第 11 章激光拉曼光谱分析第十一章激光拉曼光谱分析（L aser Raman Spectroscopy， LRS）教学要求1.理解拉曼散射的基本原理2.理解拉曼光谱和红外光谱与分子结构关系的主要差别3.了解拉曼光谱仪器结构4.了解激光拉曼光谱的应用重点：拉曼光谱原理；拉曼光谱与红外光谱的关系难点：拉曼光谱与红外光谱的关系课时安排： 1.5 学时§11-1 拉曼光谱原理一、拉曼光谱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。

拉曼光谱和红外光谱一样同属于分子振动光谱 ,可以反映分子的特征结构。

但是拉曼散射效应是个非常弱的过程 ,一般其光强仅约为入射光强的 10-10。

1、瑞利散射虚拟态当光子与物质的分子发生弹性碰撞时，hυ0hυ0没有能量交换，光子仅改变运动方向，这种散射称瑞利散射。

入射光与散射光的频率相同，如图中 2、3 两种情况。

2、斯托克斯 (Stokes)散射hυ0h(υ0-υ1) hυ0hυ0hυ0h(υ0+υ1) υ=1υ=0图 11-1 瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯散射示意图当光子与物质的分子发生非弹性碰撞时，可以得到或失去能量，当受激分子从基态跃迁到某一虚拟态，返回到某一激发态，入射光频率大于散射光频率，如图中第 1 种情况，最后这种散射称斯托克斯 (Stokes)线。

3、反斯托克斯 (Anti-Stokes)散射当原处于激发态的分子跃迁到某一虚拟态，返回到基态，入射光频率小于散射光频率，如图中第 4 种情况。

这种散射称反斯托克斯 (Stokes)线。

由于常温下处于基态的分子占绝大多数，斯托克斯线比反斯托克斯线强得多。

4、拉曼位移入射光频率与拉曼散射光频率之差称拉曼位移。

它与物质的振动和转动能级有关，不同的物质有不同的拉曼位移。

对于同一种物质，若用不同频率的入射光照射，所产生的拉曼散射光的频率也不相同，但拉曼位移却是一个确定值。

因此，拉曼位移与入射光频率无关，仅与分子振动能级有关。

—拉曼光谱物质分子结构分析和定性鉴定的依据。

5、拉曼光谱：横坐标：拉曼位移；纵坐标：强度二、去偏振度激光是偏振光。

起偏振器测得的垂直于入射光方向散射光强和平行于入射光方向散射光强的比值称去偏振度，用ρ表示。

ρ取值： 0~3/4；ρ→0，对称性高，ρ→ 3/4，不对称结构三、共振拉曼效应当选取的入射激光波长非常接近或处于待测分子生色团吸收频率时，产生电子耦合，拉曼跃迁的几率大大增加，使得分子的某些振动模式的拉曼散射截面增强高达 106倍,这种现象称为共振拉曼效应(Resonance Raman ,RR)。

利用共振拉曼光谱的某些拉曼谱带的选择性增强，可以得到生色团振动光谱信息。

但是只有少数分子具有与处于可见光区的激发光相匹配的电子吸收能级。

（只有与生色团有关的振动形式才具有共振拉曼光谱）§11-2 拉曼光谱与红外光谱的关系一、原理差异红外光谱—源于偶极矩变化拉曼光谱—源于极化率变化拉曼光谱用于研究非极性基团和对称性振动的方法。

（ 1）互斥规则1 SC S拉曼活性2 S C S红外活性3S C S 红外活性4对称中心分子 CO2， CS2等，选律不相容。

凡具有中心对称的分子，其分子振动为拉曼活性，则红外光谱是非活性的。

反之也然（ 2）互允规则无对称中心分子（例如 SO2等），既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。

（ 3）互禁规则不发生极化率和偶极矩的改变，拉曼、红外均为非活性对称分子：对称振动→拉曼活性。

不对称振动→红外活性例如同核双原子分子N2，Cl2，H2等无红外活性却有拉曼活性。

是由于这些分子平衡态或伸缩振动引起核间距变化但无偶极矩改变，对振动频率 (红外光 )不产生吸收。

但两原子间键的极化度在伸缩振动时会产生周期性变化：核间距最远时极化度最大，最近时极化度最小。

由此产生拉曼位移。

二、特征光谱的差异红外光谱：对极性基团和非对称性振动敏感，适合于分子端基的测定拉曼光谱：适合于分子骨架的测定。

两者关系：都是活性的，基团频率等效、通用。

但红外光谱参考资料和标准图谱全，占明显优势。

拉曼光谱长处：去偏度→对称性；共振拉曼→具有生色团大分子；水溶液测定→生化、无机拉曼光谱不足：试样的颜色，荧光干扰，激光对样品的损伤等三、方法差异拉曼光谱红外光谱40~4000cm-1 400~4000cm-1水可以作溶剂水不能作溶剂样品可以在玻璃容器或毛细管不能在玻璃容器中测量中测量固体样品可以直接测量需研碎用 KBr 压片§11-3 激光拉曼光谱仪早期的拉曼光谱使用汞弧灯作为激发光源，由于拉曼光谱信号很弱，试样量大，曝光时间长杂质引起的荧光会淹没拉曼光谱。

1960 年，激光出现后为拉曼光谱提供了理想的光源。

激光的优势：亮度极强，单色性极好，极好的准直性，几乎完全是线偏振光，简化了去偏振度的测量。

一、色散型激光拉曼光谱仪色散型激光拉曼光谱仪主要由以下几个部分组成：激光光源→样品室→色散系统（双单色仪）→检测器→数据处理系统。

1、激光光源：由于拉曼散射很弱，因此要求光源强度大，一般用激光光源。

色散型拉曼有可见及红外激光光源，如具有308nm，351nm发射线的紫外激光器；Ar+ 激光器一般在488.0nm, 514.5nm等可见区发光；而Nd:YaG激光器则在1064nm近红外区使用。

2、试样室有液体池、气体池和毛细管。

对固体样品、薄膜可以置于特制的样品架上。

3、单色器：色散型拉曼光谱仪有多个单色器。

主要是有效的消除杂散光。

由于测定的拉曼位移较小，因此仪器需要较高的单色性。

在傅立叶变换拉曼光谱仪中，以迈克尔逊干涉仪代替色散元件，光源利用率高，可采用红外激光，用以避免分析物或杂质的荧光干扰。

4、检测器：多采用光电倍增管，光子计数器；二、傅立叶变换 -近红外拉曼光谱仪傅立叶变换拉曼光谱仪主要有以下几个部分组成：激光光源→样品室→相干滤波器→干涉仪→检测器→计算机处理数据 ( 进行傅立叶变换 ) 。

1、光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（ 1.064 m）；检测器：高灵敏度的铟镓砷探头；特点：（1）避免了荧光干扰；（2）精度高；（3）消除了瑞利谱线；（ 4）测量速度快。

2、迈克尔逊干涉仪三、激光显微拉曼光谱仪§11-4 激光拉曼光谱的应用拉曼光谱的应用范围十分广泛。

对于研究有机物的结构，拉曼光谱的应用远不如红外，但拉曼光谱适合于水溶液中有机物的测定，它适合于测定有机分子的骨架。

一、由拉曼光谱提供有机化合物结构信息：1、分子中含有 -S-S-，-C=C-，-C=S-，-C-N-，-N=N- ，C C 产生强拉曼谱带，特征明显，适合于拉曼光谱研究，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般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。

3、环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。

4、在拉曼光谱中， X=Y=Z ，C=N=C ，O=C=O- 这类键的对称伸缩振动是强谱带，反这类键的对称伸缩振动是弱谱带。

红外光谱与此相反。

5、C-C 伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。

6、醇和烷烃的拉曼光谱是相似的二、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。

2、拉曼一次可以同时覆盖40-4000 波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。

而中红外光谱覆盖400-4000 波数，若覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器。

3、拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。

在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

4、因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2 毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。

这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。

而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20 微米甚至更小，可分析更小面积的样品。

5、共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000 到 10000 倍。

6、表面增强拉曼SERS(Surface-Enhanced Raman Scattering)是用通常的拉曼光谱法测定吸附在胶质金属颗粒如银、金或铜表面的样品，或吸附在这些金属片的粗糙表面上的样品。

被吸附的样品其拉曼光谱的强度可提高103-106倍。

如果将表面增强拉曼与共振拉曼结合，光谱强度的净增加几乎是两种方法增强的和。

检测限可低至10-9-10-12摩尔 /升。

表面增强拉曼主要用于吸附物种的状态解析等。