（光学专业论文）咖啡因表面增强拉曼光谱的研究.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e eo fso u t hc h i n a n o r m a lu n i v e r s i t y s p e c t r o s c o p i cs t u d y o fs u r f a c ee n h a n c e d r a m a ns c a t t e r i n go f c a f f e i n eo nb o r o h y d r i d e r e d u c e dsi l v e rc o l l o i d x i a o m i nc h e n d i r e c t i v ep r o f e s s o r ：h u a i m i ng u c o l l e g eo f b i o p h o t o n i c s so u t hc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y m a y3 0 t h ，2 0 1 0 摘要 咖啡因表面增强拉曼光谱的研究 专业： 学位申请人： 导师姓名及职称： 光学 陈小敏 谷怀民 教授 表面增强拉曼光谱( s e r s ) 是一种分子光谱，因为每个分子产生的拉曼光谱 谱频移、强度与谱线形状都直接与分子的振动和转动相关，所以通过分析s e r s 光谱，能获得吸附于或靠近金属表面分子的详细的结构和化学组成的信息，而且 s e r s 技术克服了常规拉曼光谱灵敏度低和样品荧光强的缺点，使得它作为一种 极高灵敏度的分子检测手段，在生物、物理、分析化学和医学等领域有着广泛的 应用。s e r s 的增强机理非常复杂，目前人们普遍认为存在电磁场增强和电荷转 移增强两种机制。在本篇论文中，研究了咖啡因在硼氢化钠( n a b h 。) 还原的银 溶胶体系的s e r s 光谱，并依据s e r s 作用机理初步分析了咖啡因在n a b h 4 还原的 银溶胶的吸附作用特点和规律，分析了氯离子的在银溶胶体系所起的作用，为用 s e r s 光谱技术对咖啡因进行药物分析和痕量提供重要信息，并对深入探讨甲 基黄嘌呤类药物的s e r s 光谱和作用机理也极为重要。本文主要进行了与之相 关的研究探讨工作可分为四部分： ( 一) 从理论上分析介绍了常规拉曼技术及其原理。详细研究了表面增强拉 曼光谱的物理和化学增强等各种模型。并介绍了s e r s 一些常用的活性基底及其 优点和缺点。 ( 二) 以咖啡因作为探针分子，氯化钠作为凝聚剂，研究了用硼氢化钠还原 i l 银溶胶的咖啡因的表面增强拉曼散射光谱( s r e s ) 信号相对强度在不同浓度的银 粒子和氯化钠的变化规律，实验研究表明咖啡因的s e r s 相对强度随着银溶胶和 氯化钠的浓度的增大呈现出先增大后减弱的趋势，两者的浓度混合比例合适才能 产生较佳的s e r s 信号，过高或过低都不利于s e r s 信号的产生。并且当加入氯化 氢后，咖啡因s e r s 强度明显增大，出现了1 3 9 3c m 叫的新增强峰。 ( - _ - - ) 比较研究了咖啡因的普通拉曼光谱与其s e r s 光谱，并根据s e r s 的表 面选择定律，讨论了咖啡因分子在银表面的吸附规律和特点，咖啡因是分别通过 n - c h 3 和c - n 基团共同化学吸附到银表面的，分子平面与银表面平行。其s e r s 光谱特点表明增强机制以化学增强为主。此外，还探讨了氯离子对咖啡因s e r s 光谱的影响。研究表明，向吸附分子银溶胶体系加入氯离子，一般会造成 s e r s 信号的进一步增强，普遍认为这是氯离子加剧了胶体的凝聚程度所导致的。 我们的实验研究发现，向咖啡因银溶胶体系加入氯离子后确实显著提高了s e r s 信号，但是这种提高是对拉曼峰是有选择性的，对化学增强的效果更显著，因此 推测氯离子是在的作用位点应该是在金属表面与样品分子所形成的金属离子键 处，具有短程性。 ( 四) 对比分析了本实验所得的硼氢化钠还原的银溶胶咖啡因s e r s 光谱与 文献中柠檬酸钠还原的结果，发现这两者的s e r s 光谱存在明显的差异，前者是 电荷转移增强占据主导地位，后者是以电磁场增强为主，这也许由于银粒子的粒 径不同，而导致了咖啡因在不同银溶胶环境下与银表面不同的吸附的状态有关。 关键词：表面增强拉曼散射，紫外吸收光谱，咖啡因，氯离子，银溶胶，凝聚。 i l l s p e c t r o s c o p ics t u d yo fs u r f a c ee n h a n c e dr a m a n a b s t r a c t s c a t t e rin go fc a f f e in eo nb o r o h y d id e r e d u c e dc o l l o ld m a j o r ：o p t i c s n a m e ：x i a o m i nc h e n t h es u r f a c ee n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s e r s ) s p e c t r o s c o p yi s am o l e c u l a r v i b r a t i o n a ls p e c t r o s c o p y t h ed i s p l a c e m e n t ，i n t e n s i t ya n ds h a p eo ft h em o l e c u l a ro f r a m a nb a n da r ed i r e c t l yr e l a t e dt ot h em o l e c u l a rv i b r a t i o na n dr o t a t i o n 1 f 1 姗陀f o r e ，w e c 锄o b t a i nt h ed e t a i l e di n f o r m a t i o no fm o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dc o m p o n e n to fm a t e r i a l m s o r b e do no rn e a rt h em e t a ls u r f a c eb ya n a l y z i n gt h es e r ss p e c t r a f u r t h e r m o r e ， s e r so v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so fn o r m a lr a m a n , s u c ha sl o ws e n s i t i v ea n d s t r o n gf l u o r e s c e n c eb a c k g r o u n do fs a m p l e t h e r e f o r e ，s e r s ，a sav e r y h i g h l y 剐= i l s i t i v ed e t e c t e dm e t h o do fm o l e c u l e ，i sw i d e l yu s e di n t h ef i e l d so fp h y s i c s ， a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , b i o m e d i c i n ea n dp h a r m a c o l o g y t h ee n h a n c e m e n tm e c h a n i s m o f s e r si sv e r yc o m p l e x a tp r e s e n t ，p e o p l eg e n e r a l l ya g r e e t h a tt h e r ea r e e l e c t r o m a g n e t i c e n h a n c e m e n tm e c h a n i s ma n dc h a r g e - t r a n s f e r e n h a n c e m e n t m e c h a n i s m i nt h i sp a p e r , t h es e r so fc a f f e i n eu n d e rd i f f e r e n ta q u e o u ss o l u t i o n e n v i r 0 姗e n t sw a ss t u d i e db yu s i n gb o r o h y d r i d e - r e d u c e ds i l v e rc o l l o i ds y s t e m t h e b 蜀l s i so fm es e r ss u r f a c es e l e c t i o nr u l e sw a sd i s c u s s e di no r d e rt oc h a r a c t e r i z e c a f f e i n ev i b r a t i o n a lb e h a v i o ro ns i l v e rc o l l o i d a n dt h er o l eo fc h l o r i d ei o n si ns e r s s y s t e mo fc a f f e i n e w a sa n a l y z e d t h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d ei m p o r t a n t l v i n f o r m a t i o nf o ra p p l y i n gs e r st e c h n o l o g yt od r u ga n dt r a c ea n a l y s i so fc a f f e i n e i ti s a l s os i g n i f i c a n tf o rf a r t h e rr e s e a r c h i n gs e r so fm e t h y lx a n t h i n ed r u g sa n dt h e i r m e c h a n i s m t h ed i s c u s s i o n so ft h er e l a t e dr e s e a r c hs t u d ya r ei nf o l l o w i n gp a r t s ： f i r s tp a r ti ss l m m l a r y w eb r i e f l yi n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo ft h en o r m a lr a m a n t e c h n i q u e t h e n , k i n d so ft h em o d eo fp h y s i c a la n dc h e m i c a le n h a n c e m e n to fs e r s a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a n ds o m ec o m m o n l yu s e ds e r sa c t i v es u b s t r a t e sa n dt h e i r a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ea r ep r e s e n t e d s e c o n d l y , t h es e r so fc a f f e i n ef o rb o r o h y d r i d e - r e d u c e ds i l v e rc o l l o i ds y s t e m u n d e rd i f f e r e n ta q u e o u ss o l u t i o ne n v i r o n m e n t sw a ss t u d i e d t h er e l a t i v ei n t e n s i t yo f c a f f e i n es e r sa r e s i g n i f i c a n t l y v a r i e dw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fs o d i u m c h l o r i d ea n ds i l v e rp a r t i c l e s i td o e sn o tb e n e f i tt h ee n h a n c e m e n to fs e r ss p e c t r at h a t t h ec o n c e n t r a t i o n so fs o d i u mc h l o r i d ea n ds i l v e rp a r t i c l e sa r et o oh i g ho rt o ol o w t h e a d d i t i o no fc h l o r i d i o n , t h es i g n a lo fc a f f e i n es e r si sc l e a r l yi n c r e a s e da n das t r o n g n e we n h a n c e dr z h n a nb a n da t13 9 3c m a p p e a r s t h i r d l y , t h es e r so fc a f f e i n ei sc o m p a r e d 、析t l ln o r m a lr a m a n b a s e do nt h es e r s s u r f a c er u l e ，t h ec h a r a c t e ra n dd i s c i p l i n eo fc a f f e i n ea d s o r b e do ns i l v e rs u r f a c ei s d i s c u s s e d t h es e r ss p e c t r ao fc a f f e i n es u g g e s tt h a tt h ec o n t r i b u t i o no ft h ec h a r g e t r a n s f e rm e c h a n i s mt os e r sm a yb ed o m i n a n t t h ec h l o r i d ei o n sc a ns i g n i f i c a n t l y e n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fs e r s ，b u tt h ee n h a n c e m e n ti ss e l e c t i v e ，i tc a nm o r e e f f e c t i v e l ye n h a n c es e r si nc h a r g et r a n s f e re n h a n c e m e n tt h a ni ne l e c t r o m a g n e t i c e n h a n c e m e n t t h e r e f o r e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ea c t i v es i t eo fc h l o r i d ei o nl o c a t e s o nt h eb o n db e t w e e nt h ec a f f e i n ea n dt h es i l v e rs u r f a c e f i n a l l y , w ef i n dt h a tt h es e r ss p e c t r ao fc a f f e i n ef o rb o r o h y “d e - r e d u c e da n d c i t r a t e r e d u c e ds i l v e rc o l l o i da 陀d i f f e r e n t i tm a yb ed u et od i f f e r e n ts t a t e sc a f f e i n e a d s o r b e do ns i l v e rs u r f a c eu n d e rd i f f e r e n ts i l v e rc o l l o i d s k e yw o r d s ：s e r s ，u v - v i s ，c a f f e i n e ，c h l o r i d ei o n ，s i l v e rc o l l o i d ，a g g r e g a t i o n v 第二章激光拉曼光谱理论及其技术研究1 2 1 拉曼散射的机理1 2 2 拉曼效应的一些特点3 2 3 拉曼光谱的实验装置3 2 3 1 激光照射系统4 2 3 2 样品池4 2 3 3 散射光的收集与分光系统5 2 3 4 信号处理系统5 v l 2 2 表面增强拉曼光谱6 2 2 1 概述6 2 2 2s e r s 增强机理的量子描述6 2 2 3 物理增强效应8 2 2 4 化学增强效应1 3 2 2 5 表面增强拉曼光谱的特点15 2 3s e r s 的常用活性基底16 2 3 1 金属电极活性基底16 2 3 2 金属溶胶活性基底1 7 2 3 2 双金属纳米粒子活性基底18 2 4 表面增强拉曼光谱技术在生物医学的应用19 第三章硼氢化钠还原的咖啡因表面增强拉曼光谱的研究2 1 3 1 实验仪器、样品处理及实验方法2 1 3 1 1 实验仪器装置2 1 3 1 2 样品制备及拉曼光谱测定2 2 3 2 实验结果分析与讨论2 3 3 2 1 银溶胶的特征2 3 3 2 2 无氯离子情况下不同浓度银溶胶的咖啡因s e r s 2 6 3 2 3 银溶胶浓度相同，不同浓度氯离子的咖啡因溶液的吸收光谱 和s e r s 2 8 i 3 2 4 不同时间没加氯离子的咖啡因s e r s 3 2 3 2 5 添加相同浓度氯离子不同时间的咖啡因s e r s 3 3 3 2 6 咖啡因s e r s 分析3 5 3 2 7 氯离子对咖啡因s e r s 体系的影响4 1 3 2 8 不同还原剂对咖啡因s e r s 的影响4 3 结束语j 。：- 4 4 参考文献4 6 致谢1 发表的论文2 i i 咖啡冈表面增强拉曼光谱的研究 1 1 咖啡因简介 第一章绪论 1 1 1 咖啡因的药理作用及对机体的影响 咖啡因是一种具有强烈苦味的白色粉末，属于甲基黄嘌呤生物碱。不 少日常饮料中都含有少量的咖啡因，如雀巢咖啡，茶叶，能量饮料等。 咖啡因是一种中枢神经系统的兴奋药，对心血管系统具有正性作用， 还能促进胃酸分泌和治疗偏头疼等疾病。咖啡因口服以后吸收非常快而且 完全，生物利用度近1 0 0 ，并在肝内代谢，少量的以原形经肾排泄。咖啡 因在体内主要通过拮抗腺苷受体来发挥其主要的药理作用。另外咖啡因对 腺苷受体的作用会导致对其他神经递质的继发效应，如去甲肾上腺素、多 巴胺，5 一羟色胺、乙酰胆碱与谷氨酸。 适量的摄入咖啡因能兴奋大脑皮质，振奋精神，提高注意力、自信心以 及工作效率和积极性，增强警觉性和减少疲乏感，提高警惕性和维持持久 的工作能力，增强识别能量，缩短快速与选择反应时间，并能提高瞬时口 头记忆力，但是过来的摄入可引起焦虑、烦躁、失眠、易怒及精细运动功 能受损。由于咖啡因能促进儿茶酚胺的合成和释放，所以被认为是具有正 性作用的心血管药物，即使一次服用小剂量也能产生心里增快、血压升高 等正性心力作用。人们一般认为如长期摄入富含咖啡因的饮料，可能会引 起高血压、心肌梗死、心律失常、休克等心血管系统疾病。然而国外流行 病学调查显示，两者间负相关的有3 个报道，很弱正相关的有4 个，未发 现两者存在有明显相关性的有3 个，所以尚不能肯定长期摄入咖啡因与高 血压等心血管基本之间的必然关系。但对于高血压患者，建议应该减少咖 啡因的摄入量。咖啡因通过兴奋中枢神经系统的迷走中枢，刺激迷走神经 胃支，可引起胃酸分泌增加和胃腺分泌亢进，也可刺激甓r v , 大细胞释放组 1 咖啡因表面增强拉曼光谱的研究 胺，进而造成胃壁细胞泌酸增加。这一作用被认为是通过激活胃粘膜壁细 胞的胆碱能m 受体和组胺受体来介导的。放消化性溃疡患者不宜服用咖啡 因。另外，长期饮用咖啡还能减少患胆石症的风险，这可能与咖啡因刺激 胆囊收缩，降低胆汁中胆固醇的含量，抑制胆石症的形成有关。d , n 量的 咖啡因能兴奋大脑皮质，改善思维活动，提高对外界的感应性。大剂量则 克兴奋延髓的呼吸中枢和血管运动中枢，增加呼吸频率和深度。经常摄入 咖啡因还能预防帕金森病，其原因可能是咖啡因可保护脑基底核免受帕金 森病侵袭的缘故。此外，咖啡因具有增强体外骨骼肌收缩性的作用。很多 研究表明，促进c a 2 + 从肌浆网中释放是这一作用的基本机制。咖啡因可能在 三个环节上影响短时间和高强度的运动能力，即速度和反应时间环节，、力 量环节及爆发力环节。首先咖啡因通过增加肾上腺素释放而刺激中枢神经 系统，并能减少核苷酸的抑制作用，其次，通过增加神经系统递质的释放 而增加神经肌肉的传导，最后，可通过改变细胞内c 矿浓度来加强肌纤维的 收缩性。因此，咖啡因具有刺激中枢神经系统和改善神经肌肉传导的作用， 从而克作为一种外源性刺激因素缩短反应时间和运动时间来提高速度，因 此能提高短跑和短距离游泳运动员的成绩，然而咖啡因不利于神经肌肉的 稳定性，而且随着药物浓度的增加而加重。这对需要精细运动和稳定性运 动的项目，如射击、射箭、体操等，可能有害。 1 1 1 2 咖啡因光谱检测的研究 近年来，不少研究者用各种的化学分析手段检测各种混合物中的咖啡 因，比如紫外吸收光谱技术，液相色谱技术，离子色谱技术，高效薄层色 谱( h p t l c ) 等等 2 4 。n m n a j a f i 等人把傅立叶近红外光谱( f 1 i r ) 技 术和多元线性回归方法结合起来，简单、快速地分析了红茶茶叶中咖啡因 的含量 5 。m m p a r a d k a r 等人先把饮料中的咖啡因用氯体萃取出来，再用 f t i r 检测 6 。 傅里叶变换拉曼( f t r a m a n ) 光谱以其大大减少采集样品数据的时间， 2 员的 等人 1 3 1 5 三种 相傅 动峰 料中 的咖啡因的含量的方法，所得的结果与液相色谱测试的结果在误差范围内 相一致 8 ，m b a r a n s k a 等人利用咖啡因的其中一个拉曼特征强峰5 5 5 c m l ，确认了咖啡因的形态( 水合物或无水) ，以及含有这种生物碱成分的 药物，并直接检测了绿茶叶和巴西可可种子等活体植物组织以及几种止痛 剂中的咖啡因，拉曼光谱这种快速有效监测植物和药物咖啡因成分的特点， 使其能用来高效，高质量检测各种进口原料咖啡因的含量，从而达到长期 持续控制含咖啡因药物生产的目的 9 。 1 2 本研究的目的及意义 表面增强拉曼散射( s e r s ) 光谱技术是一种先进的实验技术，它能获 得吸附于或靠近金属表面分子的详细的结构和化学组成的信息，从而给出 可靠、精确的实验结果，因此它是一种极具价值研究分子结构的高灵敏度 的精密检测工具。分析下国内外的研究金属溶胶体系的情况，发现现阶段 研究只是集中于不同的样品与银溶胶混合比例对s e r s 信号的影响。其次， 人们在研究金属溶胶体系的时候发现，通过添加少量的阴离子，如氯离子， 硝酸根离子，硫酸根离子等，可以引起金属溶胶状态的改变，银粒子发生 凝聚，这以使s e r s 信号进一步增强，有些人认为阴离子引起金属溶胶的凝 聚是s e r s 信号增强的关键，但是到目前为止，氯离子的作用机制还没有一 个明确的解释。此外，对样品、银溶胶和凝聚剂三种对s e r s 强度的影响， 3 咖啡冈表面增强拉曼光谱的研究 这三者要达到什么样的混合比例才能获得较佳的s e r s 信号，目前还没有对 此展开深入、专门的研究，而且由于影响s e r s 光谱的因素非常多，如溶胶 颗粒的形状，大小等。因此系统、深入的研究咖啡因的s e r s 光谱特点及各 种影响因素，可以为用s e r s 光谱技术对含咖啡因成分的物质进行药物 分析和痕量提供重要参考信息。本课题的研究成果对深入探讨甲基黄嘌呤 类药物的s e r s 光谱和作用机理也有一定的参考价值。 本文详细研究了咖啡因在硼氢化钠( n a b h 4 ) 还原的银溶胶体系的紫外 吸收光谱和s e r s 光谱，讨论了在固定咖啡因的浓度的情况下，不同浓度的 银溶胶和氯离子以及三者的混合时间对s e r s 效应的产生的影响和规律，旨 在找出它们的较佳混合比例以及作用时间，实验表明，只有当银溶解和氯 离子的浓度混合比例合适的时候，才能获得较佳的s e r s 效应，并依据s e r s 作用机理初步分析了咖啡因在n a b h 4 还原的银溶胶环境下的吸附作用特点 和规律，发现咖啡因是分别通过n - c h 。和c - n 基团平行吸附于银颗粒表面的， 电荷转移增强占了主导地位，通过比较分析s e r s 光谱，探讨了氯离子的在 银溶胶体系所起的作用，这为以后用s e r s 技术定量分析甲基黄嘌呤类药 物提供实验基础和依 4 咖啡因表面增强拉曼光谱的研究 第二章激光拉曼光谱理论及其技术研究 早在1 9 2 3 年a s m e k a l 等人从理论上预言了光的非弹性散射的存在。 1 9 2 8 年，c v r a m a nk 和s k r i s h i m a n 首先在c c l 4 液体的散射光中观 察到了频率的改变 1 0 - 1 3 。拉曼光谱技术能够给出有关分子结构的详细信 息，比如分子组成、键长、官能团的方位、分子动力学机制，是一种解释 分子结构的强有力工具，因此它在自然科学的各个分支得到了广泛的应用 1 4 。 2 1 拉曼散射的机理 当一束频率为v 。的光照射物体时，大部分光子被物体反射、吸收或透 射，如果物体存在某些能时光波传播发生变化的不均匀性，如电场e 、相位 巾、粒子数密度n 、声速等，则少部分的入射光子与物质分子发生碰撞后向 各个方向散射，形成散射光。光的散射又可分为弹性散射和非弹性散射。 在弹性散射中，原来处于基态e v = 0 的分子吸收能量为hvo 的入射光子激发 而跃迁到一个虚拟的激发态能级，因其不稳定而立即跃迁回到基态e v = o ， 光子与分子之间不发生能量交换，光子仅改变其运动方向( 动量) 而不改 变频率( 能量) ，辐射跃迁的频率v = vo 。类似过程也可能发生在处于基态 e ，= l 的分子。当受入射光子hvo 的激发而跃迁到受激发虚态，然后回到基 态e ，= 1 ，这种过程对应于弹性碰撞，为瑞利散射。 在非弹性碰撞中，原来处于基态e v = 0 的分子吸收能量为hvo 的入射光 子激发而跃迁到一个虚拟的激发态能级，因其不稳定而跃迁到基态e v = l ， 跃迁频率为v o _ v ；或者原来处于e v = 1 的分子吸收能量为h vo 的入射光子激 发跃迁到虚拟能级，而后跃迁回到基态e v = 0 ，跃迁频率为v o + v ，在这两种 过程中，光子不仅仅改变其运动方向( 动量) ，同时还发生光子能量与分子 1 咖啡因表面增强拉曼光谱的研究 振动转动能量之间的交换。前者物体分子有电子能级基态跃迁只虚拟能级 然后回到振动能级基态，散射的光子能量小于入射光子的能量，其波长大 于入射光，其散射谱线位于瑞利散射谱线的低频侧，称为s t o k e s 线。后者 分子由振动能级基态跃迁至虚拟能级然后退回电子能级基态，散射光子能 量大于入射光子的能量，其波长小于入射光，其谱线位于瑞利谱线的高频 侧，称为反s t o k e s 线。可以看出，s t o k e s 线和反s t o k e s 线与瑞利线之间 的能量差分别为一h v 和h v ，即两者对称地分布与瑞利线的两侧间距相等， 如图1 所示 -一-。 e l e c t i t 7 一 e x - i l i | t 7 v n v h - m a l e n e r g y i 1 矿，i p 1 v | d a w l i e l e c t r o r 一k 矿i i t r a n s i t i e 、_ + 少肌 + a w p h o t o no o j 矿 v 0 - 绯 v 0 、，、，v l e l e c t r o x l 、 ，、，v 0 一g r o u n d n f a r e d js t o k e s , , r a l d a n 揖s t o k e s 皿幅o n 锄c a b s o r p t i o w r a m a n js c a t t e r i n g - - r a m a n , r a m a n f i g u r e1 - 1t h et r a n s i t i o nc h a r to fr a m a ns c a t t e r i n g s t o k e s 线和反s t o k e s 线统称为拉曼谱线。由于振动能级间距还是比较 大的，因此根据波尔兹曼定律，在室温下，分子大多数处于电子能级基态， 所以s t o k e s 线的强度远远大于反s t o k e s 线。拉曼光谱仪一般记录的只是 s t o k e s 线。拉曼散射谱线的强度十分弱，通常只有激发线的几千分之一， 最强的不不过几百分之一，这样就给应用带来里困难，摄谱时间长，用量 2 咖啡因表面增强拉曼光谱的研究 光的屏蔽要求很严格等，因此不能得到广泛的发展和应 现以后，由于激光具有功率大，能量大，单色性好和高 为拉曼光谱的激发光源，代替经典的水银灯光源，是十 拉曼光谱的研究和应用得以迅速发展起来。 并不是所有的物质分子都可以发生拉曼散射的，只有当 化率的变化振动，在激发光作用下才能产生变化的诱导 散射。 2 2 拉曼效应的一些特点 1 每一种物质有自己的特征拉曼光谱，因此可以用来表征所要研究的物 质； 2 每一种物质的拉曼频率位移( 即入射频率与散射频率的差) 与入射光的 频率无关。拉曼散射是瞬时的，即入射光消失时，拉曼散射在l o j l 1 0 。1 2 s 后消失； 3 拉曼谱线的线宽一般较窄，并且成对出现，即具有数值相同的正负频率 差。 4 拉曼频率位移的数值可以从几个波数到3 8 0 0 个波数； 5 一般拉曼频率是分子内部振动或转动频率，有时与红外吸收光谱所得的 频率部分重合，波数范围也是相同的； 6 拉曼谱线的强度和偏振性质，对于各种谱线是不相同的； 7 拉曼效应普遍存在于一切分子中，无论是气体、液体还是固体。 2 3 拉曼光谱的实验装置 虽然人们早就认识到利用拉曼散射效应可以研究分子的结构，但是直 到激光器的问世才使得拉曼光谱技术得到快速发展和应用。又全息滤光片 以及共聚焦技术使人们能够除去绝大部分的瑞利散射光和荧光；高效检测 3 咖啡因表面增强拉曼光谱的研究 设备的出现，使得极微弱的拉曼信号能精确测量；随着计算机技术的飞速 发展，光谱数据处理变得方便快捷。因此激光拉曼光谱技术得以蓬勃发展， 在很多行业得到了广泛应用。当前，各种专业化用途的拉曼光谱仪纷纷出 台，如便携式的光纤拉曼系统，既可以进行原位实时检测，也能够实现远 程遥测。显微拉曼光谱仪还能对样品进行微区分析，结合拉曼成像技术能 更好的了解物质成分的分布，大大扩展了拉曼光谱技术的应用范围。激光 拉曼光谱系统一般由四个部分组成：激光照射系统、样品池、散射光收集 与分光系统和信号处理系统。 2 3 1 激光照射系统 激光光源通常采用氩离子激光器，这是一种用电激励的气体离子激光 器。其激发线很多，包括5 1 4 5a m ，4 8 8 0h i l l 等，其功率可高达几瓦，并且 可以调节，因此可以根据需要进行选择。此外，常用的气体激光器还包括 氪离子和氦氖激光器等。可见激光辐照会产生很强荧光的物质，而近红外 激光的能量比较低，不易使荧光激发，从而使拉曼光谱质量得以提高。因 此可以考虑用近红外激光，如7 8 5a m 半导体激光器或者1 0 6 4a m 石榴石激 光器进行激发。如果需要进行共振拉曼激光测试，就要求使用可调谐激光 器。近年来，为了进行生物大分子等方面的研究，发展用高功率的准分子 紫外激光进行拉曼光谱测量。例如，采用准分子激光泵浦染料激光，并经 b b o 晶体与k d p 晶体倍频，可获得2 2 0 9 7 0a m 波段范围内连续可调的激 发光源【5 1 。在激光照射光学系统中，除激光器外，还有透镜、反射镜等，提 高照到样品上的激发光的单色性和强度。一般在激光到达样品之前的光路 中，安装一块带通滤光片，它能够仅使某一波长范围的光通过，有效去除 其他杂散光，提高入射光的单色性。另外，在光路中还设计了一扩束器， 可以调节到样品上的激光光斑尺寸和功率密度。 2 3 2 样品池 样品池的式样是由实验样品的材料决定的，对于常量样品，可以放在 常规的试剂瓶、载波片中，对于微量样品，包括液体、固体、微晶等可放 4 咖啡冈表面增强拉曼光谱的研究 入毛细管中。样品池一般由玻璃或石英制成。由于激光经聚焦后功率密度 很高，在聚焦点上会产生局部样品过热现象，或者出现光照分解现象。为 此可以采用高速旋转的样品台，使激光的光束聚焦点相对于样品表面产生 高速相对运动，从而避免了损坏样品的现象。步进样品台在计算机的控制 下可以实现微米量级的移动，从而实现对样品进行全面地拉曼检测。 2 3 3 散射光的收集与分光系统 一般采用9 0 0 和1 8 0 0 几何散射结构收集散射光。前者比较适合于透明 液体的测试。后者的配置方式又称为背散式配置，比较适合于固体样品， 并且散射的效率往往更高，易于跟显微光路结合。因此，这种配置方式是 多数现有的光谱仪器普遍采用的形式。 收集到的散射光中既有瑞利光又用荧光，而拉曼信号非常弱，分光系 统应该有很强的抗杂散光的能力。散射光经收集后，首先经过一种特别的 全息瑞利滤光片，这种窄带陷波滤光片的特点是，能有针对性的将以激光 波长为中心的几个纳米范围内的瑞利散射光能量滤除达5 - 6 个数量级之多， 而让该范围之外的光顺利通过。 分光系统是拉曼光谱仪的核心部分，其主要装置为光栅单色仪。对单 色仪的要求是光谱纯度高，即单色仪所调到的窄带区光，同其他频率光的 区分能力。单色仪本身的分辨率、色散和狭缝宽度决定单色仪分辨不同光 谱的能力。单色仪还能够抑制杂散光。为了得到更高的分辨率，可以将两 个单色仪组成双联单色仪，甚至组成三联单色仪。由于拉曼信号非常微弱， 通常只有入射光的l o 一1 0 击，因而拉曼光谱的分光装置应该具有很高的抗杂 散光的能力。 咖啡因表面增强拉曼光谱的研究 时光电倍增管的选择要符合单光子计数的要求。另外，计算机控制技术使 得拉曼信号的采集、处理与定标等集于一身。 2 2 表面增强拉曼光谱 2 2 1 概述 表面增强拉曼光谱( s u r f a c e e n h a n c e dr a m a ns p e c t r o s c o p y ，s e r s ) 是 1 9 7 4 年英国的f l e i s c h m a n n n 等人 1 5 首次在电化学池中观测到的，当时 他们用电化学氧化还原循环粗糙银电极后发现了嘧啶分子的拉曼光谱异常 增强，但是他们认为这一奇特的光学增强现象是由于电极经过粗糙处理以 后表面大幅度增加因而使可以检测到的分子数目增多，并没有意识到这是 一种新的物理现象。到了1 9 7 7 年，d u y n e 和c r e i g h t o n 等人 1 6 意识到将 近六个数量级的增强作用不能简单地归结为表面积的增加。他们分别独立 进行了详细的实验和计算，发现即使将银电极表面进去轻微的粗糙化处理， 嘧啶分子拉曼信号增强的倍数与电极表面积增加的倍数相比仍有五个数量 级的增加，他们认为这种粗糙化的电极表面一定存在某种特殊的物理效应， 这种效应被称为表面增强拉曼散射( s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns c a t t i n g ， s e r s ) ，所得光谱称为表面增强拉曼光谱( s u r f a c e e n h a n c e dr a m a n s p e c t r o s c o p ys e r s ) 。在随后的几年里，对于吸附在不同金属基底上的各 种分子也观察到了这中增强效应。这一发现引起了化学和物理学家的极大 兴趣，使其实验和理论研究的开展的非常活跃， 表面增强拉曼散射效应，指的是当一些分子吸附到经过特殊处理或制 备的粗糙金属或胶体( a u 、a g 、c u 等) 表面时，它们的拉曼光谱强度会增 加1 0 4 - 1 0 7 倍的现象。 2 2 2s e r s 增强机理的量子描述 s e r s 与常规拉曼的主要区别就是前者在拉曼散射过程中受到了基底的 调制，即入射光子不是像常规拉曼那样直接与分子相互作用，而是先在金 6 咖啡因表面增强拉曼光谱的研究 属中激发准粒子( 如表面等离子体和电子空穴对) ，s e r s 的量子理论也 正是基于此点。因此，入射光电场与分子态的藕合就被入射光在金属中产 生的准粒子的场与分子能级或分子吸附态的藕合所取代( 1 ) 按照上面的假 设，s e r s 过程可以分成以下几步：( 1 ) 激发基底表面，产生准粒子：( 2 ) 准粒 子被吸附分子非弹性散射：( 3 ) 准粒子湮灭，同时辐射出光子。整个过程可 以用下面的图像来表示： h r o f + o ；o o ) 专1 1 ；0 0 ) 一l o ；l 七) 一i t ；9 t j ) 一l o ；o ) + 办缈贸公式( 2 1 ) 式中金属的电子基态为0 ，初始激发态为l ，激发后经能量损失后为t ， 分号后的0 和1 分别表示的是分子的电子基态和激发态，而最后一列的0 、 k 和j 表示的是分子的振动基态、初始激发态和末态，体系的跃迁几率为： ( 豢) 淌= 砌， 纠日c r h ) ( h y l h e r i g ) ( g i h 订 i t ) q l h c r i f ) ( 一缈鼯一互1y 蛔) ( 国盯一国，一互1 厂盯) ( 缈蛔一q j 1y ) 公式( 2 2 ) 是对所有电子激发态u ，即f 、h 、y 、g 、v 、l 的求和，h e d 为电偶 极相互作用的能量哈密顿算符，在自由电子一空穴对引起的表面增强中， 它为光子和电子一空穴对的激发态和分子的态之间的能量转移相互作用的 哈密顿算符，而i 、i 、g 、h 、f 和l 、y 分别为金属及吸附物的初态、 中间态及末态。 上面的量子力学描述，虽然从原理上将s e r s 增强的各种因素都表述在 一个公式中，但是各个能量符、分子及金属体系的相关电子态几乎都不可 能给出精确值，因此目前还无法用该理论进行相关的定量计算。 1 7 表面增强拉曼效应从发现到现在已经有几十年，但是关于这个奇特的 光学现象的机理解释，至今人们仍然争论不休，因为没有一个理论模型能 圆满地解释所有的s e r s 现象。目前人们普遍接收的有两种理论：物理增强 和化学增强。下面对这两种理论及其相关模型进行介绍。 7 咖啡冈表面增强拉曼光谱的研究 2 2 3 物理增强效应 电磁场增强机理是一种物理模型，来自电磁场的增强因子约为1 0 5 数量 级。而大部分的物理类模型认为s e r s 起源于金属表面局域电场的增强，它 们之间的不同在于所提出的局域电场增强模型不同。具有一定表面粗糙度 的类自由电子金属基底的存在，使得入射激光在表面产生的电磁场较大地 增强，由于拉曼散射强度与分子所处光电场强度的平方成正比，因而极大 地增加了吸附在表面的分子产生拉曼散射的几率，从而提高了所检测的表 面增强拉曼峰的强度。下面将详细介绍一下几种物理增强模型。 ( 一) 表面镜像场模型：人们比较早提出其中的一个物理类模型就是表面镜像 场模型 1 9 1 。该模型认为s e r s 基体是一种很容易极化的自由电子气金属， 吸附在金属基体表面的分子如同一个点偶极子，它在吸附分子的中心位置。 在吸附分子点偶极子的作用下，金属中感应出镜像偶极子。金属中的像偶 极子反过来加强了分子偶极子的偶极距，这一对偶极子相互激励，使作用 于吸附分子上电场大大增强。增强因子： g = g 1 一y a o 4 r 2 r 公式( 2 3 ) 其中y = ( 8m 6a ) ( g m + g a ) ，m 是金属介电常数，是吸附分子 的介电常数，a 0 分子正常r a m a n 散射的极化率，r 是分子到金属