拉曼光谱与红外光谱分析方法比较

拉曼光谱发展历史，原理及应用

陈广宵 09506002

摘 要：论文综述拉曼光谱的发展历史，原理及应用。以及简介高温拉曼光谱技术。 关键词：拉曼光谱 原理 高温拉曼光谱技术

1.拉曼光谱的发展历史

印度物理学家拉曼于1928 年用水银灯照射苯液体, 发现了新的辐射谱线: 在入射光频率ω0 的两边出现呈对称分布的, 频率为ω 0- ω和ω 0+ ω的明锐边带, 这是属于一种新的分子辐射, 称为拉曼散射, 其中ω是介质的元激发频率。拉曼因发现这一新的分子辐射和所取得的许多光散射研究成果而获得了1930 年诺贝尔物理奖。与此同时, 前苏联兰茨堡格和曼德尔斯塔报导在石英晶体中发现了类似的现象, 即由光学声子引起的拉曼散射, 称之谓并合散射。法国罗卡特、卡本斯以及美国伍德证实了拉曼的观察研究的结果。然而到1940 年,拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱( 约为入射光强的10- 6) , 人们难以观测研究较弱的拉曼散射信号, 更谈不上测量研究二级以上的高阶拉曼散射效应。并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40 年代中期, 红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。【1】1960 年以后, 红宝石激

第二节 激光拉曼光谱分析

激光拉曼光谱分析的基本概念

激光拉曼光谱分析是利用物质对入射光产生的拉曼散射来研究分子的振动，从而对物质（分子）进行定性、定量和结构分析的一种分析方法。 光的散射：

丁铎尔散射: 是指光通过含有许多大质点(其颗粒大小的数量级等于光的波长)的介质时产生的散射。乳状液、悬浮液、胶体溶液等引起的散射属于此类。

分子散射: 又可分为瑞利散射和拉曼散射。它们都是由比光的波长小得多的分子或分子聚集体与光作用而产生的。 瑞利散射

当光子与物质中的分子发生完全弹性碰撞时，光子与分子之间没有能量交换，则光子的能量保持不变，散射光的频率与入射光的频率相同，只是光子的运动方向发生改变。这种散射是完全弹性散射，文献上通常称之为瑞利散射。 拉曼散射

当光子与物质中的分子发生非完全弹性碰撞时，光子与分子之间将发生能量交换，光子把一部分能量传给分子，或者从分子那里得到一部分能量，光子的能量就会减少或增加。这样，光子不仅改变了运动方向，其频率也与入射光的频率不同。这种由非完全弹性碰撞产生的非完全弹性散射，称为拉曼散射。拉曼散射光与瑞利散射光的频率差称为拉曼位移。

实验一 红外光谱分析实验

一、学时：2学时

二、实验类型：演示性实验 三、实验目的：

1.了解傅立叶变换红外光谱仪的基本构造及工作原理 2.学习高分子聚合物红外光谱测定的制样方法 3.学会用傅立叶变换红外光谱仪进行样品测试 4.掌握几种常用的红外光谱解析方法 四、实验原理

红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。波长在0.78～300μm。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在0.78～2.5μm（波数在12820～4000cm-1），又称泛频区；中红外区：波长在2.5～25μm（波数在4000～400cm-1），又称基频区；远红外区：波长在25～300μm（波数在400～33cm-1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。

红外及拉曼光谱都是分子振动光谱。通过谱图解析可以获取分子结构的信息。作为红外光谱的特点，首先是应用面广，提供信息多且具有特征性，故把红外光谱通称为\分子指纹\。它最广泛的应用还在于对物质的化学组成进行分析。用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。其次，它不受样品相态的限制，无论是固态、液态以及气态都能直接测定，甚至对

现代材料物理研究方法 第八讲

拉曼光谱分析吴志国 兰州大学等离子体与金属材料研究所

主要内容

红外光谱(IR) 拉曼光谱(Raman) 紫外-可见光谱分子振动光谱

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 ，

尤其是现代材料分析

拉曼光谱的原理拉曼效应：

当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作 用时，大部分光子仅是改变了方向，发生散射，而光的

频率仍与激发光源一致，这种散射称为瑞利散射。

但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向，而且 也改变了光波的频率，这种散射称为拉曼散射。其散射 光的强度约占总散射光强度的10-3。

拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换， 改变了光子的能量。4

拉曼原理hn Rayleigh scattering: I λ-4 hn’ n = n’ n = n’

n = n’ 这种现象称为拉曼散射 激发态

虚能级 准激发态 anti stokes stokes

基态Raman Rayleigh Raman scattering5

拉曼原理

斯托克斯(Stokes)拉

紫外与红外光谱分析法试题 二、选择题

1.在光学分析法中, 采用钨灯作光源的是 A原子光谱 B分子光谱 C可见分子光谱 D红外光谱

2.在紫外光谱中，?max 最大的化合物是 P67

3.物质的紫外-可见吸收光谱的产生是由于 A 分子的振动 B 分子的转动

C 原子核外层电子的跃迁 D 原子核内层电子的跃迁

4.按一般光度法用空白溶液作参比溶液，测得某试液的透射比为 10%，如果更改参比溶液，用一般分光光度法测得透射比为 20% 的标准溶液作参比溶液，则试液的透光率应等于 A 8% B 40% C 50% D 80%

5.用实验方法测定某金属配合物的摩尔吸收系数?，测定值的大小决定于 A 配合物的浓度 B 配合物的性质C 比色

必要

概述

第十章 红外光谱和激光 拉曼光谱分析法Laser Raman spectroscopy

10.5.1 激光拉曼光谱 原理 10.5.2 激光拉曼光谱 仪 10.5.3 激光拉曼光谱 分析法的应用

第五节 激光拉曼 光谱分析法laser Raman spectroscopy analysis

2012-2-21

必要

概述激发虚态

h(ν0 - ν ν ν)

Rayleigh散射： E1 + hν0 ν 弹性碰撞； E0 + hν0 ν 无能量交换，仅 hν0 ν 改变方向； hν0 hν ν hν0 + ν ν ν0 Raman散射： V=1 非弹性碰撞； E1 V=0 方 向 改 变 且 有 能 E0 h ν 量交换； Rayleigh散射 Raman散射 E0基态， E1振动激发态； E0 + hν0 , E1 + hν0 激发虚态。 (1928年印度物理学家Raman 发现；1930年获诺贝尔奖； 1960年快速发展)。2012-2-21

必要

10.5.1 拉曼光谱原理 散射与Raman位移 一、 Raman散射与 散射与 位移1. Raman散射 散射Raman散射的两种跃迁能 量差： E=h(ν0 - ν) 产生stokes线；

第二章 红外光谱和拉曼光谱技术研究阴离子型层状及插层材料的结构

红外光谱和拉曼光谱技术是相当成熟的分子结构研究手段，目前已经应用于多种阴离子型层状结构LDHs的层板阳离子、层间阴离子的研究[1-21]。LDHs中的水是一个很强的红外吸收体，因此，红外光谱中很难观察到层板羟基的伸缩振动吸收峰。但是，水又是一个很差的散射体，层板羟基的伸缩振动可以很容易在拉曼光谱中观察到，因此拉曼光谱法在LDHs研究中逐渐得到人们的重视[18]。近年来，红外发射光谱技术、热分析/红外光谱联用技术、原位红外和拉曼光谱技术等已经被用来研究LDHs的热稳定性及有机阴离子插层LDHs的热分解过程[21-26]。相关红外光谱和拉曼光谱技术在LDHs中的应用研究综述详见文献[27]。

2.1. LDHs层板的振动光谱 2.1.1. MgAl-LDHs的振动光谱

MgAl-LDHs在目前的文献中研究最多，下面以MgAl-LDHs为例说明LDHs层板的振动光谱峰位归属，并且对不同金属阳离子组成的LDHs层板的振动光谱进行比较分析。MgAl-LDHs的红外光谱谱图在3450cm-1处可以观察到一个强而宽的吸收峰（图2-1），这是由两个或三个羟基伸缩振动和层间水分子伸缩振动重叠而成的

第二章 红外光谱和拉曼光谱技术研究阴离子型层状及插层材料的结构

红外光谱和拉曼光谱技术是相当成熟的分子结构研究手段，目前已经应用于多种阴离子型层状结构LDHs的层板阳离子、层间阴离子的研究[1-21]。LDHs中的水是一个很强的红外吸收体，因此，红外光谱中很难观察到层板羟基的伸缩振动吸收峰。但是，水又是一个很差的散射体，层板羟基的伸缩振动可以很容易在拉曼光谱中观察到，因此拉曼光谱法在LDHs研究中逐渐得到人们的重视[18]。近年来，红外发射光谱技术、热分析/红外光谱联用技术、原位红外和拉曼光谱技术等已经被用来研究LDHs的热稳定性及有机阴离子插层LDHs的热分解过程[21-26]。相关红外光谱和拉曼光谱技术在LDHs中的应用研究综述详见文献[27]。

2.1. LDHs层板的振动光谱 2.1.1. MgAl-LDHs的振动光谱

MgAl-LDHs在目前的文献中研究最多，下面以MgAl-LDHs为例说明LDHs层板的振动光谱峰位归属，并且对不同金属阳离子组成的LDHs层板的振动光谱进行比较分析。MgAl-LDHs的红外光谱谱图在3450cm-1处可以观察到一个强而宽的吸收峰（图2-1），这是由两个或三个羟基伸缩振动和层间水分子伸缩振动重叠而成的

【红外光谱图分析方法】

（1）首先依据谱图推出化合物碳架类型：根据分子式计算不饱和度，公式：

不饱和度＝F+1+(T-O)/2 其中：

F：化合价为4价的原子个数（主要是C原子）， T：化合价为3价的原子个数（主要是N原子）， O：化合价为1价的原子个数（主要是H原子），

（2）分析3300~2800cm-1区域C-H伸缩振动吸收；以3000 cm-1为界：高于3000cm-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收，有可能为烯，炔，芳香化合物，而低于3000cm-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收；

（3）若在稍高于3000cm-1有吸收,则应在 2250~1450cm-1频区，分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰，其中： 炔 2200~2100 cm-1 烯 1680~1640 cm-1

芳环 1600,1580,1500,1450 cm-1 若已确定为烯或芳香化合物，则应进一步解析指纹区，即1000~650cm-1的频区，以确定取代基个数和位置（顺反，邻、间、对）；

（4）碳骨架类型确定后,再依据其他官能团，如 C=O, O-H, C-N 等特征吸收来判定化合物的官能团；

（5）解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在,如

红外、拉曼光谱习题

一． 选择题

1．红外光谱是（ AE ）

A：分子光谱 B：原子光谱 C：吸光光谱 D：电子光谱 E：振动光谱

2．当用红外光激发分子振动能级跃迁时，化学键越强，则（ ACE ） A：吸收光子的能量越大 B：吸收光子的波长越长 C：吸收光子的频率越大 D：吸收光子的数目越多 E：吸收光子的波数越大

3．在下面各种振动模式中，不产生红外吸收的是（AC ） A：乙炔分子中对称伸缩振动 B：乙醚分子中不对称伸缩振动 C：CO2分子中对称伸缩振动 D：H2O分子中对称伸缩振动 E：HCl分子中H－Cl键伸缩振动

4．下面五种气体，不吸收红外光的是（ D ）

Ａ：H2O Ｂ：CO2 Ｃ：HCl Ｄ：N2

5 分子不具有红外活性的,必须是（ D ） Ａ：分子的偶极矩为零 Ｂ：分子没有振动

Ｃ：非极性分子

Ｄ：分子振动时没有偶极矩变化 Ｅ：双原子分子

6．预测以下各个键的振动频率所落的区域，正确的是（ ACD ）

?1Ａ：Ｏ－Ｈ伸缩振动数在4000～2500cm B:C-O伸缩振动波数在2500～1500cm

?1C:N-H弯曲