1、拉曼光谱和红外光谱的区别张艾佳 2013111752摘要：本文从介绍拉曼光谱和红外光谱入手，进一步的分析其两者之间的区别。从而使读者更加清楚和明白的应用拉曼和红外这两种表征方法。关键字：拉曼光谱，红外光谱，区别1 引言有机化合物的机构表征，即测定从分子水平上认识物质的基本手段，是有机化学的重要组成部分。过去主要是依靠化学手段来进行有机化合物的机构测定。其缺点是费时费力费钱，且需要的样品量大。例如吗啡碱结构的测定，1805 年开始研究，直至 1952 年才完全弄清楚，历时 147 年。现在的结构测定则是采用现代仪器分析法，它具有省时省力省钱快速的优点。它不仅可以研究分子的结构还可以探索分子间的各
2、种聚集态的结构类型和构象的状况，对于人类面临的生命科学，材料科学的发展，是极其重要的。这里我简单调研了两种比较有用的方法：红外光谱和拉曼光谱。2 正文21 红外光谱（1）原理：电子能一般是紫外光谱和可见光谱，也正是电子能的存在才有了我们一般看到的各种化合物的颜色；而振动能和转动能一般所需的能量较低，波长较长，在不同的振动和转动得能级之间进行跃迁，而产生的在红外波段的光谱就是红外光谱。即使是最简单的水分子，也有不同的振动模式，以最简单的不改变键角的沿轴振动为例，两个氢原子可以是对称地同时向氧原子靠近或离开，也可以是反对称一个靠近氧原子，一个离开氧原子。当然，还会有其它形式的振动和转动，例如改变键
3、角的剪式振动和摇摆振动。上述振动虽然不改变极性分子中正、负电荷中心的电荷量，却改变着正、负电中心间的距离，导致分子偶极矩的变化。相应这种变化，分子中总是存在着不同的振动状态，有着不同的振动频率，因而形成不同的振动能级。能级间的能量差与红外光子的能量相当。选择吸收当一束连续波长的红外光透过极性分子材料时，某一波长的红外光的频率若与分子中某一原子或基团的振动频率相同时，即发生共振。这时，光子的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，导致分子对这一频率的光子的，从振动基态激发到振动激发态，产生振动能级的跃迁。值得注意的是：正是由于偶极矩的变化才导致了红外吸收，所以对于那些对称原子组成的分子振动不会改变偶
4、极矩，自然也就不会产生红外吸收，对于这样的分子，拉曼光谱方法会更有效。（2）光谱类型红外光谱可分为发射光谱和吸收光谱两类。物体的红外发射光谱主要决定于物体的温度和化学组成，由于测试比较困难，红外发射光谱只是一种正在发展的新的实验技术，如激光诱导荧光。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。例如水分子有较宽的吸收峰，所以分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，但都是线状光谱。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各
5、原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动。含 n 个原子的分子应有 3n-6 个简正振动方式；如果是线性分子，只有 3n-5 个简正振动方式。以非线性三原子分子为例，它的简正振动方式只有三种。在 v1 和 v3 振动中，只是化学键的伸长和缩短，称为伸缩振动，而 v2 的振动方式改变了分子中化学键间的夹角称为变角振动,它们是分子振动的主要方式。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此，当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子的振动，而产生红外吸收光谱。2.
6、2 拉曼光谱（1）发展历史：拉曼辐射理论是 1923 年由德国物理学家 A.Smekal 首先预言的，1928 年印度物理学家 C.V.Raman 观察到苯和甲苯的效应，在此基础上发展起了拉曼光谱学。60 年代激光被 用作拉曼光谱的激发光源之后，由于激光的优越性，从而大大提高了拉曼散射的强度，使拉曼光谱进入了一个新时期，得到了日益广泛的应用。（2）简易原理：当入射光子与物质相互作用时，除了会发生 Rayleigh 散射（光子发生弹性碰撞，无能量交换，仅改变方向）外，还会发生 Raman 散射：碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不仅改变运动方向，而且改变频率，称为Raman 散射。能量
7、的改变过程一般是分子由初能级跃迁到一个虚能级上，然后再由虚能级跌落到终能级上。由初能级和终能级之间的大小关系可将谱线分为stokes 谱线（能级升高）和 anti-stokes 谱线（能级降低） ，由 Boltzman 分布可知分子绝大多数处于振动能级基态，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。Raman 散射的产生是由于在光电场 E 中，分子产生诱导偶极距，其中 = E， 为分子极化率。从这里可以看出，当分子极化率发生改变时，便会出现拉曼光谱，而不像红外光谱对对称分子免疫。一般说来：拉曼光谱和红外光谱可以互相补充。对于具有对称中心的分子来说，具有一个互斥规则：与对称中心有对称关系的振动，
8、红外不可见，拉曼可见；与对称中心无对称关系的振动，红外可见，拉曼不可见。（3）特征：a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关；b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 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。c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。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。2.3 区别（1) 拉曼谱峰比较尖锐，识别混合物，特别是识别无机混合物要比红外光谱容易。 （
9、2) 在鉴定有机化合物方面，红外光谱具有较大的优势，主要原因是红外光谱的标准数据库比拉曼光谱的丰富。 （3）在鉴定无机化合物方面，拉曼光谱仪获得 400cm-1 以下的谱图信息要比红外光谱仪容易得多。所以一般说来，无机化合物的拉曼光谱信息量比红外光谱的大。 （4）拉曼光谱与红外光谱可以互相补充、互相佐证。（5） 红外光谱的入射光及检测光均是红外光，而拉曼光谱的入射光大多数是可见光 ，散射光也是可见光.（6） 红外谱测定的是光的吸收，横坐标用波数或波长表示，而拉曼光谱测定的是光的散射，横坐标是拉曼位移。（7） 两者的产生机理不同。红外吸收是由于振动引起分子偶极矩或电荷分布变化产生的。拉曼散射是由
10、于键上电子云分布产生瞬间变形引起暂时极化，是极化率的改变，产生诱导偶极，当返回基态时发生的散射。散射的同时电子云也恢复原态。（8） 红外光谱用能斯特灯、碳化硅棒或白炽线圈作光源而拉曼光谱仪用激光作光源。（9） 用拉曼光谱分析时，样品不需前处理。而用红外光谱分析样品时，样品要经过前处理，液体样品常用液膜法和液体样品常用液膜法，固体样品可用调糊法，高分子化合物常用薄膜法，体样品的测定可使用窗板间隔为 2.5-10 cm的大容量气体池。（10） 红外光谱主要反映分子的官能团，而拉曼光谱主要反映分子的骨架主要用于分析生物大分子。（11） 拉曼光谱和红外光谱可以互相补充，对于具有对称中心的分子来说，具有
11、一互斥规则：与对称中心有对称关系的振动，红外不可见，拉曼可见；与对称中心无对称关系的振动，红外可见，拉曼不可见。（12）红外光谱和拉曼光谱都属于分子振动光谱，都是研究分子结构的有力手段。红外光谱测定的是样品的透射光谱。当红外光穿过样品时，样品分子中的基团吸收红外光产生振动，使偶极矩发生变化，得到红外吸收光谱。拉曼光谱测定的是样品的发射光谱。当单色激光照射在样品上时，分子的极化率发生变化，产生拉曼散射，检测器检测到的是拉曼散射光。（13）单色激光照射样品后，产生瑞利散射和拉曼散射。瑞利散射是激光的弹性散射，不负载样品的任何信息。拉曼散射又分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，拉曼散射负载有样品的信息。（14）对于分子中的同一个基团，它的红外光谱吸收峰的位置和拉曼光谱峰的位置是相同的。在红外光谱图中，横坐标的单位可以用波数表示。在拉曼光谱图中，虽然横坐标的单位也是用波数，但表示的是拉曼位移。拉曼检测器检测到的是拉曼散射光，当用不同波长的激光激发样品时，拉曼检测器检测到的拉曼散射光的波长是不相同的。虽然使用的激光波长不同，但对于同一个基团，拉曼位移是相同的。拉曼位移是激光波数和拉曼散射光波数的差值。
