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Vibration spectroscopy. 分子振动光谱 ---红外光谱与拉曼光谱---. Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy ( IR and Raman ). 洪远凯 生化楼 207 ykhong@bjmu.edu.cn. ?. 生命的本质. ?. 如何感知. 运动. 眼睛. Molecular movement. diatomic molecule . bond distance. Energy. nm. R 0. R 2. R 1. Vibration.

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Presentation Transcript
slide1

Vibration spectroscopy

分子振动光谱---红外光谱与拉曼光谱---

Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy

( IR and Raman )

slide2
洪远凯

生化楼207

ykhong@bjmu.edu.cn

slide3

?

生命的本质

?

如何感知

运动

眼睛

slide4

Molecular movement

diatomic molecule

slide5

bond distance

Energy

nm

R0

R2

R1

Vibration

intrinsic property

slide6

键长

R1

R2

=

1

k

R0

2

Stretching vibration

B

-1 = MA-1 + MB-1

A

:折合质量

B

A

k:化学键的键力常数

:与化合物组成和结构有关

slide7

=

1

k

2

1

2

能量量子化

 能级

2

E=(n+ )h

n=0,1,2,3,,,,

振 动 激发态

1

0

slide8

Spectroscopy

resonance

slide9

电场

时间

+

偶极子在光波电场矢量中的运动

dipole

slide10

分子振动的与吸收

Single bond:

k= 4 -6N·cm-1

C-C, 1190cm-1

Double bond:

k= 8-12N·cm-1

C=C, 1683cm-1

Triple bond:

k= 12-18N·cm-1

C≡C,2060cm-1

slide11

短波

长波

slide12

The Infrared Part of the EM Spectrum

IR units: wavenumbers (cm-1)

10 micron wavelength  1000 cm-1

1 eV  8100 cm-1

1 THz  33 cm-1

300 Kelvin 210 cm-1

Near-IR: 4000 – 14000 cm-1

Mid-IR: 500 – 4000 cm-1

Far-IR: 5 – 500 cm-1

IR covers ~ 1 meV to 1 eV

slide13

William Herschel

Around 1800, Herschel 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'.

The Science Museum, UK

slide14

分子振动与红外吸收

Single bond:

k= 4 -6N·cm-1

C-C,  1190cm-1

红外共振吸收

300 000 2 500nm

30  4 000cm-1

slide15

分子的能级Energy Levels

与跃迁Transition

v1

excited

state

v0

UV-absorption

2

ground

state

1

0

Infrared

slide17

水的红外光谱

对称伸缩

3652cm-1

反对称伸缩

3756cm-1

弯曲,

1595cm-1

slide18

y

x

z

多原子分子的运动及其自由度

分子:N个原子

空间的运动:3N freedom

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)

3N-6

一个点: 3自由度

N个点: 3N自由度

3N-5

(linear molecule)

slide19

多原子分

子的振动

stretching

symmetrical

asymmetrical

bending

scissoring

rocking

wagging

twisting

slide20

?

振动自由度 3N-6

slide21

O

C

O

IR Absorbance

Asymmetric Stretch

Bending Mode

Wavenumber (cm-1)

An Example: CO2

3N-5=4

2349

667

  • ?

Symmetric Stretch

1388

slide22

O

C

O

IR Absorbance

Asymmetric Stretch

Bending Mode

Wavenumber (cm-1)

An Example: CO2

(Has dipole moment so IR active)

(Has dipole moment so IR active)

2349

667

1388

Symmetric Stretch

(Dipole moment = 0 so not IR active)

1388

A Dipole Moment = charge imbalance in the molecule

slide23

电场

时间

dipole

偶极矩为零的振动

没有红外吸收

slide24

基团频率

多原子分子的结构特征

在红外光谱中的反映

3N-6

Or

3N-5

?

slide25

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。

slide26

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。

slide27
影响基团频率的因素
  • 电子效应
  • 氢键
  • 振动耦合
  • 费米共振
slide29

双光束光谱仪

reference

light

单色器

检测器

记录仪

斩波器

sample

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

slide31

Fourier Transform Infrared spectrometer

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-2
  • Resolution: <0.1cm-1
  • 附加功能:平滑、差谱、二阶导、去卷积和曲线拟合等.

半透镜

固定反射镜

light

slide32

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=λ. a) 0λ;b) λ/4; c) λ/2; d) 3λ/4; e)λ

slide33

Two wavelength source case

Broadband source interferogram

slide35

Sample preparation for IR

1. Solution: solvent, cell, concentration

2. Solid: KBr,石蜡

3. Gas:

弯曲,

1595cm-1

slide36

=

1

k

2

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

slide37
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。

slide39

紫外

吸收谱

红外光谱

H2O

protein

application in biosystem
Application in biosystem

酰胺Ⅰ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

slide46

Application in biosystem

J Pept. Res., 2002

slide47

抗氧化剂对A1-40结构的影响

庾照学等,中国病理生理杂志,2000,16

FT - IR spectra of A1 - 40 in

PBS(pH7. 4) for 30min

FT - IR spectra of A1 - 40 in

PBS(pH7. 4) for 7 days

slide48

FT- IR spectra of A1 - 40in PBS(pH7. 4) with TA9901 for 7 days (percent ratio : A1 – 40 :TA9901 = 1∶1)

FT - IR spectra of A1 - 40 in

PBS(pH7. 4) for 7 days

slide49

衰 减 全 反 射 红 外 光 谱

研究人乳腺癌组织

slide50

PrPcPrPsc

Scout

Conformational transition:

from alpha-helix rich to beta-sheet rich

slide53

Infrared Spectromicroscopy of Individual Living Cells

Infrared spectra are obtained from individual living cells.

  • Lipids (cell walls)
  • Nucleic acids (DNA, RNA)
  • Proteins
  • Each of these major classes of cellular components have distinct IR markers
slide56

= n’

Rayleigh scattering

hn’

n  n’

Raman scattering

hn

Prof. C.V. Raman

slide57

电子激

发 态

Virtual state

虚能态

瑞利

散射

Stokes线

Stokes

线

电子基态

IR

slide58

高频

低频

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。

slide62

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

slide63

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.

slide64

二谱的优劣

  • 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
  • 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
slide65

文献:

The infrared absorption of amino acid side chainsAndreas Barth,Progress in Biophysics & Molecular Biology 74 (2000) 141–173

slide66

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?