拉曼光谱现状研究
拉曼光谱（Raman spectra），是一种散射光谱。它是1928年印度物理学家C.V. Raman发现的。对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼光谱作为一种物质结构的分析测试手段而被广泛应用,尤其是60年代以后,激光光源的引入、微弱信号检测技术的提高和计算机的应用, 拉曼光谱得到了迅速的发展,出现了很多新的拉曼光谱技术,使拉曼光谱分析在许多应用领域取得很大的发展。目前,拉曼光谱已广泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域。
一拉曼光谱的发展
拉曼光谱又称拉曼效应,是起用发现者印度人C.V.Raman命名的。德文文献中常称之为迈克尔-拉曼(Smekal-Raman)效应,而苏联前若干年的文献中则称之为联合散射,是拉曼于1919年从水分子散射现象中发现的。拉曼光谱最初用的光源是聚焦的日光,后来使用汞弧灯由于它强度不太高和单色性差,限制了拉曼光谱的发展。60年代激光技术的兴起,以及光电讯号转换器件的发展才给拉曼光谱带来新的转机。70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注入活力。80年代以来,一些公司相继推出了拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪,入射光的功率可以很低,灵敏度得到很大的提高。这些性质使拉曼光谱的应用无论在广度和特异性等方面都得到了空前发展。
二拉曼光谱特点
拉曼光谱产生的原理和机制都与红外光谱不同,但它提供的结构信息却是类似的,都是关于分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况,从而可以用来鉴定分子中存在的官能团。分子偶极矩变化是红外光谱产生的原因,而拉曼光谱是分子极化率变化诱导产生的,它的谱线强度取决于相应的简正振动过程中极化率的变化的大小。在分子结构分析中,拉曼光谱与红外光谱是相互补充的。因此,一些在红外光谱仪无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。拉曼效应普遍存在于一切分子中,无论是气态,液态和固态,拉曼散射光谱对于样品制备没有特殊要求;对于样品数量要求比较少,可以是毫克甚至微克的数量级。拉曼散射最突出的优点是采用光子探针,对于样品是无损伤探测,尤其适合对那些稀有或珍贵的样品进行分析,甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物质。
拉曼光谱的缺点之一是会产生荧光干扰,样品一旦产生荧光,拉曼光谱会被荧光所湮灭检测不到样品的拉曼信号。二是检测灵敏度低。
三几种常见的拉曼光谱技术
3•1共焦显微拉曼光谱技术
显微拉曼光谱技术是将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种
应用技术。该技术采用了低功率激光器,高转换效率的全息CCD(charge coupled de-vice)技术以及共焦技术,克服了传统拉曼仪所需大功率激光器,灵敏度低等缺点,具有检测灵敏度高、时间短、所需样品量小、样品无需制备等优点。与其他传统技术相比,更易于直接获得大量有价值信息,共聚焦显微拉曼光谱不仅具有常规拉曼光谱的特点,还有自己的独特优势。具有微观、原位、多相态、稳定性好、空间分辨率高等特点,可实现逐点扫描,获得高分辨率的三维Ra-man图像,近几年共聚焦显微拉曼光谱在肿瘤检测、文物考古、公安法学等领域有着广泛的应用。
3•2傅里叶变换拉曼光谱技术
傅立叶变换拉曼光谱是上世纪90年代发展起来的新技术，该技术克服了荧光干扰,具有测量波段宽、热效应小、检测精度及灵敏度高等优点,且具有多通路的特点,能所有频率同时测定。拉曼光谱最大的干扰因素是荧光现象,它是阻碍拉曼光谱仪灵敏度的一个障碍。而荧光大都集中在可见区,所以采用1064 nm近红外激光光源激发的傅立叶拉曼光谱仪几乎可以彻底克服荧光干扰。
3•3表面增强拉曼光谱技术
表面增强拉曼散射( surface enhanced Ramanscattering, SERS)是指当一些分子被吸附到某些粗糙的金属(如银、铜、金等)表面上时,它们的拉曼散射强度会增加104~106倍。相对于红外光谱,拉曼散射很弱,拉曼光谱通常不够灵敏,利用表面增强拉曼技术可以大大加强拉曼光谱的灵敏度。表面增强拉曼光谱学(SERS)已成为拉曼光谱研究中一个活跃的领域。表面增强效应与样品的量及吸附时间的长短有关。作为一门分析测试技术,今后一段时间内,SERS的研究仍将集中在提高SERS 稳定性、重视性和拓展分析应用范围。
3•4激光共振拉曼光谱技术
激光技术的兴起使拉曼光谱成为激光分析中最活跃的研究领域之一,共振拉曼光谱是建立在共振拉曼效应基础上的一种激光拉曼光谱法。共振拉曼效应产生于激发光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时,这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104~106倍,有利于低浓度和微量样品的检测。激光共振拉曼光谱具有灵敏度高、所需样品浓度低、反映结构信息量大等特点,还可以针对复杂分子的不同色团选择性地共振激发,而相互间不受影响。目前,激光共振拉曼光谱分析已用于无机、有机、生物大分子、离子乃至活体组成的测定和研究。由于核酸和蛋白质的电子吸收带在深紫外260~280 nm,因而,谱线在这附近的深紫外共振拉曼光谱更为人们所重视。人们可以选择性地通过共振激发核酸色团来研究药物与核酸作用的精确位置;以及通过共振激发蛋白色团来研究蛋白的二级结构以及蛋白质与物质的相互作用,为生物技术领域的基础研究和应用开辟广阔的前景。Jo-hannessen等通过对细胞色素C的共振拉曼旋光活性及表面增强共振拉曼旋光活性的分析,发现其共振拉曼旋光谱图中的峰和表面增强拉曼旋光谱图中的峰基本上可一一对应,其微小的差别是由于蛋白质在银胶表面的物理特性波动产生的。随着新的激光技术如高效率激光倍频、紫外可调谐激光等技术的发展,将有力地推动共振拉曼光谱技术在抗癌药物与DNA的
相互作用和其他生物大分子结构及其与物质相互作用等研究工作的应用。
3•5光声拉曼技术
光声拉曼光谱术(PARS)是通过光声方法来直接探测样品中因相干拉曼过程而存储的能量的一种非线性光谱技术,它具有高灵敏度(能探测到10-6cm-1的拉曼系数)、高分辨率和基本上没有光学背景等优点,在气体、液体样品的检测分析中均可取得理想的效果。由于不像相干反斯托克斯拉曼(CARS)过程那样有比较严格的相位匹配角要求,因而它也很适合用于研究固体介质的特性。与气体,液体不同,固体介质中的PARS效应是由相干拉曼增益过程产生的局部热能耦合到样品本身的振动模式的热弹过程,对于介质各向异性结构,三阶非线性拉曼极化率张量形式表现出一定的对称性,因而,情况要复杂得多。光声拉曼光谱技术是通过光声方法来检测受激拉曼增益的,光声拉曼信号正比f固体介质三阶拉曼极化率的虚部,与非共振拉曼极化率无关,因而完全避免了非共振拉曼散射的影响,并且克服了传统光学方法受瑞利散射、布里渊散射干扰的缺点,基本上是一种无光学背景的非线性光谱技术,其谱线近似为洛仑兹线。由于光声拉曼信号并非来自样品对光的直接吸收,而是基于通过相干拉曼放大过程使分子产生具有拉曼活性的受激跃迁,并且光谱跃迁的发生取决于分子极化率的变化而非其固有偶极矩的变化,使得PARS技术成为研究具有反演对称晶体中对红外不具活性的光学声子的有效手段。另外,由于光声拉曼光谱探测频率等于两光束的频率差,因而利用它可以在可见光区研究分子的振动特性,如观测分析分子晶体中的谱线频率比分子内部振动的频率小得多的分子间相对振动谱线,并且比使用红外光谱方法要方便简单。光声效应与调制频率有关,改变调制频率可获得样品表面不同深度的信息,所以光声拉曼光谱分析是提供表面不同深度结构信息的无损探测方法。目前,光声拉曼技术主要用于研究矿石内部化学结构及分子内部的多相动力学过程和监测气体的浓度及压力变化趋势。
3•6高温高压原位拉曼光谱技术
该技术能揭示熔体的微观结构及其在高温高压下的物理化学反应,诸如冶金熔体、地质反应及晶体生长过程等,光谱既能得到反应物和产物的结构信息,还可获取反应中间体及其变化过程的信息。显微高温拉曼光谱仪具有所需样品量少,升温速率快,空间分辨率高(精度1~2μm),可选气体保护,操作和测定简便等特点。宏观高温拉曼光谱仪具有极高的信背和信噪比,可完全消除杂散光的干扰;同时,样品可程序控温。目前,高温拉曼光谱技术已应用于晶体生长、冶金熔渣、地质岩浆、矿产等物质的高温结构研究,是揭示物质分子结构的主要手段之一。
其他
近些年,实现拉曼与其它多种微区分析测试仪器的联用,其中有:拉曼与扫描电镜联用(Raman-SEM);拉曼与原子力显微镜/近场光学显微镜联用(Raman-AFM/NSOM);拉曼与红外联用(Raman-FTIR);拉曼与激光扫描共聚焦显微镜联用(Raman-CLSM),这些联用的着眼点是微区的原位检测。通过联用可以获得更多的信息,并提高可靠度。因此,国外的一些研究单位已经开始关注拉曼光谱
