1、1,分子振动光谱-红外光谱与拉曼光谱-,Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy( IR and Raman ),Vibration spectroscopy,2,洪远凯生化楼,3,运动,眼睛,4,diatomic molecule,Molecular movement,5,Vibration,intrinsic property,6,A,B,-1 = MA-1 + MB-1,:与化合物组成和结构有关,A,B,Stretching vibration, :折合质量,k :化学键的键力常数,7,0,1,E=(n+ )h n=0,1,2,3,能量量子
2、化 能级,2,振 动 激发态,8,Spectroscopy,resonance,9,偶极子在光波电场矢量中的运动,dipole,10,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-1,C=C, 1683cm-1,CC, 2060cm-1,11,短波,长波,12,IR units: wavenumbers (cm-1)10 micron wavelength 1000 cm-11 eV 8100 cm-1 1 THz 33 cm-1300
3、 Kelvin 210 cm-1,The Infrared Part of the EM Spectrum,Near-IR: 4000 14000 cm-1Mid-IR: 500 4000 cm-1 Far-IR: 5 500 cm-1 IR covers 1 meV to 1 eV,13,William Herschel,The Science Museum, UK,Around 1800, Herschel studied the spectrum of sunlight using a prism. He measured the temperature of each color, a
4、nd found the highest temperature was just beyond the red, what we now call the infrared.,14,分子振动与红外吸收,Single bond: k = 4 -6Ncm-1,C-C, 1190cm-1,300 000 2 500nm30 4 000cm-1,红外共振吸收,15,分子的能级Energy Levels与跃迁Transition,groundstate,excitedstate,Infrared,0,1,v0,v1,UV-absorption,2,16,多原子分子,17,对称伸缩3652cm-1,反对
5、称伸缩3756cm-1,弯曲,1595cm-1,水的红外光谱,18,多原子分子的运动及其自由度,整个分子重心的平动 (3 freedom)整个分子绕其重心的转动 (3 freedom)每个原子相对于其它原子的运动（振动）,一个点: 3自由度N个点: 3N自由度,3N-6,(linear molecule),分子: N个原子空间的运动：3N freedom,3N-5,19,symmetrical,asymmetrical,scissoring,rocking,wagging,twisting,stretching,bending,20,振动自由度 3N-6,?,21,An Example: CO
6、2,Symmetric Stretch,1388,3N-5=4,2349,667,?,22,An Example: CO2,Symmetric Stretch,1388,2349,667,A 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),1388,23,dipole,偶极矩为零的振动没有红外吸收,24,基团频率多原子分子的结构特征在红外光谱
7、中的反映,3N-6Or 3N-5?,25,基团频率,4000 cm-1 1300 cm-1,1.最有分析价值的基团频率,这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区。,2.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。,26,指纹区,1800 cm-1 （1300 cm-1 ） 600 cm-1,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。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，并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹区。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。,27
8、,影响基团频率的因素,电子效应氢键振动耦合费米共振,28,红外光谱仪,29,双光束光谱仪,reference,sample,light,斩波器,单色器,检测器,记录仪,检测池: NaCl, KBr, CaF2, LiF,生物样品一般选用不溶于水的后二种盐池,水的红外“窗口”: 结合重水D2O解决,30,红外光谱仪发展史,31,Fourier Transform Infrared spectrometer,light,半透镜,固定反射镜,动镜,优势:,可在短时间内得到频率范围内的干涉图,通过多次扫描提高信噪比. S/N n-2Resolution: 0.1cm-1附加功能：平滑、差谱、二阶导、去
9、卷积和曲线拟合等.,32,Schematic 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) 0;b) /4; c) /2; d) 3/4; e),33,Two wavelength source case,Broadband source interferogram,34,We can rewrite this to somet
10、hing more familiar:,A Fourier Transform!,35,Sample preparation for IR,1. Solution: solvent, cell, concentration2. Solid: KBr,石蜡3. Gas:,弯曲,1595cm-1,36,吸收强度,结构因素,结构的对称性越高,吸收越弱,环境因素,氢键,37,红外光谱振动光谱信息与主要参量,红外光谱是红外吸收随入射光波数变化的曲线. 吸收带的位置nmax , 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，因此红外的谱峰强度只用强strong中meso、弱weak表示。
11、,38,Application,39,H2O,protein,紫外吸收谱,红外光谱,40,Cefradine 头孢拉定,41,Melamine,42,武汉理工大学材料研究与测试中心,43,光学异构体,44,Application in biosystem,酰胺带80%来自于C=O基的弱伸缩振动和C=O旁的C-N伸缩振动以及N-H平面内弯曲振动的偶合,45,46,J Pept. Res., 2002,Application in biosystem,47,抗氧化剂对A1-40结构的影响庾照学等,中国病理生理杂志,2000,16,FT - IR spectra of A1 - 40 in PBS(
12、pH7. 4) for 30min,FT - IR spectra of A1 - 40 in PBS(pH7. 4) for 7 days,48,FT - IR spectra of A1 - 40 in PBS(pH7. 4) for 7 days,FT- IR spectra of A1 - 40 in PBS(pH7. 4) with TA9901 for 7 days (percent ratio : A1 40 :TA9901 = 11),49,衰 减 全 反 射 红 外 光 谱研究人乳腺癌组织,50,Conformational transition: from alpha-he
13、lix rich to beta-sheet rich,Scout,51,Image,52,红外摄影,53,Lipids (cell walls)Nucleic acids (DNA, RNA) ProteinsEach of these major classes of cellular components have distinct IR markers,Infrared spectra are obtained from individual living cells.,Infrared Spectromicroscopy of Individual Living Cells,54,脑
14、功能成像,55,Raman spectroscopy,56,hn,hn,= n Rayleigh scattering,Prof. C.V. Raman,n n Raman scattering,57,瑞利散射,电子基态,电子激发 态,反Stokes线,虚能态,Stokes线,IR,Virtual state,58,1). 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。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,低频
15、,59,60,61,62,拉曼光谱参量,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. 强度: 与浓度成正比,63,如何选择振动光谱进行实验测定,Raman: induced dipole moment, eg. S-S, O-O?,For symmetrical molecule or group, complementation each other.,64,1.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:水不会干扰其测量3.此外，玻璃和石英容槽皆可使用，可避免使用溴 化鉀、氯化鈉等会在湿气中潮解或其他对大气不
16、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,65,文献：The infrared absorption of amino acid side chains Andreas Barth，Progress in Biophysics & Molecular Biology 74 (2000) 141173,66,思考题,液态红外光谱是否需要水作溶剂?为什么?线性分子的振动自由度为什么是3N-5?红外光谱中是否能够观察到所有振动自由度对应的红外吸收峰?为什么?CO2的红外光谱中能够观察到几个红外吸收峰?为什么?拉曼光谱中为什么Stokes线的强度远大于反Stokes线?,
