拉曼光譜（一種散射光譜）

簡介

拉曼散射的光譜。1928年C.V.拉曼實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光穿過透明介質(zhì)被分子散射的光發(fā)生頻率變化，這一現(xiàn)象稱為拉曼散射，同年稍后在蘇聯(lián)和法國也被觀察到。在透明介質(zhì)的散射光譜中，頻率與入射光頻率υ0相同的成分稱為瑞利散射；頻率對稱分布在υ0兩側(cè)的譜線或譜帶υ0±υ1即為拉曼光譜，其中頻率較小的成分υ0－υ1又稱為斯托克斯線，頻率較大的成分υ0＋υ1又稱為反斯托克斯線。靠近瑞利散射線兩側(cè)的譜線稱為小拉曼光譜；遠(yuǎn)離瑞利線的兩側(cè)出現(xiàn)的譜線稱為大拉曼光譜。

光子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖

分子能級的躍遷僅涉及轉(zhuǎn)動能級，發(fā)射的是小拉曼光譜；涉及到振動-轉(zhuǎn)動能級，發(fā)射的是大拉曼光譜。與分子紅外光譜不同，極性分子和非極性分子都能產(chǎn)生拉曼光譜。激光器的問世，提供了優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度單色光，有力推動了拉曼散射的研究及其應(yīng)用。拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，對于純定性分析、高度定量分析和測定分子結(jié)構(gòu)都有很大價值。^[1]

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)稱為喇曼效應(yīng)。

原理

拉曼光譜

設(shè)散射物分子原來處于基電子態(tài)，振動能級如圖所示。當(dāng)受到入射光照射時，激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態(tài)（Virtual state），虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發(fā)光，即為散射光。設(shè)仍回到初始的電子態(tài)，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，后者稱為喇曼線。在喇曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。

拉曼光譜

大拉曼位移：（為振動能級帶頻率）

小拉曼位移：（其中B為轉(zhuǎn)動常數(shù)）

簡單推導(dǎo)小拉曼位移：利用轉(zhuǎn)動常數(shù)

譜線特征

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)。

簡單解釋：按照波爾茲曼分布律，處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)與處于正常態(tài)分子數(shù)之比是：其中g(shù)為該狀態(tài)下的簡并度。

可以解釋：溫度升高，反斯托克斯線的強(qiáng)度迅速增大，斯托克斯線強(qiáng)度變化不大轉(zhuǎn)動能級中，所以，由于較低和較高的轉(zhuǎn)動態(tài)都有顯著的布居，所以小拉曼位移兩組譜線(反斯托克斯線，斯托克斯線)強(qiáng)度差不多。

光譜的實驗分析

通過結(jié)構(gòu)分析解釋光譜：

分子為四面體結(jié)構(gòu)，一個碳原子在中心，四個氯原子在四面體的四個頂點。當(dāng)四面體繞其自身的一軸旋轉(zhuǎn)一定角度，或記性反演(r—-r)、或旋轉(zhuǎn)加反演之后，分子的幾何構(gòu)形不變的操作稱為對稱操作，其旋轉(zhuǎn)軸成為對稱軸。CCI4有13個對稱軸，有案可查4個對稱操作。我們知道，N個原子構(gòu)成的分子有礙（3N—6）個內(nèi)部振動自由度。因此分子可以有9個(3×5—6)自由度，或稱為9個獨(dú)立的簡正振動。根據(jù)分子的對稱性，這9種簡正振動可歸納成下列四類：

（圖）附圖

第二類，有兩種振動方式，相鄰兩對CI原子在與C原子聯(lián)線方向上，或在該聯(lián)線垂直方向上同時作反向運(yùn)動，記作，表示二重簡并振動。

第三類，有三種振動方式，4個CI與C原子作反向運(yùn)動，記作，表示三重簡并振動。

第四類，有三種振動方式，相鄰的一對CI原子作伸張運(yùn)動，另一對作壓縮運(yùn)動，記作，表示另一種三重簡并振動。

上面所說的“簡并”，是指在同一類振動中，雖然包含不同的振動方式但具有相同的能量，它們在拉曼光譜中對應(yīng)同一條譜線。因此，分子振動拉曼光譜應(yīng)有4個基本譜線，根據(jù)實驗中測得各譜線的相對強(qiáng)度依次為。苯的譜線也見附圖，分析類似，這里不再贅述。^[2]

應(yīng)用

拉曼光譜

分析物質(zhì)性質(zhì)

通過對拉曼光譜的分析可以知道物質(zhì)的振動轉(zhuǎn)動能級情況，從而可以鑒別物質(zhì)，分析物質(zhì)的性質(zhì)。

天然雞血石和仿造雞血石的拉曼光譜有本質(zhì)的區(qū)別：前者主要是地開石和辰砂的拉曼光譜，后者主要是有機(jī)物的拉曼光譜，利用拉曼光譜可以區(qū)別二者。圖中a是地（黑色），b是血（紅色）。

天然雞血石“地”的主要成分為地開石，天然雞血石樣品“血”既有辰砂又有地開石，實際上是辰砂與地開石的集合體。仿造雞血石“地”的主要成分是聚苯乙烯-丙烯腈，“血”與一種名為PermanentBordo的紅色有機(jī)染料的拉曼光譜基本吻合。

拉曼光譜

鑒別毒品

常見毒品均有相當(dāng)豐富的拉曼特征位移峰，且每個峰的信噪比較高，表明用拉曼光譜法對毒品進(jìn)行成分分析方法可行，得到的譜圖質(zhì)量較高。由于激光拉曼光譜具有微區(qū)分析功能，即使毒品和其它白色粉末狀物質(zhì)混和在一起，也可以通過顯微分析技術(shù)對其進(jìn)行識別，得到毒品和其它白色粉末分別的拉曼光譜圖。

利用拉滿光譜可以監(jiān)測物質(zhì)的制備：擔(dān)載型硫化鉬、硫化鎢催化劑是由相應(yīng)的擔(dān)載型金屬氧化物在H2和H2S氣氛下程序升溫制得的，在工業(yè)上主要用作加氫精制催化劑。在這樣的工業(yè)條件下，二維表面金屬氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)槎S或三維金屬硫化物。與負(fù)載金屬氧化物相比，負(fù)載金屬硫化物的拉曼光譜研究相對較少，這是由于黑色的硫化物相對可見光的吸收較強(qiáng)，導(dǎo)致信號較弱。然而拉曼光譜能較易檢測到小的金屬硫化物微晶。

拉曼光譜

監(jiān)測水果表面殘留農(nóng)藥

（圖）不同種類的水果表面滴加植保博士后得到的拉曼譜

不同種類的水果表面滴加植保博士后得到的拉曼譜（見左圖）。很明顯，除了水果原本的拉曼峰外，植保博士的特征峰為993ｃｍ-1、1348ｃｍ-1、1591ｃｍ-1都出現(xiàn)了由于實驗中模擬農(nóng)藥噴灑的方式比實際噴灑時的農(nóng)藥量少得多，盡管如此，農(nóng)藥的殘留仍然清晰地顯示出來，這表明這一方法是靈敏而適用的。定量地分析農(nóng)藥殘留可以從農(nóng)藥特征譜線和水果特征譜線的相對強(qiáng)度比獲得。

拉曼光譜儀

拉曼光譜儀一般由以下五個部分構(gòu)成。

1．光源

它的功能是提供單色性好、功率大并且最好能多波長工作的入射光。目前拉曼光譜實驗的光源己全部用激光器代替歷史上使用的汞燈。對常規(guī)的拉曼光譜實驗，常見的氣體激光器基本上可以滿足實驗的需要。在某些拉曼光譜實驗中要求入射光的強(qiáng)度穩(wěn)定，這就要求激光器的輸出功率穩(wěn)定。

2．外光路

外光路部分包括聚光、集光、樣品架．濾光和偏振等部件。

(1) 聚光：用一塊或二塊焦距合適的會聚透鏡，使樣品處于會聚激光束的腰部，以提高樣品光的輻照功率，可使樣品在單位面積上輻照功率比不用透鏡會聚前增強(qiáng)105倍。

(2) 集光：常用透鏡組或反射凹面鏡作散射光的收集鏡。通常是由相對孔徑數(shù)值在1左右的透鏡組成。為了更多地收集散射光，對某些實驗樣品可在集光鏡對面和照明光傳播方向上加反射鏡。

（圖）拉曼樣品的幾種典型空間配a.透明液體 b.透明固體 c.不透明固體d.加溫樣品 e.背向散射樣品 f.前向散射樣品

(4) 濾光：安置濾光部件的主要目的是為了抑制雜散光以提高拉曼散射的信噪比。在樣品前面，典型的濾光部件是前置單色器或干涉濾光片，它們可以濾去光源中非激光頻率的大部分光能。小孔光欄對濾去激光器產(chǎn)生的等離子線有很好的作用。在樣品后面，用合適的干涉濾光片或吸收盒可以濾去不需要的瑞利線的一大部分能量，提高拉曼散射的相對強(qiáng)度。

(5) 偏振：做偏振譜測量時，必須在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋轉(zhuǎn)器可以改變?nèi)肷涔獾钠穹较?；在光譜儀入射狹縫前加入檢偏器，可以改變進(jìn)入光譜儀的散射光的偏振；在檢偏器后設(shè)置偏振擾亂器，可以消除光譜儀的退偏干擾。

3．色散系統(tǒng)

色散系統(tǒng)使拉曼散射光按波長在空間分開，通常使用單色儀。由于拉曼散射強(qiáng)度很弱，因而要求拉曼光譜儀有很好的雜散光水平。各種光學(xué)部件的缺陷，尤其是光柵的缺陷，是儀器雜散光的主要來源。當(dāng)儀器的雜散光本領(lǐng)小于10-4時，只能作氣體、透明液體和透明晶體的拉曼光譜。

4．接收系統(tǒng)

拉曼散射信號的接收類型分單通道和多通道接收兩種。光電倍增管接收就是單通道接收。

5．信息處理與顯示

為了提取拉曼散射信息，常用的電子學(xué)處理方法是直流放大、選頻和光子計數(shù)，然后用記錄儀或計算機(jī)接口軟件畫出圖譜。

優(yōu)勢與不足

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 因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2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。

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)生一定的影響

相關(guān)技術(shù)

1、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)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。在實驗條件允許的情況下, 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0.1～1mm) , 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)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 活性位隨電位而變化而帶來的問題。

2、

是以拉曼散射做為理論基礎(chǔ)的一種光譜分析方法

激光拉曼光譜法的原理是拉曼散射效應(yīng)。

拉曼散射：當(dāng)激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子相互作用時，大部分光子只是發(fā)生改變方向的散射，而光的頻率并沒有改變，大約有占總散射光的10-10-10-6的散射，不公改變了傳播方向，也改變了頻率。這種頻率變化了的散射就稱為拉曼散射。

對于拉曼散射來說，分子由基態(tài)E0被激發(fā)至振動激發(fā)態(tài)E1，光子失去的能量與分子得到的能量相等為△E反映了指定能級的變化。因此，與之相對應(yīng)的光子頻率也是具有特征性的，根據(jù)光子頻率變化就可以判斷出分子中所含有的化學(xué)鍵或基團(tuán)。

這就是拉曼光譜可以作為分子結(jié)構(gòu)的分析工具的理論工具。

3、其他比較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)。