《分子振动光谱---红外光谱与拉曼光谱课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子振动光谱---红外光谱与拉曼光谱课件（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1分子振动光谱分子振动光谱-红外光谱与拉曼光谱红外光谱与拉曼光谱-Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy( IR and Raman )Vibration spectroscopy2如何感知如何感知?生命的本生命的本质?运动运动眼睛眼睛3diatomic molecule Molecular movement4bond distanceVibrationR0R1R2nmEnergyintrinsic property5AB =2 1k -1 = MA-1 + MB-1 :与化合物与化合物组成组成和和结构结构有关有关ABR0R1R2键长Stret
2、ching vibration :折合折合质质量量k :化学化学键键的的键键力常数力常数601E=(n+n+)h)h n=0,1,2,3,n=0,1,2,3,21能量能量量子化量子化 能能级级2振振 动动 激激发发态态 =21k7Spectroscopyresonance8偶极子在光波电场矢量中的运动偶极子在光波电场矢量中的运动dipole电场时间+9分子振动的与吸收分子振动的与吸收Single bond: k = 4 -6Ncm-1 Double bond: k = 8-12Ncm-1 Triple bond: k = 12-18Ncm-1 C-C, 1190cm-1C=C, 1683cm-
3、1 CC, 2060cm-1 10短波短波长波波11IR units: wavenumbers (cm-1)10 micron wavelength 1000 cm-11 eV 8100 cm-1 1 THz 33 cm-1300 Kelvin 210 cm-1The Infrared Part of the EM SpectrumNear-IR: 4000 14000 cm-1Mid-IR: 500 4000 cm-1 Far-IR: 5 500 cm-1 IR covers 1 meV to 1 eV12The Science Museum, UKAround 1800, Herschel
4、 studied the spectrum of sunlight using a prism. He measured the temperature of each color, and found the highest temperature was just beyond the red, what we now call the infrared. 13分子振动与红外吸收分子振动与红外吸收Single bond: k = 4 -6Ncm-1 C-C, 1190cm-1300000300000 25002500nmnm3030 4000cm4000cm-1-1红外共振吸收红外共振吸收
5、14分子的能级分子的能级Energy Levels与跃迁与跃迁TransitiongroundstateexcitedstateInfrared01v0v1UV-absorption215多原子分子多原子分子16对称伸称伸缩3652cm-1反反对称伸称伸缩3756cm-1弯曲弯曲,1595cm-1水的红外光谱水的红外光谱17多原子分子的运动及其多原子分子的运动及其自由度自由度整个分子重心的平动整个分子重心的平动 (3 (3 freedom)freedom)整个分子绕其重心的转动整个分子绕其重心的转动 (3 (3 freedom)freedom)每个原子相对于其它原子的运动（振动）每个原子相对于
6、其它原子的运动（振动）一个点一个点: 3: 3自由度自由度N N个点个点: 3: 3N N自由度自由度3N-6 (linear molecule)xyz分子分子: N个原子个原子空空间间的的运运动： ：3N freedom3N-518symmetricalasymmetricalscissoringrockingwaggingtwistingstretchingbending多原子分多原子分子的子的振动振动19振振动自由度自由度 3N-6?20An Example: CO2Symmetric StretchCOOAsymmetric StretchBending ModeIR Absorban
7、ceWavenumber (cm-1)13883N-5=42349667?21An Example: CO2Symmetric StretchCOOAsymmetric StretchBending ModeIR AbsorbanceWavenumber (cm-1)13882349667A Dipole Moment = charge imbalance in the molecule(Has dipole moment so IR active)(Has dipole moment so IR active)(Dipole moment = 0 so not IR active)13882
8、2dipole电场时间偶极矩为零的振动偶极矩为零的振动没有红外吸收没有红外吸收23基团频率基团频率多原子分子的多原子分子的结构特征构特征在在红外光外光谱中的反映中的反映C=O3N-6Or 3N-5?24基团频率基团频率4000 4000 cmcm-1-1 1300 1300 cmcm-1-1 1.1.最有分析价值的基团频率最有分析价值的基团频率, ,这一区这一区域称为基团频率区、官能团区或特征域称为基团频率区、官能团区或特征区区。 2.2.区内的峰是由区内的峰是由伸缩振动伸缩振动产生的吸收产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。定官能团。 25指纹区
9、指纹区1800 1800 cmcm-1-1 （1300 1300 cmcm-1-1 ） 600 600 cmcm-1-1在此区域内，除在此区域内，除单键的伸缩振动单键的伸缩振动外，还有外，还有因因变形振动变形振动产生的谱带。这种振动与整个产生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时，分子的结构有关。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样，因子特征。这种情况就像人的指纹一样，因此称为此称为指纹区指纹区。指纹区对于指认结构类似。指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助，而且可以作为化合物的化合物
10、很有帮助，而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。存在某种基团的旁证。26影响基团频率的因素电子效应氢键振动耦合费米共振27红外红外光谱仪光谱仪28双光束光谱仪双光束光谱仪referencereferencesamplesamplelightlight斩波器斩波器斩波器斩波器单色器单色器单色器单色器检测器检测器检测器检测器记录仪记录仪记录仪记录仪检测池检测池: : NaCl, KBr, NaCl, KBr, CaFCaF2 2, , LiFLiF生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池水的红外水的红外“窗口窗口”:”: 结合重水D2O解决29红外光谱仪发展史红外光
11、谱仪发展史单色器单色器优优缺点缺点棱镜棱镜岩盐镜易吸潮岩盐镜易吸潮,分辨率低分辨率低光栅光栅扫描速度慢扫描速度慢Michelson分辨率高分辨率高,扫描速度快扫描速度快,Fourier变换变换30Fourier Transform Infrared spectrometerlightlight半透镜半透镜半透镜半透镜固定反射镜固定反射镜固定反射镜固定反射镜动镜动镜动镜动镜优势优势: :1.1.可在短时间内得到频可在短时间内得到频率范围内的干涉图率范围内的干涉图, ,通通过多次扫描提高信噪过多次扫描提高信噪比比. . S/N n S/N n-2-21.1.Resolution: 0.1cmRes
12、olution: 0.1cm-1-12.2.附加功能：平滑、差附加功能：平滑、差谱、二阶导、去卷积谱、二阶导、去卷积和曲线拟合等和曲线拟合等. .31Schematic representation of waves and their phases,input,output and the two arms of the interferometer as The scan goes from zero path difference condition to OPD=. .a)0a)0;b);b)/4/4; ;c)c)/2/2; ;d)3d)3/4/4; ;e)e)32Two wavele
13、ngth source caseBroadband source interferogram33We can rewrite this to something more familiar:A Fourier Transform!34Sample preparation for IR1. Solution: solvent, cell, concentration2. Solid: KBr,石蜡石蜡3. Gas:弯曲弯曲,1595cm-135 吸收吸收强度度 结构因素构因素结构的对称性越高结构的对称性越高,吸收越弱吸收越弱环境因素境因素氢键 =21k36红外红外光谱振动光谱信息光谱振动光谱信息
14、与主要参量与主要参量红外光谱是红外吸收随入射光波数变化的曲红外光谱是红外吸收随入射光波数变化的曲线线. . 吸收带的位置吸收带的位置 max , cm-1 由于消光系数对环境敏感，特征基团在不同由于消光系数对环境敏感，特征基团在不同分子中波动很大，因此红外的谱峰强度只用分子中波动很大，因此红外的谱峰强度只用强强strongstrong中中mesomeso、弱、弱weakweak表示。表示。37Application38H2Oprotein紫外紫外吸收吸收谱红外光外光谱39Cefradine 头孢拉定40Melamine41武汉理工大学材料研究与测试中心武汉理工大学材料研究与测试中心42光学异构
15、体43Application in biosystem吸收带cm-1振动模式指认酰胺A3300N-H伸缩振动酰胺B3100酰胺的一次泛频，费米共振酰胺1660C=O伸缩振动酰胺1570N-H面内弯曲振动和C-N伸缩振动酰胺1300C-N伸缩振动和N-H面内弯曲振动酰胺630O=C-N面内弯曲振动酰胺730N-H面外弯曲振动酰胺600C=O面外弯曲振动酰胺酰胺带带80%来自于来自于C=O基的弱伸缩基的弱伸缩振动和振动和C=O旁的旁的C-N伸伸缩振动以及缩振动以及N-H平面内平面内弯曲振动的弯曲振动的偶合偶合 44cmcm-1 -1对应二级结构对应二级结构1624162444伸展肽链伸展肽链163
16、1163133伸展肽链伸展肽链1637163733伸展肽链伸展肽链1645164544无规卷曲无规卷曲1653165344螺螺 旋旋1663166344转转 角角1671167133转转 角角1675167555伸展肽链伸展肽链1683168322转转 角角1689168922转转 角角1694169422转转 角角45J Pept. Res., 2002Application in biosystem46 抗氧化抗氧化剂对A 1-40结构的影响构的影响庾照学等庾照学等,中国病理生理杂志中国病理生理杂志,2000,16FT - IR spectra of A 1 - 40 in PBS(pH7
17、. 4) for 30minFT - IR spectra of A 1 - 40 in PBS(pH7. 4) for 7 days47FT - IR spectra of A 1 - 40 in PBS(pH7. 4) for 7 daysFT- IR spectra of A 1 - 40 in PBS(pH7. 4) with TA9901 for 7 days (percent ratio : A 1 40 :TA9901 = 1 1)48衰衰 减减 全全 反反 射射 红红 外外 光光 谱谱研究研究人乳腺癌组织人乳腺癌组织A1635/A1652A1625/A1652A1645/A16
18、52A1662/A1652A1682/A1652benign0.980.650.640.490.17malignant0.430.230.560.370.0949Conformational transition: from alpha-helix rich to beta-sheet richPrPc PrPscScout50Image Image 51红外摄影红外摄影52Lipids (cell walls)Nucleic acids (DNA, RNA) ProteinsEach of these major classes of cellular components have dis
19、tinct IR markersInfrared spectra are obtained from individual living cells.Infrared Spectromicroscopy of Individual Living Cells53脑功能成像脑功能成像54Raman spectroscopy55hnhnn= n Rayleigh scattering Prof. C.V. Ramann n Raman scattering56瑞利瑞利散射散射电电子子基态基态电子激电子激发发 态态反反StokesStokes线线虚能态虚能态StokesStokes线线IRVirtua
20、l state571). 在示意在示意图中斯托克斯中斯托克斯线和反斯托克斯和反斯托克斯线对称地分布称地分布于瑞利于瑞利线的两的两侧，这是由于在上述两种情况下分是由于在上述两种情况下分别相相应于得到或失去了一个振于得到或失去了一个振动量子的能量。量子的能量。2). 反斯托克斯反斯托克斯线的的强度度远小于斯托克斯小于斯托克斯线的的强度，度，这是由于是由于Boltzmann分布，分布，处于振于振动基基态上的粒子数上的粒子数远大于大于处于振于振动激激发态上的粒子数。上的粒子数。高频高频低频低频58596061拉曼光谱参量拉曼光谱参量1.1.峰位峰位: :是电子能级基态的振动态性质的一种反映。以入射光和
21、散射光波数差表示。 峰位的移动与激发光的频率无关2. 2. 强度强度: : 与浓度成正比62如何选择振动光谱如何选择振动光谱进行实验测定进行实验测定Raman: induced dipole moment, eg. S-S, O-O?For symmetrical molecule or group, complementation each other.631.对同一物质而言二光谱常常相当近似2.拉曼光谱一个很重要优点:水不水不会会干干扰扰其其测量测量3.此外，玻璃和石英容槽皆可使用，可避免使用溴溴 化鉀化鉀、氯化鈉氯化鈉等会在湿气中潮解或其他对大气不 稳定的视窗时的不便，即此类光谱容易获得4.拉曼光谱有一个很重要的问题就是样品或样品中 的不纯物会有荧光干扰，但这方面可以使用FTIR 克服它，所以在测量的过程中拉曼和FTIR是相辅 相成、互补互足的二谱的优劣二谱的优劣
