第四章-拉曼光谱

第四章第四章拉曼光谱法拉曼光谱法RamanSpectroscopyRamanSpectroscopy在光谱分析中，除发射光谱和吸收光谱外，散射光谱也是研究物质结构的一个重要手段。光线照射在物质样品上后，除大部分光线被物质分子吸收后而透过物质外，还有少部分光线被物质分子所散射（当颗粒直径大于入射光波长很多倍时发生反射或漫射），这就是物质对光的散射效应。瑞利(Rayleigh)公式：022221222142324InnnnVI⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=λνπ二十世纪20年代，光的综合散射效应被发现，其主要原理是当用单色光照射物质时，会产生与入射光波长相同的瑞利散射线，同时还产生一系列波长大于和小于入射光波长的散射线，称为拉曼散射效应。光的散射效应的种类很多，除包括经典的瑞利散射、晶体的布里渊散射、等离子体对光的散射，自由电子对光的散射（康普顿-吴有训效应）及化学大质点的丁铎尔散射外，还有拉曼散射，故拉曼散射光谱属于散射光谱。拉曼散射效应是以此现象的发现者——印度物理学家C.V.Raman（拉曼，1888-1970，1930年获诺贝尔物理学奖）的名字命名的。拉曼于1928年首先在液体中观察到这种现象，并记录了散射光谱。C.V.Raman拉曼光谱和红外光谱同属分子振动光谱，但它们的机理却不同：红外光谱是分子对红外光的特征吸收，而拉曼光谱则是分子对光的散射。由于拉曼散射光的频率位移对应于分子的能级跃迁，因此拉曼光谱技术便成为人们研究分子结构的新的手段之一。20世纪60年代初，激光器的出现为拉曼光谱提供了理想的单色光源，再加上计算机的发展，使激光拉曼光谱逐步成为分子光谱学中一个活跃的分支。拉曼光谱技术以其信息丰富，制样简单，水的干扰小等独特的优点，广泛应用于生物分子、高聚物、半导体、陶瓷、药物、毒品、爆炸物以及化工产品的分析中。4.1方法原理当单色光的光子与作为散射中心的分子相互作用时，大部分光子只是改变方向发生散射，散射光的频率仍与入射光的频率相同，这种散射称为瑞利散射；但约占总散射光强度的10-7左右的散射，不仅改变了光的传播方向，而且散射光的频率也改变了，不同于入射光的频率，称为拉曼散射。产生拉曼散射的原因是光子与分子之间发生了能量交换。见图所示：在散射光谱中，瑞利线最易观察，其频率等于入射光频率ν0，其强度大，表现为十分尖锐的瑞利峰。另外，在瑞利峰的两侧还能看到强度比瑞利线低很多的频宽分别为ν0±Δν的散射线，瑞利峰与散射线（拉曼线）的频率之差Δν叫拉曼位移，是散射物质的特征量，可用于物质的定性测定。拉曼线在瑞利线两侧成对出现，在瑞利峰低频侧的拉曼线叫斯托克斯（Stokes）线；在瑞利峰高频侧的拉曼线叫反斯托克斯（Anti-Stokes）线。因反斯托克斯线的强度比斯托克斯线弱很多，故一般用斯托克斯线进行样品的拉曼分析。6B10B14B6B10B14B斯托克斯反斯托克斯20B12BJ32106B2B0EJ30B瑞利量子理论认为，光散射是在光量子与物质分子的碰撞过程中形成的。发生弹性碰撞时，光量子与分子间无能量交换，故散射光频率等于入射光频率，这就是瑞利散射；发生非弹性碰撞时，光量子与分子间有能量交换，故散射光频率发生位移，形成拉曼散射。如入射光的照射使处于振动基态的分子或原子激发到较高振动能态上而损失能量时，则入射光子能量下降，使散射光频率减小而形成斯托克斯线；如入射光的照射使处于较高振动能态的分子或原子失活，返回振动基态而获得能量时，则入射光子能量上升，使散射光频率增大而形成反斯托克斯线。由于平时处于振动基态的分子数远较处于激发态的为多，故斯托克斯线的强度较反斯托克斯线的强度为大。对于斯托克斯拉曼散射来说。分子由处于振动基态E0被激发至激发态E1，分子得到的能量为ΔE，恰好等于光子失去的能量：ΔE＝E1－E0＝hΔν与之相对应的光子频率改变Δν为Δν＝ΔE/h式中h为普朗克常数。此时，Stokes散射的频率为νs：νs＝ν0－ΔE/h，Δν＝ν0－νs斯托克斯散射光的频率低于入射光频率ν0。Δν称为拉曼位移(Ramanshift)。拉曼光谱是否出现，即分子是否有拉曼活性，取决于分子在运动时某一固定方向上的极化率是否改变。对于分子的振动、转动来说，拉曼活性都是根据极化率是否改变来判断的。即分子振动时，凡是分子极化率随振动而改变，就会产生拉曼散射，即分子具有拉曼活性。具体来说，全对称振动模式的分子在激发光子作用下，肯定会发生分子极化(变形)，故常有拉曼活性，而且活性很强；而对于离子键的化合物来说，由于没有发生分子变形，故没有拉曼活性。归纳起来，拉曼效应有如下几个特点：1.每一物质有自己的特征拉曼光谱，可以作为表征这一物质之用。2.每一物质的拉曼位移（即入射频率与散射频率之差）与入射频率无关。3.拉曼谱线的线宽一般较窄，并且常常成对出现，即有数值相同的正负频率差。在短于入射光波长的一边的称为反斯托克斯线，在波长长的一边的称为斯托克斯线。4.拉曼频率的数值可由几个cm-1到约3800cm-1。5.一般的拉曼频率是分子内部振动频率，有时与红外吸收谱所得的频率部分重合，范围也是相同的。6.拉曼谱线的强度和偏振性质，对于各条谱线是不同的。7.量子力学说明拉曼效应是光子与分子发生非弹性碰撞而产生的。8.拉曼效应普遍存在于一切分子中，无论是气态，液态和固态。从产生光谱的机理来看，拉曼光谱是分子对入射光（激发光）的散射，而红外光谱是分子对红外光的吸收，两者同属分子光谱。一般而言，分子的非对称性振动和极性基团的振动，都会引起分子偶极矩的变化，故这类振动是红外活性的；而分子对称性振动和非极性基团的振动，会使分子变形，极化率随之起变化、具有拉曼活性。因此拉曼光谱最适于研究同原子的非极性键的振功，如C－C，S－S，N－N键等，对称分子的骨架振动，均可从拉曼光谱得到丰富的信息。而不同原子的极性键，如C＝O，C－H，N－H和O－H等，在红外光谱上有反映，相反，分子对称骨架振功在红外光谱上几乎看不到。可见，拉曼光谱和红外光谱是互相补充的。4.2拉曼光谱与红外光谱的关系对任何分子，粗略地可用下面的规则来判别其拉曼或红外是否具有活性：(1)相互排斥规则：凡具有对称中心的分子，若其分子振动对拉曼是活性的，则对红外就是非活性的。反之，若对红外是活性的，则对拉曼就是非活性的。(2)相互允许规则：凡是没有对称中心的分子，其红外和拉曼光谱都是活性的（除去一些罕见的点群和氧的分子）。(3)相互禁阻规则：对于少数分子的振动，其红外和拉曼光谱都是非活性的，如乙烯分子的扭曲振功，它既没有偶极矩的变化，也不发生极化率的改变，在红外和拉曼光谱中，均看不到它的谱峰。最后需要指出的是，拉曼光谱与红外光谱相类似，指认时除考虑基团的特征频率外，还要考虑到谱带的形状和强度，以及因化学环境的变化而引起的改变。综合以上各个方面，才能对光谱做出正确的指认。为了便于比较，通常用相对波数（Δcm-1)表示拉曼光谱图的横座标，与红外光谱图的横座标（吸收峰的波数）完全一致。红外光谱是吸收谱，谱峰向下，纵座标表示吸收率。拉曼光谱是散射光谱，谱峰向上，纵座标表示散射强度。下图是苯的拉曼光谱和红外光谱图。若把某一基团的振动看作孤立的振动，并且与邻近基团不发生偶合作用，则这种振动的频率和强度便是该基团的特征。但任何基团的振动不可能是完全孤立的，它必然受化学环境的影响而产生微小的频率位移。频率位移的大小和方向是基团的化学环境变化的证据，所以我们可以从特征频率及其位移来判断各种基团的存在与否以及它的化学环境变化情况。实验证明特征基团频率在红外和拉曼光谱分析中是十分有用的，并且已经总结出各类化合物的特征频率表。下表是有机化合物的主要基团的特征频率，供解释拉曼光谱时参考。下图为环己烷的拉曼光谱。横坐标是拉曼位移，以波数cm-1为单位；纵坐标为拉曼散射光的强度。红外光谱需要用没有红外吸收的材料做样品池的窗片；水分子的拉曼散射极弱，故测量时可用水作为溶剂。但在红外光谱实验中，水不仅溶解某些窗材料，而且还有很强的吸收，所以红外样品必须干燥。单晶和纤维样品及某些水溶性样品进行拉曼测量较为方便，但某些有色样品和微量杂质对拉曼光谱会产生荧光干扰。4.3拉曼光谱技术的应用(1)在有机化学方面的应用拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼峰的形状是确定化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依据。(2)在高聚物方面的应用拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在研究确定异构体(单体异构、位置异构、几何异构和空间立体异构等)时，拉曼光谱可以发挥其独特的作用。电活性聚合物如聚吡略、聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具，在高聚物的工业生产方面，如对受挤压线性聚乙烯的形态、高强度纤维中紧束分子的观测以及聚乙烯磨损碎片的结晶度测量等的研究中都采用了拉曼光谱。(3)在生物学和医学方面的应用拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化，蛋白质二级结构的研究、DNA和致癌物分子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、肿瘤细胞的研究、动脉粥样硬化损伤伤中的钙化沉积和红细胞膜的研究等，均有文献报道。利用FT-Raman消除生物大分子的荧光干扰等，有许多成功的示例。(4)在表面和薄膜方面的应用拉曼光谱在材料的研究方面，在相组成、界面、晶界等课题中可以做很多工作，最近用拉曼光谱研究金刚石和类金刚石薄膜的工作，国内外学者的兴趣有增无减；拉曼光谱已成为CVD（化学气相沉积法）制备薄膜的监测和鉴定手段。LB膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的研究都已见报道。尽管拉曼散射很弱，拉曼光谱通常不够灵敏，但利用共振或表面增强拉曼就可以大大增强拉曼光谱的灵敏度，表面增强拉曼光谱学(SERS)已成为拉曼光谱研究中活跃的一个领域。4.4激光拉曼光谱仪1.仪器简介激光拉曼光谱仪主要由激光光源、样品室、双单色仪、检测器、计算机控制系统和记录仪等部分组成，见下图：当激光经反光镜照射到样品时，通常是在同入射光成90°的方向收集散射光。为抑制杂散光，常用双光栅单色器，在特殊需要（如测定低波数的拉曼光谱）时、还需用第三单色仪，以得到高质量的拉曼谱图。散射信号经分光后，进入检测器。由于拉曼散射信号十分微弱，须经光电倍增管将微弱的光信号变成微弱的电信号，再经微电放大系统放大。由记录仪记录下拉曼光谱图。2.发展沿革1928年到1940年是拉曼光谱学研究的最初阶段，在此期间的拉曼光谱仪，以汞弧灯作光源激发样品分子，所得的拉曼散射光经透镜会聚，用单色仪分光后，使照相干板感光。由于拉曼信号十分微弱，往往需要很长时间曝光，样品用量也大(数十毫升液体)。尽管如此，拉曼光谱学由此开始了起步。拉曼光谱仪与红外光谱仪的发展相比，要缓慢得多，这主要是因为拉曼散射光十分微弱，它的强度只是瑞利散射线强度的几万分之一到几百万分之一。解决的途径有二：①提高激发光源的功率；②提高检测器的灵敏度。而这在当时是难以达到的。拉曼光谱仪还需要克服的障碍是抑制瑞利线，要收集低波数(～20cm-1)的拉曼位移，必须滤去它附近强得多的瑞利散射线。1960年代后，由于激光的出现，为拉曼光谱仪提供了最理想的光源：激光亮度极高，激光器亮度可达105～l010W/(cm2.Sr)，太阳光的亮度为103W/(cm2.Sr)，这样强的激光光源，可以得到较高强度的拉曼散射线，有利于检测；激光的单色性极好，有利于得到高质量的拉曼光谱；激光具有极高的定向性，为拉曼光谱仪的光路调节提供了理想的光源。目前，拉曼光谱仪使用较多的激光器为氩离子(Ar+)激光器，氪离子(Kr+)激光器。它们有一系列的激发线可供选择。目前的激光拉曼光谱仪，采用特别的全息瑞利滤光片(NotchfilterorEdgefiter)，其特点是，能针对性地将以激光波长为中心的几个纳米的波长范围内的瑞利散射光能量有效地滤除，而让该波长范围之外的光信号顺利通过。这就保证了提高仪器灵敏度的同时，又避免了瑞利线的干扰。因而可使用功率