分子振动光谱红外光谱与拉曼光谱实用版课件.pptx

1、1Infrared spectroscopy and Raman spectroscopyVibration spectroscopy2如何感知?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Stretching vibration :折合质量k:化学键的键力常数601E=(n+)hn+)h n=0,1,2,3,n=0,1

2、,2,3,21能量能量量子化量子化 能能级级2振振 动动 激发激发态态 =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电场电场时间时间+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-1 CC,2060cm-1 1011IR units:wavenumbers(cm-1)10 micron wavelength 1000 cm-11 eV 810

3、0 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 studied the spectrum of sunlight using a prism.He measured the temperature of each color,and fou

4、nd 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-1300 000 300 000 2 5002 500nmnm30 30 4 000cm 4 000cm-1-1红外共振吸收红外共振吸收14分子的能级分子的能级Energy Levels与跃迁与跃迁TransitiongroundstateexcitedstateInfrared01v0v1UV-absorption215多原子

5、分子多原子分子16对称伸缩3652cm-1反对称伸缩3756cm-1弯曲,1595cm-1水的红外光谱水的红外光谱Spectroscopyasymmetricalinduced dipole moment,eg.FT-IR spectra of A1-40 in PBS(pH7.结构的对称性越高,吸收越弱The Science Museum,UKAround 1800,Herschel studied the spectrum of sunlight using a prism.For symmetrical molecule or group,complementation each oth

6、er.Infrared spectra are obtained from individual living cells.分子的能级Energy Levels分子的能级Energy Levels(Has dipole moment so IR active)30 4 000cm-1k=4-6Ncm-1衰 减 全 反 射 红 外 光 谱附加功能：平滑、差谱、二阶导、去卷积和曲线拟合等.克服它，所以在测量的过程中拉曼和FTIR是相辅4)with TA9901 for 7 days(percent ratio:A1 40:TA9901=1 1)偶极子在光波电场矢量中的运动强度:与浓度成正比17多原

7、子分子的运动及其多原子分子的运动及其自由度自由度OOHHOHHHOHOHHHOH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 (linear molecule)xyz分子:N个原子空间的运运动：3N freedom18symmetricalasymmetricalscissoringrockingwaggingtwistingst

8、retchingbending多原子分多原子分子的子的振动振动19振动自由度 3N-6?20An Example:CO2Symmetric StretchCOOAsymmetric StretchBending ModeIR AbsorbanceWavenumber(cm-1)13883N-5=42349667?21An Example:CO2Symmetric StretchCOOAsymmetric StretchBending ModeIR AbsorbanceWavenumber(cm-1)13882349667A Dipole Moment=charge imbalance in t

9、he molecule(Has dipole moment so IR active)(Has dipole moment so IR active)(Dipole moment=0 so not IR active)138822dipole电场电场时间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23C=O244000 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,这一区域称为基团频这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区率区、官能团区或特征区。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带

10、，比较稀疏，产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。容易辨认，常用于鉴定官能团。25指纹区指纹区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，还有因外，还有因变形振动变形振动产产生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关。当分子结生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出构稍有不同时，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，因此称为分子特征。这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹

11、指纹区区。指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助，而且。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存在某种基团的旁证。可以作为化合物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A1625/A1652A Dipole Moment=charge imbalance in the molecule结构的对称性越高,吸收越弱Broadband source interferogramResolution:0.input,output and the two arms of the interferometer as分子的能级Energy Levels

12、Wavenumber(cm-1)IR AbsorbanceBending ModeAsymmetric Stretchinduced dipole moment,eg.多原子分子的运动及其自由度Virtual staten=0,1,2,3,分子的能级Energy Levels4)for 7 daysInfrared spectroscopy and Raman spectroscopy4)for 30min每个原子相对于其它原子的运动（振动）27红外红外光谱仪光谱仪28双光束光谱仪双光束光谱仪检测池检测池:NaCl,KBr,NaCl,KBr,CaFCaF2 2,LiFLiF生物样品一般选用不溶

13、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 spectrometer优势优势:1.1.可在短时间内得到频率范围内可在短时间内得到频率范围内的干涉图的干涉图,通过多次扫描提高信通过多次扫描提高信噪比噪比.S/N n S/N n-2-21.1.Resolution:0.1cmResolution:0

14、.1cm-1-12.2.附加功能：平滑、差谱、二阶附加功能：平滑、差谱、二阶导、去卷积和曲线拟合等导、去卷积和曲线拟合等.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 wavelength source caseBroa

15、dband 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,1595cm-135结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环境因素境因素氢键氢键 =21k36红外光谱是红外吸收随入射光波数变化的曲线红外光谱是红外吸收随入射光波数变化的曲线.吸收带的位吸收带的位置置

16、max,cm-1 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，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强因此红外的谱峰强度只用强strongstrong中中mesomeso、弱、弱weakweak表示。表示。Nucleic acids(DNA,RNA)10 micron wavelength 1000 cm-1结构的对称性越高,吸收越弱4)for 7 days(Has dipole moment so IR active)武汉理工大学材料研究与测试中心Double bond:区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。U

17、V-absorptionIR Absorbance30 4 000cm-1Vibration spectroscopy多原子分子的运动及其自由度Raman spectroscopyApplication in biosystem4)for 30min300 000 2 500nm红外光谱是红外吸收随入射光波数变化的曲线.振 动 激发态Around 1800,Herschel studied the spectrum of sunlight using a prism.37Application38H2Oprotein紫外紫外吸收吸收谱谱红红外光外光谱谱39Cefradine 头孢拉定40Mel

18、amine41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光学异构体43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%来来自于自于C=O基的弱基的弱伸缩振动和伸缩振动和C=O旁的旁的C-N伸缩振伸缩振动以及动以及N-H平面平面内弯曲振动的偶内弯曲振动的偶合合 44cmcm-1-1对应二级结构对应二级结构162

19、416244 4伸展肽链伸展肽链163116313 3伸展肽链伸展肽链163716373 3伸展肽链伸展肽链164516454 4无规卷曲无规卷曲165316534 4螺螺 旋旋166316634 4转转 角角167116713 3转转 角角167516755 5伸展肽链伸展肽链168316832 2转转 角角168916892 2转转 角角169416942 2转转 角角45 J Pept.Res.,200246 抗氧化剂对A 1-40结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(pH7.4)for

20、30minFT-IR spectra of A 1-40 in PBS(pH7.4)for 7 daysinduced dipole moment,eg.Infrared spectra are obtained from individual living cells.(Has dipole moment so IR active)Raman scattering反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。300 Kelvin 210 cm-1N-H面内弯曲振动和C-N伸缩振动以入射光和散射光波数差表示。(H

21、as dipole moment so IR active)Single bond:衰 减 全 反 射 红 外 光 谱Infrared spectra are obtained from individual living cells.克服它，所以在测量的过程中拉曼和FTIR是相辅红外光谱是红外吸收随入射光波数变化的曲线.Cefradine 头孢拉定整个分子重心的平动(3 freedom)A1645/A1652A1682/A1652在示意图中斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。-1=MA-1+MB-147FT-IR

22、 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/A1652A1662/A1652A1682/A1652benign0.980.650.640.490.17malignant0.430.230.560.370.0949Conformati

23、onal transition:from alpha-helix rich to beta-sheet richPrPc PrPscScout50Image Image 51红外摄影红外摄影52 Lipids(cell walls)Nucleic acids(DNA,RNA)Proteins Each of these major classes of cellular components have distinct IR markersInfrared spectra are obtained from individual living cells.Infrared Spectromic

24、roscopy 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子电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IRVirtual stateAsymmetric Stretch-1=MA-1+MB-14)for 7 daysk=4-6Ncm-1此外，玻璃和石英容槽皆可使用，可避免使用溴(Has dipole momen

25、t so IR active)n=0,1,2,3,振 动 激发态IR covers 1 meV to 1 eV与跃迁TransitionIR covers 1 meV to 1 eVFT-IR spectra of A1-40 inRaman spectroscopy峰位的移动与激发光的频率无关Near-IR:4000 14000 cm-1UV-absorptionBroadband source interferograma)0;b)/4;c)/2;d)3/4;e)整个分子重心的平动(3 freedom)A1635/A1652571).在示意图中斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两

26、侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。2).反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。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 gr

27、oup,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64如何感知?生命的本质?运动运动眼睛眼睛65bond distanceVibrationR0R1R2nmEnergyintrinsic

28、 property6667光学异构体68FT-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)69脑功能成像脑功能成像70hnhnn=n Rayleigh scattering Prof.C.V.Ramann n Raman scattering多原子分子的运动及其自由度IR covers 1 meV to 1 eVA Fourier Transform!Broadband

29、 source interferogram武汉理工大学材料研究与测试中心bond distance在此区域内，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的谱带。An Example:CO2Symmetric StretchSymmetric Stretch吸收带的位置nmax,cm-1300 000 2 500nmNear-IR:4000 14000 cm-1He measured the temperature of each color,and found the highest temperature was just beyond the red,what we now call the infrared.分子的能级Energy Levels300 Kelvin 210 cm-1Infrared spectra are obtained from individual living cells.当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。4)with TA9901 for 7 days(percent ratio:A1 40:TA9901=1 1)bond distance71