红外和拉曼光谱

红外和拉曼光谱通过探测分子振动来识别官能团和表征化学结构。

Definition

红外和拉曼光谱是振动光谱方法，分别通过红外吸收和非弹性光散射测量键振动的能量来表征分子。

Scope

本主题涵盖了两种互补的振动技术：红外吸收（目前主要通过傅里叶变换仪器，采用衰减全反射等采样模式）和拉曼散射。它讨论了决定哪些振动是红外或拉曼活性的选择规则、干涉仪和探测器技术，以及利用振动指纹进行定性识别和日益增长的定量分析。

Core questions

• 哪些分子振动是红外活性的，哪些是拉曼活性的，为什么？
• 傅里叶变换红外光谱仪如何实现其速度和灵敏度优势？
• 指纹区如何用于识别和区分化合物？
• 红外和拉曼何时是互补而非冗余的？

Key theories

振动选择规则

振动只有在改变分子偶极矩时才吸收红外辐射，而只有在改变极化率时才散射拉曼辐射；这种互补性意味着在红外中较弱的对称振动在拉曼中通常较强，反之亦然。

拉曼散射

分子散射的一小部分光能量会因振动量子而发生偏移，产生斯托克斯线和反斯托克斯线，其偏移量独立于激发波长，可用于识别振动模式。

Mechanisms

在红外光谱中，宽带辐射穿过或反射样品，调制偶极矩的振动会在其特征频率处吸收；傅里叶变换仪器通过干涉仪同时编码所有频率，并通过数学方法恢复光谱。在拉曼光谱中，单色激光照射样品，少量非弹性散射部分被色散和检测，其频率偏移报告相同的振动模式。

Clinical relevance

振动光谱广泛用于材料和聚合物识别、药物原料验证和多晶型筛选、法医痕量分析以及过程监控，因其几乎不需要样品制备而备受重视。

History

红外吸收自20世纪初开始用于分析，傅里叶变换仪器在20世纪60年代后因更快的计算和多路复用优势而占据主导地位。拉曼效应由C. V. Raman和K. S. Krishnan于1928年报道，激光光源后来使拉曼散射成为一种实用的分析工具。

Key figures

• C. V. Raman
• K. S. Krishnan
• Peter Fellgett

Seminal works

• raman1928
• skoog2017
• harris2020

Frequently asked questions

为什么红外和拉曼光谱被认为是互补的？

它们遵循不同的选择规则：红外检测改变偶极矩的振动，拉曼检测改变极化率的振动，因此在一种技术中较弱的振动在另一种技术中通常较强，两者结合可以提供更完整的振动图谱。

傅里叶变换红外光谱相对于色散仪器的优势是什么？

干涉仪可以一次测量所有频率，而不是逐个扫描，从而实现更快的采集、更高的通量和更好的信噪比——即多路复用和通量优势。