拉曼光譜的原理及應(yīng)用

1、拉曼光譜的原理及應(yīng)用 拉曼光譜由于近幾年來以下幾項(xiàng)技術(shù)的集中發(fā)展而有了更廣泛的應(yīng)用。這些技術(shù)是：CCD檢測系統(tǒng)在近紅外區(qū)域的高靈敏性，體積小而功率大的二極管激光器，與激發(fā)激光及信號過濾整合的光纖探頭。這些產(chǎn)品連同高口徑短焦距的分光光度計(jì)，提供了低熒光本底而高質(zhì)量的拉曼光譜以及體積小、容易使用的拉曼光譜儀。（一）含義 光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分, 統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng) 當(dāng)用波長比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時，大部分的光會按原來的方向透射，而一小部分則按不同的角度散射開來，產(chǎn)生散射

2、光。在垂直方向觀察時，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射外，還有一系列對稱分布著若干條很弱的與入射光頻率發(fā)生位移的拉曼譜線，這種現(xiàn)象稱為拉曼效應(yīng)。由于拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動或轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。因此，與紅外吸收光譜類似，對拉曼光譜的研究，也可以得到有關(guān)分子振動或轉(zhuǎn)動的信息。目前拉曼光譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的鑒定，分子結(jié)構(gòu)的研究譜線特征（二）拉曼散射光譜具有以下明顯的特征： a.拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)； b. 在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對

3、稱地分布在瑞利散射線兩側(cè), 這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個振動量子的能量。 c. 一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強(qiáng)度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。（三）拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性 提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。 1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。 2 拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機(jī)物及無機(jī)物進(jìn)行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光

4、柵、光束分離器、濾波器和檢測器 3 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。 4 因?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。 5 共振拉曼效應(yīng)可以用來有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個發(fā)色基團(tuán)的振動，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。（四）幾種重要的拉曼光譜分析技術(shù) 1、單道檢測的拉曼光譜分析技

5、術(shù) 2、以CCD為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術(shù) 3、采用傅立葉變換技術(shù)的FT-Raman光譜分析技術(shù) 4、共振拉曼光譜分析技術(shù) 5、表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)分析技術(shù)(五) 拉曼頻移，拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系 1、拉曼頻移：散射光頻與激發(fā)光頻之差，取決于分子振動能級的改變，所以它是特征的，與入射光的波長無關(guān)，適應(yīng)于分子結(jié)構(gòu)的分析 2、拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系 分子在靜電場E中，極化感應(yīng)偶極矩P為靜電場E與極化率的乘積 誘導(dǎo)偶極矩與外電場的強(qiáng)度之比為分子的極化率 分子中兩原子距離最大時，極化率也最大 拉曼散射強(qiáng)度與極化率成正比例（六）應(yīng)用激光光源的拉曼光譜法 應(yīng)用激光具有單色性好、

6、方向性強(qiáng)、亮度高、相干性好等特性，與表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)相結(jié)合，便產(chǎn)生了表面增強(qiáng)拉曼光譜。其靈敏度比常規(guī)拉曼光譜可提高104107倍，加之活性載體表面選擇吸附分子對熒光發(fā)射的抑制，使分析的信噪比大大提高。已應(yīng)用于生物、藥物及環(huán)境分析中痕量物質(zhì)的檢測。共振拉曼光譜是建立在共振拉曼效應(yīng)基礎(chǔ)上的另一種激光拉曼光譜法。共振拉曼效應(yīng)產(chǎn)生于激發(fā)光頻率與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強(qiáng)度可達(dá)到正常拉曼譜帶的104106倍，有利于低濃度和微量樣品的檢測。已用于無機(jī)、有機(jī)、生物大分子、離子乃至活體組成的測定和研究。激光拉曼光譜與傅里葉變換紅外光譜相配合，已成為分子結(jié)構(gòu)研究的主

7、要手段 1、共振拉曼光譜的特點(diǎn)： (1)、基頻的強(qiáng)度可以達(dá)到瑞利線的強(qiáng)度。 (2)、泛頻和合頻的強(qiáng)度有時大于或等于基頻的強(qiáng)度。 (3)、通過改變激發(fā)頻率，使之僅與樣品中某一物質(zhì)發(fā)生共振，從而選擇性的研究某一物質(zhì)。 (4)、和普通拉曼相比，其散射時間短，一般為10-1210-5S。 2、共振拉曼光譜的缺點(diǎn)：需要連續(xù)可調(diào)的激光器，以滿足不同樣品在不同區(qū)域的吸收。（七）電化學(xué)原位拉曼光譜法 電化學(xué)原位拉曼光譜法, 是利用物質(zhì)分子對入射光所產(chǎn)生的頻率發(fā)生較大變化的散射現(xiàn)象, 將單色入射光(包括圓偏振光和線偏振光) 激發(fā)受電極電位調(diào)制的電極表面, 通過測定散射回來的拉曼光譜信號(頻率、強(qiáng)度和偏振性能的變

8、化)與電極電位或電流強(qiáng)度等的變化關(guān)系。一般物質(zhì)分子的拉曼光譜很微弱, 為了獲得增強(qiáng)的信號, 可采用電極表面粗化的辦法, 可以得到強(qiáng)度高104-107倍的表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface Enahanced Raman Scattering, SERS) 光譜, 當(dāng)具有共振拉曼效應(yīng)的分子吸附在粗化的電極表面時, 得到的是表面增強(qiáng)共振拉曼散射(SERRS)光譜, 其強(qiáng)度又能增強(qiáng)102-103。 電化學(xué)原位拉曼光譜法的測量裝置主要包括拉曼光譜儀和原位電化學(xué)拉曼池兩個部分。拉曼光譜儀由激光源、收集系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)構(gòu)成, 光源一般采用能量集中、功率密度高的激光, 收集系統(tǒng)由透鏡組構(gòu)成, 分光系統(tǒng)

9、采用光柵或陷波濾光片結(jié)合光柵以濾除瑞利散射和雜散光以及分光檢測系統(tǒng)采用光電倍增管檢測器、半導(dǎo)體陣檢測器或多通道的電荷藕合器件。原位電化學(xué)拉曼池一般具有工作電極、輔助電極和參比電極以及通氣裝置。為了避免腐蝕性溶液和氣體侵蝕儀器, 拉曼池必須配備光學(xué)窗口的密封體系。在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下, 為了盡量避免溶液信號的干擾, 應(yīng)采用薄層溶液(電極與窗口間距為0.11mm) , 這對于顯微拉曼系統(tǒng)很重要, 光學(xué)窗片或溶液層太厚會導(dǎo)致顯微系統(tǒng)的光路改變, 使表面拉曼信號的收集效率降低。電極表面粗化的最常用方法是電化學(xué)氧化- 還原循環(huán)(Oxidation-Reduction Cycle,ORC)法, 一般可進(jìn)

10、行原位或非原位ORC處理。 目前采用電化學(xué)原位拉曼光譜法測定的研究進(jìn)展主要有: 一是通過表面增強(qiáng)處理把測檢體系拓寬到過渡金屬和半導(dǎo)體電極。雖然電化學(xué)原位拉曼光譜是現(xiàn)場檢測較靈敏的方法, 但僅能有銀、銅、金三種電極在可見光區(qū)能給出較強(qiáng)的SERS。許多學(xué)者試圖在具有重要應(yīng)用背景的過渡金屬電極和半導(dǎo)體電極上實(shí)現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼散射。二是通過分析研究電極表面吸附物種的結(jié)構(gòu)、取向及對象的SERS 光譜與電化學(xué)參數(shù)的關(guān)系,對電化學(xué)吸附現(xiàn)象作分子水平上的描述。三是通過改變調(diào)制電位的頻率, 可以得到在兩個電位下變化的“時間分辨譜”, 以分析體系的SERS 譜峰與電位的關(guān)系, 解決了由于電極表面的SERS 活性位隨

11、電位而變化而帶來的問題。（八）拉曼信號的選擇 入射激光的功率，樣品池厚度和光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)也對拉曼信號強(qiáng)度有很大的影響，故多選用能產(chǎn)生較強(qiáng)拉曼信號并且其拉曼峰不與待測拉曼峰重疊的基質(zhì)或外加物質(zhì)的分子作內(nèi)標(biāo)加以校正。其內(nèi)標(biāo)的選擇原則和定量分析方法與其他光譜分析方法基本相同。斯托克斯線能量減少，波長變長反斯托克斯線能量增加，波長變短（九）拉曼光譜的應(yīng)用方向 拉曼光譜分析技術(shù)是以拉曼效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù),其信號來源與分子的振動和轉(zhuǎn)動。拉曼光譜的分析方向有： 定性分析：不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進(jìn)行定性分析。 結(jié)構(gòu)分析：對光譜譜帶的分析,又是進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。

12、定量分析：根據(jù)物質(zhì)對光譜的吸光度的特點(diǎn),可以對物質(zhì)的量有很好的分析能力。（十）拉曼光譜用于分析的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 1、拉曼光譜用于分析的優(yōu)點(diǎn) 拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進(jìn)行前處理，也沒有樣品的制備過程，避免了一些誤差的產(chǎn)生，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn) 2、拉曼光譜用于分析的不足 (1)拉曼散射面積 (2)不同振動峰重疊和拉曼散射強(qiáng)度容易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響 (3)熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾 (4)在進(jìn)行傅立葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性的問題 (5)任何一物質(zhì)的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結(jié)果產(chǎn)

13、生一定的影響l 拉曼光譜儀的主要部件有： 激光光源、樣品室、分光系統(tǒng)、光電檢測器、記錄儀和計(jì)算機(jī)。 應(yīng)用 激光拉曼光譜法的應(yīng)用有以下幾種：在有機(jī)化學(xué)上的應(yīng)用，在高聚物上的應(yīng)用，在生物方面上的應(yīng)用，在表面和薄膜方面的應(yīng)用。 有機(jī)化學(xué) 拉曼光譜在有機(jī)化學(xué)方面主要是用作結(jié)構(gòu)鑒定的手段，拉曼位移的大小、強(qiáng)度及拉曼峰形狀是碇化學(xué)鍵、官能團(tuán)的重要依據(jù)。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為順反式結(jié)構(gòu)判斷的依據(jù)。 高聚物 拉曼光譜可以提供關(guān)于碳鏈或環(huán)的結(jié)構(gòu)信息。在確定異構(gòu)體（單休異構(gòu)、位置異構(gòu)、幾何異構(gòu)和空間立現(xiàn)異構(gòu)等）的研究中拉曼光譜可以發(fā)揮其獨(dú)特作用。電活性聚合物如聚毗咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光譜為工具，

14、在高聚物的工業(yè)生產(chǎn)方面，如對受擠壓線性聚乙烯的形態(tài)、高強(qiáng)度纖維中緊束分子的觀測，以及聚乙烯磨損碎片結(jié)晶度的測量等研究中都彩了拉曼光譜。 生物 拉曼光譜是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光譜很弱、譜圖又很簡單，故拉曼光譜可以在接近自然狀態(tài)、活性狀態(tài)下來研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及其變化。拉曼光譜在蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的研究、DNA和致癌物分子間的作用、視紫紅質(zhì)在光循環(huán)中的結(jié)構(gòu)變化、動脈硬化操作中的鈣化沉積和紅細(xì)胞膜的等研究中的應(yīng)用均有文獻(xiàn)報道。 利用FT-Raman消除生物大分子熒光干擾等，有許多成功的示例。 表面和薄膜 拉曼光譜在材料的研究方面，在相組成界面、晶界等課題中可以做很多我作。 最近，對于

15、拉曼光譜在金剛石和類金剛石薄膜的研究工作中的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者的興趣有增無減。 拉曼光譜已成CVD（化學(xué)氣相沉積法）制備薄膜的檢測和鑒定手段。 另外，LB膜的拉曼光譜研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光譜研究都已見報道。 盡管拉曼散射很弱，拉曼光譜通常不夠靈敏，但利用工振或表面增強(qiáng)拉曼技術(shù)就可以大大加強(qiáng)拉曼光譜的靈敏度。表面增強(qiáng)拉曼光譜學(xué)（SERS）已成為拉曼光譜研究中活躍的一個領(lǐng)域。 發(fā)展 傳統(tǒng)的光柵分光拉曼光譜儀，彩的是逐點(diǎn)掃描，單道記錄的方法，十分浪費(fèi)時間。而且激光拉曼光譜儀所用的激光很容易激發(fā)出熒光來，影響測定。為避免傳統(tǒng)激光光譜儀的弊端近來研制出了兩種新型的光譜儀： 傅里葉變換近紅外激光拉曼光譜儀和共焦激光光譜儀。 傅里葉拉曼光譜儀由激光光源、試樣室、邁克爾遜干淑儀、特殊濾光器、檢測器組成。 傅里葉拉曼光譜儀和光路與傅里葉紅外光譜儀的光路比較相象。檢測到的信號經(jīng)放大器由計(jì)算機(jī)收集處理。瑞利散射與拉曼散射的區(qū)別.分子的外層電子在輻射能的照射下,吸收能量使電子激發(fā)