可称为去偏振度）。 退偏振比ρ对确定分子的对称性很有用。 退偏振比ρ定义为：
的跃迁能级有关的频率是ν1，那么分子从低能级 跃到高能级从入射光中得到的能量为hν1，而散 射光子的能量要降低到hν0-hν1，频率降低为ν0ν1。
（2）分子处于振动的激发态上，并且在与光
子相碰时可以把hν1的能量传给光子，形成一条能 量为hν0+hν1和频率为ν0+ν1的谱线。
➢通常把低于入射光频的散射线ν0-ν1称为斯托克斯
此外，络合物中金属-配位体键的振动频率一 般都在100~700 cm-1以范围内，用红外光谱研究比 较困难。然而这些键的振动常具有拉曼活性，且在 上述范围内的拉曼谱带易于观测，因此适合于对络 合物的组成、结构和稳定性等方面进行研究。
图 各种碳材料的拉曼光谱
傅里叶变换拉曼光谱是陶瓷工业中快速而有效的 测量技术。陶瓷工业中常用原料如高岭土、多水高岭 土、地开石和珍珠陶土，它们都有各自的特征谱带， 而且拉曼光谱比红外光谱更具特征性。
Raman(拉曼)光谱原理和图解
光散射 - 瑞利散射
• 散射光中，弹性 (瑞利) 散射占主导 • 前… 后…
入射光 分子 分子
散射光
• 散射光与入射光有相同的频率
emission
excitation
光散射 - 拉曼
• 散射光中的1010光子之一是非弹性散射（拉曼） • 前… 后…
入射光 分子 分子振动
散射光
• 光损失能量，使分子振动
采用Leica显微镜 优势 4： 采用Leica显微镜
Ÿ 高热稳定性和机械稳定性 Ÿ 目镜：Leica 原配，符合欧洲及北美等安全标准。好处是 a. 高分辨，大视野，可方便、准确地寻找微米 级样品：如矿物包 裹体等，以及低反差样品；b. 可安全地观察激光焦点，以确认 激光焦点是否聚焦在微米颗粒上。 Ÿ 同时配有摄像机：彩色，高分辨，可观察激光焦点，不饱和 ，提供图像采集卡及软件，可在计算机上存储白光照片，无需 照相机。 Ÿ 照明光源：Leica原配，确保质量。
perpendicular
polarization of Raman peak
拉曼偏振
width of Raman peak
拉曼峰宽
quality of crystal
晶体质量
intensity of Raman peak
拉曼峰强度
amount of material
物质总量
拉曼光谱的特点和主要困难
高灵敏度
优势 1. 高灵敏度：
Ÿ 灵敏度远高于其它同类拉曼谱仪 检验标准：硅三阶峰（约在1440 cm-1）的信噪比≧10:1，检测 条件为：激光输出功率20mW，波长514.5nm，狭缝宽度50微米 ，曝光时间60秒，累加次数5次，binning为1或2，光栅为1800刻 线。显微镜头为 X50常规镜头。
拉曼光谱-课件分享
拉曼光谱分析
主要内容
红外光谱(IR) 拉曼光谱(Raman)
分子振动光谱
2
激光拉曼光谱基础
1928 C.V.Raman发现拉曼散射效应 1960 随着激光光源建立拉曼光谱分析 拉曼光谱和红外光谱一样，也属于分子振动光谱 生物分子，高聚物，半导体，陶瓷，药物等分析 ，
是否出现拉曼活性主要取决于分子在运动过程时某一 固定方向上的极化率的变化。 对于分子振动和转动来说，拉曼活性都是根据极化率 是否改变来判断的。 对于全对称振动模式的分子，在激发光子的作用下， 肯定会发生分子极化，产生拉曼活性，而且活性很强； 而对于离子键的化合物，由于没有分子变形发生，不 能产生拉曼活性。
Strength enhanced 102~3 more sensitive concentration < 0.1mM similar to UV
preresonance
Resonance enhanced
共振拉曼散射
11
拉曼原理-LRS与IR比较
拉曼光谱是分子对激发光的散射，而红外光谱则是分子对红外光的吸 收，但两者均是研究分子振动的重要手段，同属分子光谱。
优势：激发波长较长， 可以避免部分荧光产生
局限：黑色样品会产生热背景 薄膜样品的厚度应 >1m 光谱范围：5~4000cm-1
23
分析方法
普通拉曼光谱 一般采用斯托克斯分析
反斯托克斯拉曼光谱 采用反斯托克斯分析
24
Raman光谱可获得的信息
Raman 特征频率
Raman 谱峰的改变
Raman 偏振峰
47
100 Cr
100
depth profile lines
拉曼光谱的原理和应用
拉曼光谱的原理和应用拉曼光谱是一种非常重要的光谱技术，它具有广泛的应用领域，包括材料科学、化学分析、生物医学等。
本文将介绍拉曼光谱的原理和应用，并探讨其在这些领域中的作用。
拉曼光谱是一种基于分子振动的光谱技术。
当光线照射到样品上时，一部分光被散射出去，而其中部分光子的能量被分子吸收并用于激发分子的振动。
被散射光的波长发生了移位，这种波长移位即为拉曼散射。
拉曼光谱通过测量这种波长移位，可以得到样品中的分子振动信息，从而揭示样品的结构和组成。
拉曼光谱有许多应用。
首先，它在材料科学领域中起着重要的作用。
通过测量拉曼光谱，我们可以分析材料的化学组成和结构特征。
例如，可以利用拉曼光谱来鉴定材料的纯度和晶体结构，监测材料中的杂质含量等。
此外，拉曼光谱还可以帮助研究材料中的微观缺陷和晶格畸变，对材料的物理性质进行探究。
其次，化学分析也是拉曼光谱的重要应用之一。
拉曼光谱可以用于快速、非破坏性的分析化学样品。
与传统的化学分析方法相比，拉曼光谱无需预处理样品，也不需要使用昂贵的试剂。
利用拉曼光谱，可以对各种化合物进行定性和定量分析，包括有机物、无机物和生物分子等。
例如，在药学领域，拉曼光谱被广泛应用于药品质量控制、药物成分分析和药效评估等方面。
此外，拉曼光谱在生物医学领域也有着广泛的应用。
通过测量生物分子的拉曼光谱，可以研究其结构和相互作用。
例如，可以利用拉曼光谱来探索蛋白质、核酸和糖类等生物分子的结构和功能。
此外，拉曼光谱还可以应用于生物医学诊断。
许多疾病的早期诊断和治疗需要准确的检测技术，而拉曼光谱由于其高分辨率和高灵敏度的特点，被认为是一种很有潜力的诊断工具。
除了上述领域，拉曼光谱还有许多其他的应用。
例如，在环境监测中，可以利用拉曼光谱来分析水和土壤中的污染物，监测环境污染的程度；在食品科学中，拉曼光谱可以用于检测食品中的添加剂和污染物，确保食品的质量和安全。
总之，拉曼光谱作为一种非常有价值的光谱技术，具有广泛的应用前景。
有关拉曼光谱的书籍
有关拉曼光谱的书籍拉曼光谱是由印度物理学家拉曼于1928年发现的一种新的光谱现象。
它是一种非破坏性分析方法，能够对各种化学物质进行结构鉴定、质量检测、含量测定和物质成分分析等，因此被广泛应用于生物医药、化工、制药、农业等领域。
本文将介绍几本有关拉曼光谱的书籍，帮助读者更全面深入地了解这一领域。
一、《拉曼光谱学与分子振动谱学》该书由中国科学院院士吕梁、王时来编著，共分五章，分别介绍拉曼光谱的基本原理、分子振动理论、实验装置与技术、红外光谱与拉曼光谱的比较以及应用实例等内容。
该书详细描述了拉曼光谱的理论基础及实验技术，具有系统性和科学性。
适合化学、物理、材料等专业的学生和研究人员阅读。
二、《拉曼光谱技术手册》该书由国内知名的仪器厂商斯洛克（中国）仪器有限公司编写，共分为六章。
该书介绍了拉曼光谱现象的发现及原理，以及仪器的选择与应用、实验条件的建立和优化、典型应用案例及数据解析等内容。
该书具有实用性和直观性，对于从事实验室应用的技术人员具有指导意义。
三、《拉曼光谱及其应用》该书是国内知名化学家、ACSnano编辑委员会成员吴建兵教授主编，共分五章。
该书详细介绍了拉曼光谱的原理、装置和样品的制备方法，重点介绍了光谱库的建立和分析软件的使用方法，并讨论了拉曼光谱在有机分析、材料分析、环境分析等领域的应用。
该书内容丰富、易懂、全面，适合化学、物理、材料等专业的本科和研究生阅读。
四、《Raman Spectroscopy for Chemical Analysis》该书是英国化学会会士I. R. Lewis编写的一本英文著作，共分为14章，介绍了拉曼光谱的理论、装置、技术和应用等方面的内容。
与其他拉曼光谱学相关的书籍相比，该书较为详尽地讨论了拉曼光谱的理论基础及其在化学分析中的应用，同时给出了一些研究案例。
该书是一本涵盖面较广、针对性较强的拉曼光谱学著作，成为该领域内的重要参考资料。
综上所述，以上书籍对于深入学习和应用拉曼光谱具有重要意义。
分子光谱学的基本原理和应用
分子光谱学的基本原理和应用分子光谱学是研究分子在电磁波作用下的光谱特性的学科，它是研究物质的微观结构和分子结构的一种重要手段。
分子光谱学主要包括红外光谱学、拉曼光谱学和电子吸收光谱学等，这些技术在化学、物理、地质、生物等领域都有广泛的应用。
一、红外光谱学红外光谱学是研究化学物质分子振动和转动的光谱学，它利用物质吸收红外辐射的能量来研究分子的振动和转动。
红外光谱图谱主要显示了各个键的伸缩振动频率和强度。
红外光谱广泛应用于有机、无机、高分子、生物、医药等领域。
1.有机化学红外光谱是有机化学中常用的一种方法，它可以检验化合物的结构、表征它们的性质和反应，也可以用于化学反应的定量分析和定性分析。
例如，红外光谱图谱可以确定有机化合物中的官能团，如羟基、羧基、醛基、酯基和酰胺基等。
通过红外光谱可以判断分子中化学键的结合程度和键的取代基团，这个特性使其在有机合成、分析化学和物质分析中得到广泛应用。
2.生物医学红外光谱学在生物医学中有广泛应用，可以用于诊断、治疗和监测疾病。
例如，红外光谱可以监测口腔化学反应、观测细胞生长、检测食品的安全性、确定肿瘤的类型、检测血管疾病等等。
有许多研究人员利用红外光谱分析方法，在诊断和治疗疾病方面取得卓越成果。
二、拉曼光谱学拉曼光谱学是研究物质分子激发出瑞利散射辐射的光谱学，也就是分子振动能级与激发的光子频率之间存在共振的现象。
拉曼光谱可以提供关于分子的结构信息，包括分子的化学键、取代基团和它们之间的相互作用。
它主要应用于化学、物理、材料等领域。
1.化学在化学领域，拉曼光谱主要用于表征和鉴定化合物中的基团和化学键，例如确定有机化合物中的氢键断裂、化学键伸缩变化，预测蛋白质的三维结构等。
另外，拉曼光谱还可以对化学反应动力学进行实时监测和定量分析。
2.材料科学在材料科学领域，拉曼光谱主要用于分析和表征新型材料的结构和性质。
例如，在石墨烯研究中，研究人员利用拉曼光谱确定了石墨烯的质量、结构和缺陷信息。
拉曼光谱的原理和应用实例
拉曼光谱的原理和应用实例1. 拉曼光谱的原理拉曼光谱是一种光谱学技术，基于分子的振动和转动引发的光的散射现象。
该技术由印度物理学家拉曼于1928年发现，因而得名为拉曼光谱。
拉曼光谱相对于传统的红外光谱而言，具有一些独特的优点，如无需特殊的样品处理、高分辨率和光谱质量、不需要长时间的扫描等。
在拉曼光谱中，当光与物质相互作用时，部分光的频率会发生改变，这被称为拉曼散射。
拉曼散射中发射的光具有比入射光频率低或高的特征。
拉曼光谱分为拉曼散射和震动旋转拉曼光谱两种类型。
拉曼散射是通过检测原子或分子与入射光相互作用时发生的能级跃迁所获得的。
而震动旋转拉曼光谱则基于物质的分子振动和转动引发的光的散射。
2. 拉曼光谱的应用实例2.1 材料科学拉曼光谱在材料科学中有许多应用实例。
它可以用来研究材料的结构和成分，鉴定材料的物理和化学性质，以及观察材料的相变过程等。
例如，拉曼光谱被广泛应用于石墨烯的研究中，可以通过观察拉曼峰的位置和强度来确定石墨烯的层数和结构。
2.2 生命科学在生命科学领域，拉曼光谱也有很多应用实例。
它可以用来研究生物分子的结构和功能，如蛋白质、核酸和糖类等。
通过测量不同生物分子的拉曼光谱，可以了解其在细胞内的分布和相互作用。
因此，拉曼光谱被广泛用于细胞生物学、生物医学和药物研发等领域。
2.3 环境科学拉曼光谱在环境科学中也有广泛的应用。
它可以用来分析和鉴定环境样品中的有机和无机物质，如土壤、水和大气中的污染物等。
通过测量不同物质的拉曼光谱，可以确定其组成、结构和浓度。
拉曼光谱还可以用来研究环境样品中的化学反应和转化过程。
2.4 化学分析在化学分析中，拉曼光谱被广泛应用于鉴定和定量分析化学样品中的物质。
由于每种物质具有独特的拉曼光谱特征，因此可以通过比对样品的拉曼光谱与数据库中的标准光谱进行匹配来确定物质的成分和含量。
拉曼光谱还可以结合其他分析技术，如光谱成像和化学图像，来获得更详细的化学信息。
3. 总结拉曼光谱是一种非常重要的光谱学技术，具有广泛的应用领域。
光谱学中的荧光和拉曼光谱技术
光谱学中的荧光和拉曼光谱技术光谱学是研究物质与光的相互作用和光的分析的学科，是现代化学、物理和生物学的一个分支。
光谱学分为分光学、光学光谱学和物理学光谱学三个方面。
其中，荧光和拉曼光谱技术是光谱学的两项最为重要的技术之一。
一、荧光技术荧光是指物质在受到光激发后，释放出一定波长的光的现象。
荧光现象是物质带有激发态能量而处于高能态的表现。
原子、分子和晶体物质都能产生荧光，荧光可以应用于攻克化学、生物学和地球物理学等方面的问题。
荧光发射光谱是荧光现象的基本测量手段。
荧光光谱通常用于测定物质的化学和物理性质。
荧光发射光谱测定基本原理是利用化学品激发发出所谓的荧光。
荧光通常集中在可见光域（350-700 nanometer，nm），但是部分盐类和金属离子也能在紫外光（半波长≤350 nm）下发生荧光发射。
荧光发射光谱因激发光非常突出和灵敏，故被广泛应用于一些生命化学、药物化学和环境化学领域中的多样性分析。
荧光技术由于其使用简便且较为灵敏而被广泛应用。
荧光技术广泛应用于环境和医学研究，其中的一个典型例子是DNA测序。
在DNA测序中，荧光技术被用于分析不同的DNA分子。
二、拉曼技术拉曼技术是一种利用激光散射来测定物质分子结构和分子振动状态的光谱技术。
拉曼光谱是一种经典的分子光谱学技术，是研究材料的物理结构与性质之间关系的重要手段。
当一束光（称为“激发光”）通过一个物质样品时，部分光被散射。
通常情况下，物质散射出的光的强度低于激发光的强度，但其中的一小部分由于分子的旋转与振动可以激发和吸收光子。
这部分摩尔散射（称为拉曼散射）由物质的化学及物理信息组成，故能用于研究物质的性质。
拉曼技术还可以与化学计量学结合，成为近年来迫切需要解决的问题之一。
拉曼散射谱在化学计量学的一个应用例子是在固体或液体样品表面测成分。
颗粒、多边形、砖块或其他形状的真实实体可能存在于表面上的任何一些影响其谱图特征的细微变化中。
拉曼光谱分析对于合成新材料中缺陷、晶格结构、纯度和超微物质中的化学结构等问题的解决有非常重要的科学实际意义。
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拉曼光谱与振动光谱学
拉曼光谱是一种常见的光谱技术，它通过测量物质散射光的频率变化，用来研
究物质的分子结构、振动模式和化学键的性质。
拉曼光谱是一种非破坏性测试方法，可以不接触样品，而且物质的性质不会受到光的照射而改变，因此在物质表征、研究和分析中得到了广泛应用。
振动光谱学是研究物质振动特性的学科，它主要通过测量物质吸收或散射光的
能量变化，来研究物质的振动模式和分子结构。
振动光谱学可以分为红外光谱和拉曼光谱两大类。
红外光谱主要研究物质的共振振动和弯曲振动，而拉曼光谱则主要研究物质的非共振振动。
拉曼光谱是基于拉曼散射现象的，该现象是物质分子与光发生相互作用后，光
在频率和波长上发生变化并散射出来。
这种变化是由于光与物质中的分子相互作用而引起的，通过测量散射光的频率变化，可以得到有关物质分子结构和振动模式的信息。
在拉曼光谱中，有两种散射光：斯托克斯散射和反斯托克斯散射。
斯托克斯散
射是指散射光的频率低于入射光的现象，反斯托克斯散射则是指散射光的频率高于入射光的现象。
这两种散射光分别对应物质的正常振动和反常振动。
通过测量散射光的频率变化，可以获得物质分子振动模式的信息。
拉曼光谱的应用非常广泛。
在材料科学中，拉曼光谱可以用来分析材料的结构、纯度和晶格缺陷。
例如，通过拉曼光谱可以确定纳米材料的粒径大小和形态，了解材料的晶体状态和晶格缺陷情况。
在生物医学领域，拉曼光谱可以用来研究生物分子的结构和功能。
通过拉曼光谱可以分析蛋白质、细胞和组织中的分子成分和结构特性，从而帮助诊断疾病和研究分子和细胞生物学。
在环境科学和化学工程领域，拉曼光谱可以用来分析环境样品中的有机和无机物质，研究化学反应动力学和反应机理等。
虽然拉曼光谱的应用非常广泛，但是它也存在一些技术挑战。
首先，由于拉曼散射强度非常弱，必须使用高性能的光谱仪和探测器来测量。
其次，样品的表面性质会对拉曼光谱的测量结果产生影响。
样品表面的粗糙度和不均匀性会影响光的散射和传播，从而降低拉曼光谱的信噪比和空间分辨率。
此外，光的散射和吸收也会受到样品的吸收和发射强度的影响，从而影响拉曼光谱的测量和解释。
总的来说，拉曼光谱是一种重要的光谱技术，可以用来研究物质的分子结构、振动模式和化学键的性质。
它有着广泛的应用领域，包括材料科学、生物医学、环境科学和化学工程等。
尽管面临一些技术挑战，拉曼光谱仍然是一种非常有价值的研究工具，可以帮助我们更深入地了解物质的性质与行为。