06 拉曼光譜及其在生命科學(xué)中的應(yīng)用（raman）

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1、拉曼光譜法簡(jiǎn)介拉曼光譜是分子振動(dòng)光譜的一種，它屬于散射光譜。拉曼散射效應(yīng)是1928年印度科學(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)的。拉曼光譜與紅外光譜在化合物結(jié)構(gòu)分析上各有所長(zhǎng)，可以相輔相成，更好地研究分子振動(dòng)及結(jié)構(gòu)組成。1.拉曼散射用單色光照射透明樣品，大部分光透過而小部分光會(huì)被樣品在各個(gè)方向上散射。散射分為瑞利散射與拉曼散射兩種。1.瑞利散射：若光子與樣品分子發(fā)生彈性碰撞，即光子與分子之間沒有能量交換，光子的能量保持不變，散射光頻率與入射光相同，但方向可以改變。這是彈性碰撞，叫瑞利散射。2.拉曼散射：當(dāng)光子與分子發(fā)生非彈性

2、碰撞時(shí)，產(chǎn)生拉曼散射。處于振動(dòng)基態(tài)的分子在光子作用下，激發(fā)到較高的不穩(wěn)定的能態(tài)（虛態(tài)）后又回到較低能級(jí)的振動(dòng)激發(fā)態(tài)。此時(shí)激發(fā)光能量大于散射光能量，產(chǎn)生拉曼散射的斯托克斯線，散射光頻率小于入射光。若光子與處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)（V1）的分子相互作用，使分子激發(fā)到更高的不穩(wěn)定能態(tài)后又回到振動(dòng)基態(tài)（V0）,散射光的能量大于激發(fā)光，產(chǎn)生反斯托克斯散射，散射光頻率大于入射光。υ0+Δυυ0υ0-Δυ反斯托克斯散射瑞利散射斯托克斯散射拉曼散射機(jī)制圖示常溫下分子大多處于振動(dòng)基態(tài)，所以斯托克斯線強(qiáng)于反斯托克斯線。在一般拉曼光

3、譜圖中只有斯托克斯線。拉曼散射中散射線頻率與激發(fā)光（入射光）頻率都有一個(gè)頻率差+??或-??。??叫拉曼位移，其值取決于振動(dòng)激發(fā)態(tài)與振動(dòng)基態(tài)的能級(jí)差，??=???h。同一振動(dòng)方式產(chǎn)生的拉曼位移頻率和紅外吸收頻率是相等的。拉曼光譜圖縱坐標(biāo)為譜帶強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為拉曼位移頻率，用波數(shù)表示。3.拉曼選律只有產(chǎn)生偶極矩變化的振動(dòng)是紅外活性的，即紅外光譜譜帶強(qiáng)度正比于振動(dòng)中原子通過它們平衡位置時(shí)偶極矩的變化。拉曼活性取決于振動(dòng)中極化度是否變化，只有極化度有變化的振動(dòng)才是拉曼活性的。所謂極化度就是分子在電場(chǎng)（如光波這

4、種交變的電磁場(chǎng)）的作用下分子中電子云變形的難易程度。拉曼光譜強(qiáng)度與原子在通過平衡位置前后電子云形狀的變化大小有關(guān)。拉曼譜線強(qiáng)度正比于誘導(dǎo)偶極矩的變化。在分子中，某個(gè)振動(dòng)可以是既是拉曼活性，又是紅外活性；也可以是只有拉曼活性而無紅外活性，或只有紅外活性而無拉曼活性。如CS2是三原子線形分子，它有3n-5=4個(gè)基本振動(dòng)。υ1υ2υ3υ4在υ1s中偶極矩不變，故非紅外活性，但電子云形狀變了，故是拉曼活性的。υ2as和υ3、υ4是紅外活性的，而非拉曼活性,因?yàn)樵谄胶馕恢们昂箅娮釉菩螤钕嗤?。拉曼活性紅外活性紅外

5、活性4.拉曼光譜的特征譜帶及強(qiáng)度在拉曼光譜中，官能團(tuán)譜帶的頻率與其在紅外光譜中出現(xiàn)的頻率基本一致。不同的是兩者選律不同，所以在紅外光譜中甚至不出現(xiàn)的振動(dòng)在拉曼光譜可能是強(qiáng)譜帶。1.相互排斥規(guī)則：凡有對(duì)稱中心的分子，若紅外是活性，則拉曼是非活性的；反之，若紅外為非活性，則拉曼是活性的。如O2只有一個(gè)對(duì)稱伸縮振動(dòng)，它在紅外中很弱或不可見，而在拉曼中較強(qiáng)。2.相互允許規(guī)則：一般來說，沒有對(duì)稱中心的分子，其紅外和拉曼光譜可以都是活性的。例如水的三個(gè)振動(dòng)υas、υs和δ皆是紅外和拉曼活性的。3.相互禁阻規(guī)則：有

6、少數(shù)分子的振動(dòng)在紅外和拉曼中都是非活性的。如乙稀的扭曲振動(dòng)既無偶極矩變化，也無極化度變化，故在紅外及拉曼中皆為非活性。4.拉曼光譜的一些基本特征：(1)對(duì)稱取代的S-S、C=C、N=N、C≡C振動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)拉曼譜帶，由單鍵、雙鍵到三鍵，因可變形的電子逐漸增加，故譜帶也增強(qiáng)。(2)在紅外光譜中C≡N、C=S、SH的伸縮振動(dòng)譜帶強(qiáng)度可變或較弱，而在拉曼光譜中為強(qiáng)譜帶。C-O-O-C的對(duì)稱伸縮在880cm-1也是強(qiáng)譜帶。(6)醇和烷烴的拉曼光譜相似。因?yàn)镺H的拉曼譜帶弱，而C-O和C-C鍵力常數(shù)及鍵強(qiáng)度無很大差

7、別，羥基與甲基質(zhì)量?jī)H僅相差2個(gè)質(zhì)量單位。(5)υc-c在拉曼中強(qiáng)。(4)X=Y=Z、C=N=C和O=C=O-的對(duì)稱伸縮在拉曼中為強(qiáng)譜帶，在紅外中弱；相反，反對(duì)稱伸縮在拉曼中弱，在紅外中強(qiáng)。(3)環(huán)狀化合物骨架的對(duì)稱呼吸振動(dòng)常是最強(qiáng)的拉曼譜帶。拉曼光譜的應(yīng)用（1）拉曼光譜的特點(diǎn)(a)拉曼光譜的常規(guī)掃描范圍為40-4000cm-1。(b)固體粉末樣品、高聚物、纖維、單晶、溶液等各種樣品皆可以做拉曼光譜。(c)水的拉曼光譜很弱，所以水是優(yōu)良的溶劑。(d)固體粉末樣品可直接進(jìn)行測(cè)定，不必制樣。但樣品可能被高強(qiáng)

8、度激光束燒焦。(e)有色物質(zhì)和有熒光的物質(zhì)難以進(jìn)行測(cè)定。(2)有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析紅外活性是對(duì)應(yīng)著分子振動(dòng)時(shí)偶極矩的變化，拉曼活性對(duì)應(yīng)著分子振動(dòng)時(shí)極化度的變化。高度對(duì)稱的振動(dòng)是拉曼活性的，一些非極性基團(tuán)和碳骨架的對(duì)稱振動(dòng)有強(qiáng)的拉曼譜帶。高度非對(duì)稱的振動(dòng)是紅外活性的，一些強(qiáng)極性基團(tuán)的不對(duì)稱振動(dòng)有強(qiáng)的紅外譜帶。紅外光譜和拉曼光譜可以互相補(bǔ)充。（f)紅外光譜和拉曼光譜皆反映了分子振動(dòng)的變化，紅外光譜適用于分子中基團(tuán)的測(cè)定，拉曼光譜更適用于分子骨架的測(cè)定。拉曼光譜的特