第五章红外和拉曼光谱

第五章拉曼光谱

1第六章拉曼光谱2第一节：引言第二节：拉曼光谱的基本原理 2.1 光散射2.2 拉曼光谱的经典解释 2.3 拉曼光谱的选择定则3第三节：拉曼光谱仪简介第四节：拉曼光谱的应用4.1 在有机化学中的应用 4.2 在无机与材料化学中的应用 4.3 在分析化学中的应用 4.4 在高分子材料中的应用 4.5 在生物学中的应用 4.6 在物理学中的应用 4.7 在催化研究中的应用4第一节引言什么是拉曼散射？假定有一束频率为ν0的单色入射光照射到样品上，除了吸收和透射外，有一部分光将受到样品的散射。

对散射光的频率进行分析，发现部分散射光的频率仍为ν0，而其余散射光的频率分布在ν0两侧，即ν0 ±∆ν, 这种频率发生改变的散射，叫做拉曼散射(Raman Scattering)。

5CCl4的拉曼谱图6拉曼光谱是以印度科学家V. Raman 的名字命名的，因为他和另一个科学家K. S.Krishnan 于1928年最先发现这一散射现象的。

在拉曼散射中，频率的改变是光子与物质相互作用时发生了能量的转移引起的，频率变化的大小以及观察到的拉曼光谱的形式等与散射样品的结构、能级有关，当然用于测定散射的仪器也有一定的影响。

7拉曼光谱的用途：主要用于分子内部转动和振动跃迁的研究。

拉曼散射频率的变化值±∆ν与分子内部的转动和振动能级密切相关。

分子转动能级和几乎所有振动能级的拉曼波数都在0～3500 cm -1之间，当采用400～600 nm 范围任一波长的光作为辐射源，拉曼光谱都处于可见光区域。

用拉曼光谱研究分子的转动和振动，只需一种色散系统和一种探测器。

8在红外光谱中，有些振动模是红外非活性的，如CO 2的对称振动模，这些振动频率可以用拉曼光谱测得，拉曼光谱和红外光谱具有互补性，它们是研究振动和转动的最有效方法，两者缺一不可。

9拉曼光谱的特点：波长位移在中红外区。

有红外及拉曼活性的分子,其红外光谱和拉曼光谱近似。

傅里叶红外光谱和拉曼光谱的区别和联系

傅里叶红外光谱和拉曼光谱的区别和联系
傅里叶红外光谱和拉曼光谱是两种常见的光谱学技术，它们在原理、应用和测量方式等方面存在一些区别和联系。

区别：
1、原理不同：傅里叶红外光谱利用样品对红外光的吸收或散射来确定分子的结构和化学键信息；而拉曼光谱则是利用样品对激光的散射来检测分子中振动模式的变化，从而得到分子的结构信息。

2、测量范围不同：傅里叶红外光谱主要适用于分析分子内部的化学键信息，其测量范围通常在几百纳米到几微米之间；而拉曼光谱则可以用于分析分子的振动模式和分子结构，其测量范围通常在几十纳米到几百纳米之间。

3、分辨率不同：傅里叶红外光谱的分辨率较高，可以分辨出分子中不同的化学键；而拉曼光谱的分辨率相对较低，通常只能分辨出分子中的某些振动模式。

联系：
1、都是非破坏性测试方法，不会对样品造成损伤。

2、都是基于光学原理的测试方法，都可以通过样品对光的吸收或散射来获取信息。

3、都是广泛应用于科学研究和工业生产中的分析方法。

傅里叶红外光谱和拉曼光谱虽然在原理、应用和测量方式等方面存在一些区别，但它们都是有效的分析物质的方法，可以根据实际需要选择合适的方法进行研究和应用。

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。

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。

（一）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（二）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。

（三）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

傅里叶红外光谱和拉曼傅里叶红外光谱和拉曼是两种常见的光谱分析技术。

傅里叶红外光谱和拉曼都是通过测量样品吸收或散射的光谱来确定分子结构和化学组成的方法。

下面我们将简要介绍这两种光谱。

傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）是测量物质在红外光谱区域（4000-400 cm^-1）吸收的光谱。

傅里叶变换是一个数学算法，可将时间域的信号转换为频率域中的相应信号。

FTIR的优越性在于它可以同时测量许多分子的振动模式。

FTIR可以确定分子中的化学键和分子结构，包括其它有关信息，例如取代模式、结晶状态、氢键形成等。

在FTIR谱图中，每个吸收峰表示一个化学键的振动模式，其峰的强度取决于该化学键在分子中的数量和力度。

由于每种分子都有不同的化学键和分子结构，所以FTIR谱图可以用来比较不同分子之间的差异。

FTIR谱图是在样品与红外光相互作用后记录和处理的。

在FTIR光谱级别中，光经过通过样品通常置于KBr片之后达到检测器。

这时通过傅里叶变换将检测器记录的信号转换为频率光谱图（谱图的基本单位是波数）。

然后用谱图处理软件将振动波数与化学键相对应，进而分析样品组成。

与传统的显微镜或元素分析技术相比，FTIR提供了快速且无需毁灭性的分析方法，因此广泛应用于各种科学和工业领域。

二、拉曼光谱拉曼光谱是测量物质在分子中振动引起的光散射现象。

在拉曼光谱中，样品被照射光源后，散射出来的光被分为两种：斯托克斯（Stokes）和反斯托克斯（Anti-Stokes）光。

其中斯托克斯光是与被测样品相同波数的光散射而来的，而反斯托克斯则是与样品频率不同的光。

这个拉曼散射的频率差与样品振动的频率一致，通过分析拉曼光谱，可确定分子的振动模式和结构。

与FTIR光谱不同，拉曼光谱不需要与样品接触，且拉曼光谱可以在不同介质中进行，例如在水溶液中和在固体中进行。

由于其温和的样品处理条件和非毁灭性品质，拉曼光谱同样广泛应用于许多领域。

红外光谱和拉曼光谱的联系和区别

量、分子结构及表面形态等研究方面具有一定的指导意义．
关键词红外光谱；拉曼光谱；基本原理；联系；区别
ＴＨＥＲＥＬＡＴＩｏＮＳＨＩＰＳＡＮＤＤＩＦＦＥＲＥＮＣＥＳＢＥＴＷＥＥＮＴＨＥＩＮＦＲＡＲＥＤＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＲＹＡＮＤＲＡＭＡＮＳＰＥＣＴＲｏＭＥＴＲＹ
ｔｏ４０００ｅｍ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅａｎａｌｙｚｅｄｆｏｒｏｒｇａｎｉｃａｎｄｉｎｏｒｇａｎｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓ；（３）Ｒａｍａｎｓｐｅｃ —
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｂａｓｉｃ — ｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｂｏｕｔｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙａｎｄＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｗｅｒｅｅｍｐｈａｓｉｚｅｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ：（１）Ｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｉｓｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｌａｒｇｒｏｕｐ，ｗｈｉｌｅｔｈｅＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｙｍｍｅｔｒｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｎｏｎ — ｐｏｌａｒｇｒｏｕｐｓａｎｄｔｈｅｓｋｅｌｅｔｏｎ；（２）ｔｈｅｗａｖｅ — ｎｕｍｂｅｒｓｏｆＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｒａｎｇｅｄｆｒｏｍ４０

红外吸收光谱与分子结构的关系

而对于直线型分子，沿其键轴方向的转动不可能发生，转动只需要两个自由度，分子基本振动数为3n-5。基本振动又称简正振动。
一般观察到的振动数要少于简正振动，原因是：
分子的对称性。通常分子的对称伸缩振动无红外活性。
两个或多个振动的能量相同时，产生简并。吸收强度很低时无法检测。振动能对应的吸收波长不在中红外区。
红外谱图有两个重要区域：
高波数段： 4000-1300cm-1（官能团区）
含氢官能团(折合质量小)、含双键或叁键的官能团(键力常数大)在官能团区有吸收，如OH，NH以及C=O等重要官能团在该区域有吸收，它们的振动受分子中剩余部分的影响小。
低波数段： 1300cm-1以下（指纹区）
不含氢的单键(折合质量大)、各键的弯曲振动(键力常数小) 出现在1300cm-1以下的低波数区。该区域的吸收特点是振动频率相差不大，振动的耦合作用较强，因此易受邻近基团的影响。同时吸收峰数目较多，代表了有机分子的具体特征。大部分吸收峰都不能找到归属，犹如人的指纹。因此，指纹区的谱图解析不易，但与标准谱图对照可以进行最终确认。
小结：
官能团区：4000-1300 cm-1
指纹区： 1300-650
分为6个区：
（一）、4000-2500（X—H）
气态游离：高波数、峰尖（1）O—H 3200-3650 形成氢键：波数低、宽
羧酸：缔合，峰型宽
（2）N—H 与羟基类似，伯胺两个吸收峰、叔胺无吸收不饱和>3000
（3）C—H 3000为分界限饱和<3000
2、多原子分子的振动
分为伸缩振动和弯曲振动，见示意图。
一个由n个原子组成的分子其运动自由度应该等于各原子运动自由度的和。
一个原子在空间的位置由三个坐标自由度。

红外光谱法和拉曼光谱法

C CH3
C=O=1663cm-1
O
C CH 3
CH3 C=O=1686cm-1
空间效应的另一种情况是张力效应：四元环>五元环> 六元环。随环张力增加，红外峰向高波数移动。
物质状态及制样方法
通常，物质由固态向气态变化，其波数将增加。如丙酮
在液态时，C=O=1718cm-1; 气态时C=O=1742cm-1，因此在查阅标
累
2240-2260
分子中有 N，H，C，峰
积 CN
（非共轭）强且锐；
双
2220-2230
有 O 则弱，离基团越近
键
（共轭）则越弱。
双键伸缩振动区（1900~1200cm-1）
C=O 1900-1650
C=OC 1680-1620
苯衍生
物的泛 2000-1650
频
强峰。是判断酮、醛、酸、酯及酸酐的特征吸收峰，其中酸酐因振动偶合而具有双峰。峰较弱（对称性较高）。在 1600 和 1500 附近有 2-4 个峰（苯环骨架振动），用于识别分子中是否有芳环。 C-H 面外、C=C 面内变形振动，很弱，但很特征（可用于取代类型的表征）。
弯曲振动或变角振动。下图给出了各种可能的振动形式（以甲基和亚甲基为例）。
分子的振动分为伸缩振动和变形振动两类。伸缩振动是沿原子核之间的轴线作振动，键长有变化而键角不变，用字母υ来表示。
伸缩振动分为不对称伸缩振动υas和对称伸缩振动υs。
变形振动是键长不变而键角改变的振动方式，用字母 δ表示。
1）电子效应：引起化学键电子分布不均匀的效应。
诱导效应(Induction effect)：取代基电负性—静电诱
导—电

红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)

（b）能斯特灯。由稀土金属氧化物加压成型后在高温下烧结而成。要点亮这种灯要预热到700℃以上。能斯特灯寿命长、稳定性好，但价格较贵，操作不如硅碳棒方便。
（2）分光系统分光系统包括入射狭缝到出射狭缝这一部分。主要由
反射镜、狭缝和分光器组成。作用是将复式光分解成单色光。分光系统也叫单色器。
(a)狭缝。（b）反射镜。
分子的振动分为伸缩振动和变形振动两类。伸缩振动是沿原子核之间的轴线作振动，键长有变化而键角不变，用字母υ来表示。
伸缩振动分为不对称伸缩振动υas和对称伸缩振动υs。
变形振动是键长不变而键角改变的振动方式，用字母δ 表示。
亚甲基的振动
伸缩振动
υ
变形振动
δ
对称伸缩振动
υS
不对称伸缩振动
有红外吸收的称为红外活性。
振动是否有红外活性与分子的对称类型有关。因为偶极矩是一个矢量，中心对称的振动偶极矩变化为零。以中心对称的振动在红外光谱中不产生吸收,但在拉曼光谱中是有活性的。
在光谱图上能量相同的峰因发生简并，使谱带重合。
由于仪器分辨率的限制，使能量接近的振动峰区分不开。能量太小的振动可能仪器检测不出来.
红外分光光度计
按分光器将红外分光光度计分为四代：以人工晶体棱镜作为色散元件的第一代; 以光栅作为分光元件的第二代; 以干涉仪为分光器的傅里叶变换红外光度计是第3代;
用可调激光光源的第4代仪器。
双光束红外分光光度计的工作原理:
3.3.2 红外分光光度计的主要部件:
(1）光源：光源的作用是产生高强度、连续的红外光。（a）硅碳棒。由硅碳砂加压成型并经锻烧做成。工作温度1300~1500℃，工作寿命1000小时。硅碳棒不需要预热，寿命也较长。价格便宜。

物理实验中的拉曼与红外光谱测试方法

物理实验中的拉曼与红外光谱测试方法导言：在物理实验中，拉曼和红外光谱测试是两种常用的方法。

这两种方法在研究物质的结构和性质方面有着重要的应用。

本文将依次介绍拉曼和红外光谱测试的原理、设备以及应用领域。

一、拉曼光谱测试方法拉曼光谱测试方法是一种基于物质分子振动转换能级的光散射现象的测试技术。

当物质受到激发光束的照射时，一部分光子将通过物质，而另一部分光子则与物质分子进行作用，发生散射。

这种散射光中，有一部分光子的频率发生了微小的变化，称为拉曼散射光。

通过分析拉曼散射光的频率变化，可以了解物质的化学键、分子结构以及晶格振动等信息。

拉曼光谱测试设备主要由激光器、样品台、光谱仪和检测器等组成。

激光器发射一束单色激光，并将其聚焦在待测物质上。

光谱仪记录散射光的频率变化，并将其转换为拉曼光谱图。

通过分析拉曼光谱图的峰位和峰形，可以获得物质的信息。

拉曼光谱测试具有非破坏性、无需特殊处理样品的优点，广泛应用于材料科学、化学和生物医学等领域。

从材料科学的角度来看，拉曼光谱测试可以用于研究材料的结构、相变以及材料表面特性等。

在化学领域，拉曼光谱测试可以帮助分析物质的成分、化学键的强度以及反应过程等。

此外，生物医学研究中的荧光探针、细胞成像以及体内分子探测等都可以通过拉曼光谱测试实现。

二、红外光谱测试方法红外光谱测试方法是一种基于物质在红外光区吸收光的特性的测试技术。

物质吸收红外光的波长范围通常为2.5到25微米，这个范围对应于物质分子振动和转动能级之间的能量差。

通过测量物质在红外光区的吸收光谱，可以对物质的组成、结构和化学键进行研究。

红外光谱测试设备主要由红外光源、样品台、光谱仪和检测器等组成。

红外光源发射一束宽带红外光，并将其传递到待测物质上。

光谱仪记录吸收光的变化，并将其转换为红外光谱图。

通过分析红外光谱图中吸收峰的位置和强度，可以获得物质的信息。

红外光谱测试被广泛应用于化学、材料学和生物科学等领域。

在化学领域，红外光谱测试可以帮助分析物质的结构、成分和化学键的类型。