拉曼光譜

Raman spectra

 

　　拉曼散射的光譜。1928年C.V.拉曼實驗發現，當光穿過透明介質被分子散射的光發生頻率變化，這一現象稱為拉曼散射，同年稍后在蘇聯和法國也被觀察到。在透明介質的散射光譜中，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的譜線稱為小拉曼光譜；遠離瑞利線的兩側出現的譜線稱為大拉曼光譜。瑞利散射線的強度只有入射光強度的10-3，拉曼光譜強度大約只有瑞利線的10-3。小拉曼光譜與分子的轉動能級有關， 大拉曼光譜與分子振動-轉動能級有關。拉曼光譜的理論解釋是，入射光子與分子發生非彈性散射，分子吸收頻率為υ0的光子，發射υ0－υ1的光子，同時分子從低能態躍遷到高能態（斯托克斯線）；分子吸收頻率為υ0的光子，發射υ0＋υ1的光子，同時分子從高能態躍遷到低能態（反斯托克斯線 )。分子能級的躍遷僅涉及轉動能級，發射的是小拉曼光譜；涉及到振動-轉動能級，發射的是大拉曼光譜。與分子紅外光譜不同，極性分子和非極性分子都能產生拉曼光譜。激光器的問世，提供了優質高強度單色光，有力推動了拉曼散射的研究及其應用。拉曼光譜的應用范圍遍及化學、物理學、生物學和醫學等各個領域，對于純定性分析、高度定量分析和測定分子結構都有很大價值。

 

　　（一）含義

　　光照射到物質上發生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發光波長長的和短的成分, 統稱為拉曼效應
　　當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，產生散射光。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生位移的拉曼譜線，這種現象稱為拉曼效應。由于拉曼譜線的數目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動或轉動能級有關。因此，與紅外吸收光譜類似，對拉曼光譜的研究，也可以得到有關分子振動或轉動的信息。目前拉曼光譜分析技術已廣泛應用于物質的鑒定，分子結構的研究譜線特征

 

　　（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雖然隨入射光的波數而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關,只和樣品的振動轉動能級有關；
　　b. 在以波數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, 這是由于在上述兩種情況下分別相應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度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態上的粒子數遠大于處于振動激發態上的粒子數。

 

　　（三）拉曼光譜技術的優越性

　　提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外
　　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化合物的理想工具。
　　2 拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數的區間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區間則必須改變光柵、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、數據庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區間的強度可以和功能集團的數量相關。
　　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紅外光譜一個很大的優勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。
　　5 共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發色基團的振動，這些發色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。

 

　　（四）幾種重要的拉曼光譜分析技術

　　1、單道檢測的拉曼光譜分析技術
　　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
　　3、采用傅立葉變換技術的FT-Raman光譜分析技術
　　4、共振拉曼光譜分析技術
　　5、表面增強拉曼效應分析技術

 

　　（五）拉曼信號的選擇

　　入射激光的功率，樣品池厚度和光學系統的參數也對拉曼信號強度有很大的影響，故多選用能產生較強拉曼信號并且其拉曼峰不與待測拉曼峰重疊的基質或外加物質的分子作內標加以校正。其內標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

 

　（六）拉曼光譜的應用方向

　　拉曼光譜分析技術是以拉曼效應為基礎建立起來的分子結構表征技術,其信號來源與分子的振動和轉動。拉曼光譜的分析方向有：
　　定性分析：不同的物質具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進行定性分析。
　　結構分析：對光譜譜帶的分析,又是進行物質結構分析的基礎。

　　定量分析：根據物質對光譜的吸光度的特點,可以對物質的量有很好的分析能力。

 

　　（七）拉曼光譜用于分析的優點和缺點
　　1、拉曼光譜用于分析的優點
　　拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進行前處理，也沒有樣品的制備過程，避免了一些誤差的產生，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短，靈敏度高等優點
　　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度容易受光學系統參數等因素的影響
　　(3)熒光現象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾
　　(4)在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現曲線的非線性的問題
　　(5)任何一物質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，會對分析的結果產生一定的影響