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拉曼光谱法

发布时间:2017-06-02  浏览次数:1873

一、引言

拉曼散射效应是以此现象的发现者一——印度物理学家C.V.Raman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。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手段之一。20世纪40年代,由于当时的仪器技术水平所限,也由于红外光谱技术的迅速发展,拉曼光谱一度处于低潮阶段。20世纪60年代初,激光器的出现为拉曼光谱提供了理想的光源,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、禁违毒品、爆炸物及化工产品的分析中。

二、方法原理

1、拉曼散射效应

当激发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,而光的频率仍与激发光的频率相同,这种散射称为瑞利散射;约占总散射光强度的10-6~10-10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,不同于激发光的频率,称为拉曼散射(Raman scattering)。产生拉曼散射的原因是光子与分子之间发生了能量交换,如图16.1所示。

对于斯托克斯(Stokes)拉曼散射来说,分子由处于振动基态EO被激发至激发态E1,分子得到的能量为△E,恰好等于光子失去的能量:

与之相对应的光子频率改变△v为:

式中,h为普朗克常数。此时,斯托克斯散射的频率vs为:

斯托克斯散射光的频率低于激发光频率v0。

同理,反斯托克斯(anti-Stokes)散射光的频率vas为:

反斯托克斯散射光的频率高于激发光频率。

斯托克斯与反斯托克斯散射光的频率与激发光频率之差△v统称为拉曼位移(Raman shift)。斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多,拉曼光谱仪通常测定的大多是斯托克斯散射。

拉曼位移△v取决于分子振动能级的改变,不同的化学键或基团有不同的振动,△E反映了指定能级的变化,因此,与之相对应的拉曼位移△v也是特征的。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的理论依据。

2、拉曼活性的判断

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。下面我们以分子振动为例,说明极化率a是否发生改变。

分子在光波的交变电磁场作用下会诱导出电偶极矩:

式中,μ是分子诱导的偶极矩;E是激发光的交变电场强度;a是分子极化率(polarizability)。

分子极化率的改变与分子振动有关:

式中,a0是分子在平衡位置的极化率;q是双原子分子的振动坐标:

Q=r—re

其中,r是双原子分子核间距;re是平衡位置时的核间距;(da/dq)0是平衡位置时,a对q的导数。

将式(16.4)代入式(16.3),整理后可得:


上式中的第一项对应于分子散射光频率等于激发光频率的瑞利散射;第二项对应于散射光频率发生位移改变的拉曼散射,其中v0一v为斯托克斯线,v0+v为反斯托克斯线。由以上推导可知,(da/dq)0≠0是拉曼活性的依据,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。

3、拉曼光谱和红外光谱的关系

从产生光谱的机理来看,拉曼光谱是分子对激发光的散射,而红外光谱是分子对红外光的吸收,但两者都是研究分子振动的重要手段,同属分子光谱。一般来说,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动,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,分子对称骨架振动在红外光谱上几乎看不到。拉曼光谱和红外光谱是互相补充的。

对任何分子来说,判断其拉曼或红外是否具有活性,粗略地可用下面的规则来判别:

(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,则其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(一些罕见的点群和氧的分子除外)。

(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动,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得不到它的谱峰。

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,才能对分子作出正确的指认。


三、仪器结构与原理

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,如图16.2所示。

当激光经反光镜照射到样品时,通常是在与入射光成900的方向收集散射光。为抑制杂散光,常采用双光栅单色器,在特殊需要时(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。

图16.3为环己烷的拉曼光谱图。横坐标是拉曼位移,以cm-1为单位,纵坐标为拉曼散射光的强度。

下面将激光拉曼光谱仪各主要组成部分分别介绍如下。

1、激光器

在拉曼光谱仪使用的激光光源中最常用的是氩离子激光器。以Spectra-Physics公司生产的2020型Ar+激光器为例,全线输出功率为5W,单线输出功率为2W。最常用的两条激发线的波长为514.5nm(绿光)和488.Onm(蓝光)。若额定输出功率为2W,由Ar+激光器可得到的各激发线的波长和功率如表16.1所示。

由于Ar+激光器可以提供多条功率不同的分立波数的激发线,为一定波长范围的共振拉曼提供了可能的光源。需要指出的是,一般说来,使用激发光的波长不同,所测得的拉曼位移(△v=|v0一vs|)是不变的,只是强度不同而已。

2、样品室

样品室的功能有两个:一是使激光聚焦在样品上,产生拉曼散射,故样品室装有聚焦透镜;二是收集由样品产生的拉曼散射光,并使其聚焦在双单色仪的入射狭缝上,因此样品室又装有收集透镜。

为适应固体、薄膜、液体、气体等各种形态的样品,样品室除装有三维可调的样品平台外,还备有各种样品池和样品架,如单晶平台、毛细管、液体池、气体池和180。背散射架等。为适应动力学实验及恒温实验需要,样品室可以改装为大样品室,并可配置高温炉或液氮冷却装置,以满足实验中的控温需要。对于一些光敏、热敏物质,为避免激光照射而分解,可将样品装在旋转池中,保证拉曼测试正常进行。

3、双单色仪

双单色仪顾名思义由两个单色仪串联而成(见图16.4),内有两块1800线/mm的全息光栅G和5块反射镜M,并有4个狭缝——入口狭缝S1、出口狭缝S2、中间狭缝S3与S4。

从样品室收集而得的拉曼散射光,通过入射狭缝S1进入双单色仪,经光栅G分光,由中间狭缝S3和S4进一步减小杂散光对测量的干扰,尔后,由出射狭缝S2进入光电倍增管。

为减少杂散光的影响,整个双单色仪的内壁及狭缝均为黑色。为保证测量的精度,整个双单色仪装有恒温装置,保证工作温度为24℃。

双单色仪是拉曼光谱仪的心脏,要求环境清洁。灰尘对双单色仪的光学元件镜面的沾污是严重的,必要时要用洗耳球吹拂除去镜面上的灰尘。但切忌用粗糙的滤纸或布抹擦,以免划破光学镀膜;也不要用有机溶剂擦洗,以免损坏光学镀膜。

4、光电检测器

以SPEXl403激光拉曼光谱仪配置的RCA—C31034光电倍增管为例,它是砷化镓(GaAs)阴极光电倍增管,量子效率较高(17%~37%),光谱响应较宽(300~860:nm)。在-30℃冷却情况下,暗计数小于20c/s(COLInts persecond,计数每秒)。正因为它十分灵敏,它的计数上限为106c/s,特别要注意避免强光的进入,在拉曼测试设置参数时,一定要把瑞利线挡住,以免因瑞利线进入,造成过载而烧毁光电倍增管。

长时间冷却光电倍增管,会使它的暗计数维持在较低的水平,这对减少拉曼光谱的噪声,提高信噪比是有利的。

四、实验技术

1、显微拉曼技术

无论是液体,还是薄膜、粉末,测定它们的拉曼光谱时,无需特殊的制样处理,均可直接测定。为了对一些不均匀的样品,如陶瓷的晶粒与晶界组成,断裂材料的缺口组成等,以及不便于直接取样的样品进行分析,人们发展了显微拉曼技术。利用光学显微镜,将激光会聚到样品的微小部位(直径小于几微米),采用电视摄像管、监视器等装置,可直接观察到放大图像,以便把激光点对准待测定的微小部位,经光束转换装置,即可将微区的拉曼散射信号聚焦到单色仪入射狭缝,得到指定微区部位的拉曼光谱图。仪器装置的光路图如图16.5所示。

显微拉曼分析的最大特点是可以对微区进行无损分析,在常温、常压下操作,同时直接测出样品的放大图像和拉曼谱图。这是不同于电子显微镜(高真空条件,需制样,且不能得到分子振动光谱),也不同于X衍射分析(不能提供微区结构信息的差异)的。显微拉曼技术已广泛应用于高聚物、生物活体组织、陶瓷以及矿物分析中。

2、退偏比的测量

一般光谱只能得到频率和强度两个参数,而拉曼光谱还可以测得另一个主要参数——退偏比,使拉曼光谱在测定分子结构的对称性及晶体结构方面有着重要意义。

为了描述拉曼散射的偏振性能,定量计算分子的对称性,定义了参数退偏比ρ:

10=I┸/I∥ (16.6)

式中,I┸是偏振器在垂直于入射光方向时测得的散射光强度;I∥是偏振器在平行于入射光方向时测得的散射光强度。

对于对称振动,如CH4,ρ=0;对于非对称的分子,其极化率常常是各向异性的,ρ=3/4。一般分子的退偏比介乎0与3/4之间,分子的对称性越高,其退偏比越趋近于0,如果测得ρ→3/4,则为不对称结构。

为了在仪器上比较方便地测得样品的退偏比,采用了起偏器、检偏器和扰偏器等附件。起偏器可装在激光器上,使入射光改变光波偏振方向。检偏器装在收集散射光的光路中,检测不同偏振方向的散射光。各部件的位置示意如图16.6。

3、激光拉曼遥测技术

在光路中若采用光导纤维,则可以进行遥测。激光经光导纤维可进行远距离传输,同时,拉曼光谱信号也可远距离返回拉曼光谱仪,这大大拓宽了拉曼光谱技术的应用范围。对于化学反应的实时分析、环境检测以及电极表面反应的跟踪等来说是有力的测试手段。特别是对于有毒、有放射性污染的环境中的过程进行遥控,提供了新的分析技术。此外,对于熔融盐体系、高聚物的熔化以及生物过程的研究都是未来实时分析的新领域。

4、傅里叶变换近红外激光拉曼光谱仪

传统的光栅分光的拉曼光谱仪,逐点扫描,单道记录,为得到一张高质量的谱图必须经多次累加,十分费时间。另外,拉曼光谱仪所用的是可见光范围的激光,能量大大超过产生荧光的阈值,十分容易激发出荧光,使拉曼信号“淹没”,以致无法测定。下面将介绍20世纪80年代末推出的傅里叶变换近红外激光拉曼光谱仪(near infrared-Fourier trans form Raman spectrometer,NIR-FT-Raman),其光路如图16.7所示。

傅里叶变换拉曼光谱(FT-Raman)仪的光路与傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪的光路相似,由激光光源、样品室、迈克尔逊干涉仪、特殊滤光器、检测器所组成,检测到的信号经放大由计算机收集处理。现将各主要部件分述如下。

(1)近红外激光光源:用一台Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器,产生波长为1.064μm的近红外激发线,它的能量低于荧光激发所需阈值,从而避免了大部分荧光对拉曼光谱的干扰。不足之处是1.064μm近红外激发光比可见光波长要长约一倍,受拉曼散射截面随激发线波长呈1/λ4规律递减的制约,它的散射截面仅为可见光(λ=514.5nm)的1/16,因而使散射光的强度减小,影响了仪器的信噪比,不过,这可用增加扫描次数来弥补。

(2)样品室:激发光被样品散射后,由中心带小孔的抛物面会聚透镜收集,收集面为整个背散射的1800,以尽可能多地收集拉曼信号。

(3)迈克尔逊干涉仪:这与傅里叶变换红外使用的干涉仪一样,只是将分束器改换成石英分束器,以便近红外光透过。整个拉曼光谱范围的散射光经过干涉仪,所得的干涉图经计算机进行快速傅里叶变换后,即可直接得到拉曼散射强度随拉曼位移变化的拉曼光谱图。一般的扫描速度每分钟可得到20张谱图,大大加快了分析速度,即使多次累加,以改善谱图的信噪比,也比传统的拉曼光谱仪快得多。

(4)特殊的滤光器:可滤出比拉曼散射强106~1010倍的瑞利散射。目前采用1~3个介电干涉滤光器组合分级滤光的办法。

(5)检测器:目前采用InGaAs检测器(可在室温下工作),信噪比高。也有采用灵敏度较高的液氮冷却的锗二极管检测器,但花费甚高。

FT-Raman光谱仪的优点是无荧光干扰,扫描速度快,分辨率高

五、实验

(一)有机酸的拉曼光谱测定

1、实验目的

(1)初步了解激光拉曼光谱仪的各主要部件的结构和性能。

(2)初步掌握测定样品的基本参数的设定与操作要领。

(3)测定1~2种有机酸的拉曼光谱,并作指认。

2、实验原理

拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的。拉曼位移取决于分子振动能级的变化,不同化学键或基团有特征的分子振动,△E反映了指定能级的变化,因此与之对应的拉曼位移也是特征的。

以下对有机酸中有关基团的拉曼特征频率作一简单介绍。

(1)C-H振动

对于C—H伸缩振动的谱带,正烷烃一般在2980~2850cm~-1。烯烃中=CH2,=CHR基的谱带在3100~3000cm-1。芳香族化合物中C—H振动谱带则在3050cm-1附近。

C—H变形振动包括剪式振动、面内面外摇摆和扭曲4种模式,其频率范围分别为:正烷烃中甲基的HCH面外变形频率为1466~1465cm-1,根据碳原子数的不同稍有区别;甲基和亚甲基的面内变形频率在1473~1446cm-1;甲基的剪式振动频率在1385~1368cm-1;甲基HCH面内变形振动还有975~835cm-1处的谱带。

亚甲基扭曲振动与面内摇摆的混合谱带在1310~1175cm-1,亚甲基面内摇摆和扭曲的混合谱带在1060~719cm-1。CH3—CH2一扭曲在280~220cm-1,而一CH2一CH2一扭曲则在153~0cm-1。

(2)C-C骨架振动

由于拉曼光谱对非极性基团的振动和分子的对称振动比较敏感,因此在研究有机化合物的骨架结构时,用拉曼较红外有利。红外因对极性基团和分子的非对称振动敏感,适合测定分子的端基。

正烷烃中C—C伸缩振动频率在1150~950 cm-1。C—C -C变形振动频率在425~150cm-1。伸缩振动频率与碳链长短无关,而变形振动频率则是碳链长度的函数,因此,变形振动频率是链长度的特征。

(3)C=O振动

酸类的C=O对称伸缩振动频率随物理状态不同而有差异,如甲酸单体为1170cm-1,二聚体为1754cm-1。90℃下的液体为1679cm-1,O℃以下的液体为1654cm-1。35%~10O%水溶液为1672cm-1。

酸酐中的C=O对称伸缩振动在1820cm-1,反对称伸缩振动在1765cm-1,而其他链状饱和酸酐则在1805~1799cm-1和1745~1738cm -1。

在进行有机化合物拉曼谱的指认时,基团特征频率是定性分析的重要依据。但也要注意这个基团的频率在化学环境的影响下发生的位移,包括位移的方向和大小。此外,谱带的相对强度和谱峰的形状也应综合考虑。

3、仪器与试剂

仪器:拉曼光谱仪。

试剂:CCl4、甲酸、丙烯酸。

4、实验内容与步骤

(1)以四氯化碳为样品,了解激光拉曼光谱仪的正确操作过程,并调节光路,得到四氯化碳的拉曼谱图。用460cm-1特征峰的强度评价仪器的状态。

(2)用毛细管封装有机酸样品。注意,封装毛细管时,要均匀转动毛细管,使封口光滑,并保持毛细管平直。试样尽量保持居中,管中约有1~2mm液体即可。测定每一种有机酸样品的拉曼光谱,存储数据并打印出拉曼光谱图。

5、注意事项

在调试激光光路时,注意眼睛不要直视激光光束,要绝对防止激光直视视网膜,以防烧伤致残。

6、数据处理

记录拉曼光谱图,查阅标准拉曼光谱图并作指认。

六、碳纳米管的拉曼光谱测定

1、实验目的

(1)初步了解显微共焦激光拉曼光谱仪的各主要部件的结构和性能。

(2)掌握测定碳纳米管样品的基本参数设定。

(3)测定碳纳米管的拉曼光谱,并进行指认。

2、实验原理

拉曼散射是分子振动能级改变的结果。对无机化合物进行拉曼测试时,离子化合物没有拉曼散射峰,只有共价键才有拉曼散射。因此相对于有机化合物的拉曼谱来说更为简单。但由于有些无机化合物的荧光不容易猝灭,采用近红外激光测定它们的拉曼谱是比较合适的。

无机化合物的拉曼光谱有以下特点:首先,在分子振动时,水的极化率变化很小,其拉曼散射较弱,在1600~1700em-1范围内不会产生大的干扰,对无机水溶液的测试比红外方便得多;其次,各金属一配位键的振动频率都在100~700cm-1范围内,对于拉曼光谱来说,只要采用合适的滤光片将瑞利散射的干扰除去,无需更换其他附件就可以涵盖这一段光谱区域,而对于红外光谱来说,这段区域位于远红外区,需要采用附加的远红外附件及特殊的检测器,才可以得到无机物的远红外光谱。

金属离子和配位体问的共价键常具有拉曼活性,由此拉曼光谱可提供有关配位化合物的组成、结构和稳定性等信息。例如,大量的卤素和类卤素配合物都有较强的拉曼活性,宜用拉曼进行研究;又如金属-氧键也有拉曼活性,像VO3-4,Al(OH)-4,Si(OH)2-6和Sn(OH)2-6都可以用拉曼光谱进行分析,从而得到其性质。如由拉曼光谱可以得出在高氯酸溶液中,钒(Ⅳ)是以VO2+(aq)的状态存在,而不是以V(OH)2+(aq)的状态存在的结论。同样可以证明在硼酸溶液中解离出的阴离子是以四面体的B(OH)-4形式,而不是以H2BO-3的形式存在。

3、仪器与试剂

仪器:显微共聚焦拉曼光谱仪。

试剂:多壁碳纳米管。

4、实验内容与步骤

(1)以多壁碳纳米管为样品,了解与掌握显微共焦拉曼光谱仪的正确操作步骤,学习调节显微镜及获取显微图像的方法,选择合适的聚焦点。

(2)预设测定碳纳米管的各项参数

激光器:633nm He-Ne激光器;

激光功率:50%~100%power;

扫描范围:100~2000cm-1;

物镜:放大倍数为20倍;

扫描条件;积分时间(电感耦合检测器CCD)20s;

累加次数:3次。

(3)测量并记录碳纳米管的拉曼光谱。

(4)光谱测试完毕后,在实验室人员指导下,关闭激光器。

5、数据处理

记录并打印所得的碳纳米管的拉曼光谱图,并对其中的拉曼峰进行指认,计算D带(约1350cm-1)与G带(约1580cm-1)的比值。

七、合成橡胶的红外光谱和拉曼光谱分析

1、实验目的

(1)了解傅里叶变换红外和拉曼光谱仪的各主要部件的结构和性能;

(2)掌握测定橡胶样品拉曼光谱的基本参数设定和了解测定红外光谱中所需的衰减全反射附件;

(3)测定合成橡胶的红外和拉曼光谱,进行指认,并对比其异同。

2、实验原理

(1)衰减全反射光谱(attenuated total reflection spectra,ATRS)是研究黑色样品和薄膜样品的有效手段。当光束J。由一种光学介质进入到另一种光学介质时,光线在两种介质的界面将发生反射和折射现象。发生全反射现象必须具备介质1的折射率要大于介质2的折射率和入射角要大于临界角这两个条件。又由于样品对红外辐射有选择的吸收,使得透入到样品的光束在发生吸收的波长处减弱,即称之为衰减全反射。

(2)合成橡胶中的C=C和C≡N伸缩振动在拉曼光谱中有明显的散射峰,而在红外光谱中没有吸收峰。在红外光谱中较强的CH峰的变角振动在拉曼光谱中却没有信号。由此可见,拉曼和红外光谱能相互补充从而得到完整的分子振动能级跃迁的信息。

3、仪器与试剂

仪器:傅里叶变换红外和拉曼光谱仪。

试样:合成橡胶。

4、实验内容与步骤

(1)测定合成橡胶的傅里叶变换拉曼光谱。

(2)学习ATR附件的使用,测定合成橡胶的傅里叶变换红外光谱。

(3)打印光谱图,并解析谱图。

5、注意事项

(1)使用ATR附件测量红外光谱时,要注意将橡胶样品压紧,并且不要挡住ATR晶体的入射面和反射面。

(2)测量橡胶的拉曼光谱时,依据检测谱图的方式逐步调节激光功率,保证在不损伤样品的条件下得到最佳的光谱信号。橡胶是黑色样品,注意观测当功率加大时的热背景并设法降低之。

(3)光谱测试完毕后,将激光功率调小至待机状态,然后关闭激光器。

6、数据处理

记录橡胶的红外和拉曼光谱图,查阅有关标准光谱图进行指认,并比较其异同。


 
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