（分析化学专业论文）维生素和漆黄素的ft—raman及sers研究.pdf

摘要 维生素和漆黄素的f t - r a m a n 及s e r s 研究 分析化学专业硕士研究生刘兰 指导教师周光明教授 摘要 拉曼散射是一种非弹性散射，相对于入射光而言，散射光不仅改变运动方向，而且能量 发生改变，即频率发生了改变。拉曼光谱可以得到分子结构的相关信息，从而可以利用这种 技术进行药物检测、痕量分析以及表面振动谱的探测研究等。当样品分子吸附于银溶胶，电 极等粗糙表面时，其拉曼散射强度大大的增强，这种现象叫表面增强拉曼散射，在此基础上 建立的分析方法叫做表面增强拉曼光谱法。由s e r s 是一种表面效应，可提供吸附于或靠近于 金属表面分子的结构信息，故可用于界面与表面吸附分子的排列取向及结构研究。 本文简述了拉曼散射的基本原理、发展及其应用；表面增强拉曼散射现象的发现、特点、 作用机理及最新进展。并研究了三种维生素和漆黄素的表面增强拉曼散射光谱，得到了一些 有意义的结论，展示出拉曼光谱技术在生物体系研究中的优势和潜力。 1 主要介绍了维生素m ( v m ) 的盯拉曼光谱及其在银溶胶衬底上的表面增强拉曼光谱 ( s e r s ) 。考察了不同p h 值对v m 在银表面的吸附状态和s e r s 的影响。实验结果表明，v m 在银溶胶表面的吸附发生在c o o 基团，并且v m 分子的c 旬与银发生电荷转移后形成负离 子自由基，碳氧双键打开，同时受v m 分子吸附在银胶表面的影响，苯环结构发生了很大的 扰动。以维生素m 表面增强拉曼光谱在1 3 3 7 c m 处的峰强度对浓度进行线性回归，求得线性 回归方程y = 5 1 4 2 e 2 + 3 3 0 x ，在1 o 1 0 一1 0 1 0 4m o l l o 范围呈良好的线性关系，最小检测 限为5 0 1 0 6m 0 1 l 1 。 2 介绍了维生素h ( v h ) 的f t - 拉曼光谱及其在银溶胶衬底上的表面增强拉曼光谱( s e r s ) 。 通过对的固态n r s 、饱和溶液n r s 及s e r s 谱的拉曼谱峰的归属指认，分析了其不同拉曼位 移的差异及其相关的拉曼振动模式。我们得出如下结论：分子中的- n h 、c o o 与银溶胶 表面发生了强的相互作用，从而使拉曼散射强度获得了很大的增强，并且环( i ) 的“环呼吸”和与 环( i i ) 的“环呼吸”振动峰在s e r s 谱中比较强，说明噻吩环( i ) 和一个乙撑脲( 2 一咪唑啉酮) 基环 ( i i ) 距离银表面很近，v h 分子是平躺在银表面上的。 3 研究了维生素b 5 b 5 ) 的n 拉曼光谱及其在银溶胶衬底上的表面增强拉曼光谱 ( s e r s ) 。归属了各拉曼特征谱带；探讨了v b ，在银溶胶表面的吸附状态和表面增强机制。实 两南大学硕十学佗论文 验结果表明，5 是通过o h 、- n h c o 、c o o 与银溶胶相互作用的且其振动模是垂直于s e r s 衬底表面的，同时泛酸钙分子中带有负电荷的羧基和氨基中带有孤对电子的氮原子都能与银 原子配位，其中羧基在银表面的增强为电荷转移机制增强，具有化学吸附的特征；氨基在银 表面的增强为电磁场增强机制，为物理吸附。 4 漆黄素的表面增强拉曼光谱研究。研究了漆黄素( f i s ) 的f r - 拉曼光谱及其在银溶胶衬底 上的表面增强拉曼光谱( s e r s ) 。归属了各拉曼特征谱带；考察了f i s 在银表面的吸附原理和 s e r s 的增强机制。通过对f i s 的固态n r s 、饱和溶液n r s 及s e r s 谱的拉曼谱峰的归属指认， 分析了其不同拉曼位移的差异及其相关的拉曼振动模式，我们可以得出如下结论：f i s 分子中 的o h 、苯环( i ) 、三碳环( i i ) 及其上的c = o 与银表面发生了的相互作用，从而使拉曼散射强度 获得了很大的增强，说明f i s 分子是平躺在银表面上的且是通过o h 、苯环( i ) 、三碳环( i i ) 及 其上的c = o 与银溶胶相互作用的，同时f i s 分子和金属表面的吸附属于物理吸附。 关键词：维生素漆黄素拉曼光谱表面增强拉曼光谱 a b s t r a c t n - r a m a n a n d s e r s 咖d y o fv i t a 曲a n df i s e 铀 a b s t r a c t a n a l y t i c a lc h e m i s t 巧p o s t g r a d u a t e ：l i ul a n t u t o r ：p r o f z h o ug u a n g m i n g a sa i li n e l a l s t i cs c a n e 血g ，t l l es c a t t e r i n gw a v e l e n g t ha n dt l l ed i r e c t i o no fm ep h o t o n so fr a m 锄 s c a t c e r i n gc h a n g e dw i t hr e g a r dt 0t h o s eo fi i l c i d e n tl i g h t w ec o u l dd 0r e s e a r c hi 1 1d m g g e r yd e t e c t i o n ， 仃_ a c ea n a l y s i sa n d 讥b r a t i o n a ls p e c 仇l mi n v e s t i g a t i o no fm o l e c u l e sn l r o u g ht i l es t u d yo fr a m 加 s p e c t m m a si ti sk n o w n ，m ep h e i l 0 i t l e n o nm a tt l l er 孤i 姗v i b r a t i o no fs a m p l em o l e c u l e sa ：b s o f b e d 0 nn l er o u 曲s u r f a c eo fs i l v e r s o li s o b v i o u s l ye n h a l l c e di s 衄n e d 船s u 血c ee 血龃c e dr a r r 啪 s c a t t 硎n g ( s e r s ) ，l e r e f o r e ，m e 锄a l y t i c a l m e t h o db a s e d i ts u 血c ee n h a n c e dr a r i 帅 s p e c 仃d s c o p y ( s e r s ) n o ws e r si sw i d e l yu s e d 硒ah i 曲l yp o w e m la m l ) ，t i c a lt 0 0 l t oi 1 1 v e s t i g a t e m o l e c u l a rs t m c t u r ea n di n t e r a c t i o nb e t w e e nm o l e c u l e s 肌dm e t a ls u r f a c e sr e s u l t i n gi i ls t r o n g l y i n c r e a s e dr a m a ns i g n a l s 丘。o mm o l e c u l e sw h i c hh a v eb e e na t t a c h e dt on a n 伽t 盯s i z e dm e t a l l i c s 帆c n l r e s h lt l l i s s t u d y f i r s t l y w eg a v ea ni n 臼o d u c t i o no fn l ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fr a m m s p e c 仃u m ，砌dm es t a t i l so fs e r sr e s e a r c hw e r ed i s c u s s e d w es u i i l i i = l a r i z e dt 1 1 ec h m c t e r i s t i c so f s e r se 艉c ti i l l ee x p e m l e 鹏，d e s c 曲e dt i l e 腓c l 姗i s 傩o fs e r s t h e n ，m ef o l l o w i n g 衄e e v i t a m i 邶柏df i s e t i n l a t e dc o l l o i d a ls i l v e rn a l l o p a n i c l e s 锄dt h e i rs p e c 仃o s c o p i e s 埘ub ed i s c u s s e d ， s o m ei n t e r e s t i n gr e s u l t sw e 他o b t a i n e d ，w h i c hd i s p l a y e d 吐圮a d v a n t a g ea i l dp o t e n t i a lo ft h i st e c l l i l i q u e f o rm er e s e a r c hi nb i o l o 舀c a ls y s t e i n s 1 n l ef 1 1 ra m a ns p e c 帆o fv 妇i t l i nmi n o l e c u l e si i ls o l i d ，s e r so f l er n o l e c u l ea d s o r b e do n a c t i v es i l v e rs o ls u b s 仃a t ew e r er e p o r t e d 1 1 1 ec o n t e n t 锄dp hi n n u e i l c e so nt h es e r ss p e c 缸o f v i t a m i nmi ns i l v e r s o lw e 陀a l s os t u d i e di n t h i sp a p e r t h ei n e c h a n i s m 卸do r i e n t a t i o no fv m a d s o 印t i o no ns i l v e rs o lw e 他a l s od i s c u s s e da c c o r d i n gt 0t i l ep e a kw 恤c hw e i l l l a i l c e di ns e r s s p e c t n l m t i l er e s u l t ss h o w 岫v 胁血ma d s o 舭d0 n s u 血c eo fs i l v e rt h r o u g hc 0 0 。h i a d d i t i o n ，m e 丘e eg r o u po fn e g a t i v ei o nc 锄1 ei i l t ob e i n ga sar e s u l to fc h a 唱em m s f e rb e t w e e nc = o b a j l d0 fv i t 锄i nmm o l e c u l e sa 1 1 ds i l v e rp a n i c l e s ，a n dt h ec = ob a j l dw 豁o p e n e d n l ei n t e r a c t i o n b e t w e e nv i t a r n j nmm o l e c u l e s 锄ds i l v e rs u r l a c em a d eal a 唱ed i s t u r b a n c et om es 仉l c t u r eo fr i n g ，l e d t os o m er a m a j ls h i r s 砒l dt l l ee i l l l a n c e m e n to f 曲gd e f o m ：1 a t i o n 啊b m t i o n t h ei n t e n s i t i e sm e a l s u r e d w i m 1 eb a j l da tl3 3 7c m - 1w e r ep l o t t e das a c t i o no fc o n c e n 倾t i o n i tw 豁f 0 u 1 1 d 廿1 a ta l le 腩c t i ” n i 两南大学硕十学位论文 l i m i tf o rt h cd e t e c t i o no fv mc o u l db e 嬲l ow 觞t 05 o 1 0 。6m o 也- 1 t l l ec a l i b r a t i o nc u n ，ew 弱l m a u ri i l m e 姗g ef 幻m1 o 1 0 一一1 0 1 0 4m 0 1 1 7 t h ep r o p o s e dm e t l l o dh 舔t 1 1 ep o t e n t i a lt oq 啪t i t a t i v e 弱s a y o ft h ev i 伽_ n i nm h a v i n gs e r se f r e c t s 2 n e 兀：l 己锄锄s p e c 仃ao fv i t a r n j nhm o l e c u l e sms o l i d ，s e r s0 ft h em o l e c u l ea d s o r b e d0 n a c t i v es i i v e rs o ls u b s t r a t ew e r er e p o r t e d t h em e c h a n i s ma i l do r i e n t a t i o no f a d s o 印t i o n0 ns i l v e r s o lw e r ea l s od i s c u s s e da c c o r d i n gt o l ep e a kw h i c h 、硒e 1 1 l l a l l c e di ns e r ss p e c 劬m t h er e s u l t s s h o wt h a tt 1 1 ei m e l l s i t ) ，o fr a m a ns c a t t e r i n gw a se r l h a n c e do na c c o u n to f l es 仃d n gi n t e r a c t i o n b e t 、e e n - n h 、c 0 0 一r a d i c a lo fv i t a r n i nhn l o l e c u l e s 锄ds i l v e rs o ls u b s t r a t e h 1a d d i t i o n ，t l l e 血gi s c l o s et ot h e 鲫r f a c eo ft 1 1 es i l v e r v hl i e so nt l l es u r f a c eo fs i l v e r 3 w cs t u d ym en a ns p e c t r ao fv i t a m i nb 5m o l e c u l e si i ls o l i d ，s e r so ft l l em o l e c u i e a d s o r b e do na c t i v es i l v e rs o ls u b s t r a t e t h em e c h a n i s ma i l do r i e m a t i o no fv b 5a d s o r p t i o no ns i l v e r s o lw e r ea l s od i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ep e a l 【w ，h i c hw 弱e n h a n c e di ns e r ss p e c t m m t h er e s u l t s s h o wt 1 1 a tv i t 锄i nb 5a d s o r b e do nt h es u 血c eo fs i l v e rt l l r o u g h o h 、n h c o - 、c 0 0 ，b u tt h ea 1 1 9 l e b e t w e e no j n ca l l d 廿1 es u r f a c eo fs i l v e ri sc l o s et 09 0 0 h la d d i t i o n ，t l l ea d s o 印t i o no fc a r b o x y lo n t h es i l v e rs u r f a c e si sc h e r n j c a la d s o 印t i o n ，w h i c hi sb 雒e do nt l l em e c h 觚i s mo fc h a r g e t r a n s f c r w m l e t h ea d s o 印t i o no fh y d r o x y la n da c y lo nt 1 1 es i l v e rs u r f a c e si sp h y s i c a lt y p 岛w h j c hi sd u et 0m e e l e c t m m a g n e t i cm e c h a n i s m 4 t 1 1 en r 锄锄s p e c 吼o ff i s e t i nm o l e c u l e si 1 1s o l i d ，s e s rs p e c 们i mo fm em o l e c u l e a d s o r b e d 伽a c t i v es i l v e r s o ls l i b s t m t e 铀es t u d i e d t h e 圮c h a n i s m 孤do 打e n t a t i o no ff i s e t i n a d s o 巾t i o n0 ns i l v e rs o lw e r ea l s od i s c u s s e da c c o r d i n gt 0m ep e a l ( w h i c hw 2 l se n h a l l c e di ns e r s s p e c t m m n l er e s u l t ss h o wt h a tf i s e t i na d s o r b e do nt 1 1 es u 面l c eo fs i l v e rt h r o u g h - o h 、p h e n y la n d c = o i i la d d i t i o n ，m ea d s o 叩t i o no ff i s e t i nm o l e c u l e s0 nt h es i l v e r 叭r f a c e si sp h y s i c a la d s o 叩t i o i l w h i c hi sd u et ot 1 1 ee l e c t r o m a g n e t i cm e c h a i l i s m k e y w o r d ：v i t a m i n f i s e t i nr a m a ns c a t t e r i n gs e r s i v 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：工，兰 签字日期： dg 年多月 气日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：去7 l 兰 导师签名 签字日期：。p g 年 月1 日 签字日期 两南大学硕十学何论文 碰撞。在弹性碰撞过程中，没有能量交换，光子仅改变运动方向，这就是瑞利散 射。而非弹性碰撞，光子与分子有能量交换，从而使入射光子不仅改变运动方向， 而且能量发生改变，即频率发生了改变，这就是拉曼散射。散射光子中携带有散 射物质分子结构的信息，主要是分子振动和转动的信息，因此拉曼光谱在物质分 子结构的表征中可以发挥很大作用。 下图是瑞利散射和拉曼散射的能级示意图。 h 受激_ 日l ! 态 l 受激虚杰 - _ 旧j【 h v o 宝 h 、一0 h v o j h v - b 0 ) 盘 h v o 1 1，l i i v i v o vi v o 斯托克斯鲢瑙利线 iv 一 反斯托克斯线 振动激发态e n 基卷eo 图1 1 2 分子的散射能级图 分子的散射能级图( 见图1 1 2 ) 可进一步说明：处于基态e o 的分子受入射光 子h v o 激发而跃迁到受激虚态，然后很快的回到基态，能量又以光子( 频率为v o ) 的形式释放出来，这就是弹性碰撞，即为瑞利散射。跃迁到受激虚态的分子还可 以回落到振动激发态e n 上，这时分子吸收了部分能量h v ，并释放出能量为h ( v o v ) 的光子，这就是非弹性碰撞，所产生的散射光为斯托克斯线。若分子处于激发态 e n 上，受能量为h v o 的入射光子激发跃迁至受激虚态，然后很快地又回到原来的激 发态e n 上( 弹性碰撞) ，放出瑞利散射光。处于受激虚态的分子若是跃迁回到基 态( 非弹性碰撞) ，放出能量为h ( v o + v ) 的光子，即为反斯托克斯线。这时分子失 掉了h v 的能量。由于在常温下，处于基态的分子数占绝大多数，所以通常斯托克 斯线比反斯托克斯线强得多。根据以上的说明，拉曼散射和瑞利散射光的频率之 差拉曼位移与物质分子的振动和转动能级有关。不同的物质有不同的振动和 转动能级，因而有不同的拉曼位移。对于同一物质，若用不同的频率的入射光照 射，所产生的拉曼散射光频率也不相同，但其拉曼位移却是一个确定的值。因此， 拉曼位移是表征物质分子振动、转动能级特性的一个物理量。它就是利用拉曼散 射进行物质分子结构分析和定性检定的依据。 拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓度成正比： 2 第一章拉曼散射概论 圣l f 垂o sk 烈h l 4 孔s t n 。讲2 p 引 式中q k 为在垂直入射光束方向上通过聚焦透镜所收集的拉曼散射光的通量( 瓦) ； 母o 为入射光束照射到样品上的光通量( 瓦) ； s k 为拉曼散射系数，约等于1 0 。2 8 1 0 2 9 m 0 1 l 1 s r n 为单位体积内的分子数； h 为样品的有效长度； l 考虑到折射率和样品内场效应等因素影响的系数； 0 l 为拉曼光束在聚焦透镜方向上的半角度。 利用拉曼效应及其拉曼散射光与样品分子的上述关系，可以研究分析物质分 子的结构和浓度，从而建立了拉曼光谱法。 2 拉曼光谱的发展 自拉曼效应在1 9 2 8 年被发现以后，3 0 年代拉曼光谱曾是研究分子结构的主要 手段，此时的拉曼光谱仪是以汞弧灯为光源，物质产生的拉曼散射谱线极其微弱， 因此应用受到限制。 直至6 0 年代激光光源技术的问世，以及光电讯号转换器件的发展才给拉曼光 谱带来新的生机并很快导致了拉曼光谱技术的复苏。进入7 0 年代，激光技术的新 进展进一步促进拉曼光谱技术的发展和应用。激光器的多谱线输出和可调谐激光 器的连续谱线输出，对在很大光谱范围有吸收的样品，可以很方便地选得合适的 激发线进行共振拉曼光谱测量【4 】。 1 9 7 4 年，弗来希曼( f 1 e i s c l 蚰a n n ) 5 】发现，当吡啶吸附在银电报上时，其拉曼散 射强度有异常的增强，增强倍数达1 0 4 1 0 5 。这种现象称为表面增强拉曼散射( s e r s ) 效应。近年来s e r s 效应的理论研究和应用都有很大进展，是拉曼光谱研究中十分 活跃的一个分支。拉曼微探针技术【6 】的出现，可用于矿石及其他样品的微区分析， 不均匀表面检测等，其实际上是一种空间分辨拉曼光谱技术。 8 0 年代以来，美国s p e x 公司和英国i n s h o w 公司相继推出了拉曼探针共焦 激光拉曼光谱仪，由于采用了凹陷滤波器( n o t c hf i l t e r ) 来过滤掉激发光，使杂散光 得到抑制，因而不在需要采用双联单色器甚至三联单色器，而只需要采用单单色 器，使光源的效率大大提高，这样入射光的功率可以很低，灵敏度得到很大的提 高。d i l o r 公司推出了多测点在线工业用拉曼系统，采用的光纤可达2 0 0 m ，从而使 拉曼光谱的应用范围更加广阔。 尽管激光技术和其他技术的发展给拉曼光谱带来复苏，并在过去的3 0 年间有 很大的发展，但常规的拉曼技术仍然存在很多难以克服的缺点，限制了它的应用 和发展。直到近几年，用近红外激光( 1 0 6 岬) 为光源和能够有效地滤掉瑞利线的滤 两南大学硕十学何论文 光片，制造出了f t - 拉曼光谱仪器【7 母】。由于f t - 拉曼光谱仪器使用近红外激光激发 祥品，从而彻底解除了荧光对拉曼光谱的干扰。因此，使绝大多数有机化合物和 生物样品可叫很方便地得到满意的拉曼光谱图。同时还因为近红外激发光的波长 远离样品的吸收带，因而避免了受激光照射样品产生的热分解作用。f t 拉曼仪器 的分辨率和波效精度大为提高，这是常规拉曼光谱仪器无法比拟的。f t - 拉曼光谱 已经显示出其广泛的应闻前景【1 0 】。 2 1 傅立叶变换拉曼光谱 傅立叶变换拉曼光谱技术是上世纪9 0 年代发展起来的新技术。采用傅立叶变 换技术对信号进行收集，多次累加来提高信噪比，并用1 0 6 4 n m 的近红外激光照射 样品，大大减弱了荧光背景。从此，f t r 锄a n 在化学、生物化学和生物医学样品 的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力。王斌等【1 1 】采用f t r 锄a 1 1 光谱仪 对蛋白质样品进行多次扫描，以子峰面积表征对应二级结构含量，从而对蛋白质 二级结构进行定量分析。可以根据人体正常组织和病变组织的f t r 锄a i l 光谱差异 从分子水平鉴别和研究病变的起因【1 2 ，1 3 1 。采用近红外傅立叶变换拉曼光谱技术直 接、准确、快速、无损对2 7 种染色纤维样品进行了检验，同时得到了它们的本底 纤维和染料的拉曼谱图【1 4 1 。f t r 锄a 1 1 光谱技术还应用在测定家兔体液中的葡萄糖 含量f 15 1 、亚麻油的组分【1 6 】、碳酸钙的固相分析【1 7 1 以及共聚物【1 8 】的结构研究等。 2 2 表面增强拉曼光谱 表面增强拉曼散射( s e r s ) 效应是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶 中，吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射呷己s ) 信号大大增强的现象。表面增 强拉曼克服了拉曼光谱灵敏度低的缺点，可以获得常规拉曼光谱所不易得到的结 构信息，被广泛用于表面研究、吸附界面表面状态研究、生物大小分子的界面取 向及构型、构象研究、结构分析等，可以有效分析化合物在界面的吸附取向、吸 附态的变化、界面信息等。 有人利用表面增强拉曼光谱( s e r s ) 研究了l - 天冬氨酸在银溶胶体中的吸附状 态及其浓度变化对表面增强拉曼散射效应的影响，并探讨了l 天冬氨酸在银溶胶 表面的吸附作用的特点和规律【19 1 。仇立群【2 0 1 等人采用高灵敏度的表面增强拉曼光 谱( s e r s ) 技术，研究免疫球蛋白羊抗小鼠i g g 分子与银基底的相互作用。 2 3 激光共振拉曼光谱 激光共振拉曼光谱( i 汛s ) 产生激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1 0 4 1 0 6 倍，并观察到正常拉曼效应中难以出现的、其强度可与基频相比拟的泛音及组合 4 第一霹拉曼敷射概论 振动光谱。与正常拽曼光谱相比，麸振拉曼光谱灵敏度高，可用于低浓度和微量 样品检测，特另0 适用于生物大分子样品检测，可不加处理得到人体伴液的拉曼谱 图。共振拉曼光谱在生物化学、无机络合物，特别是过渡金属络合物的研究中起 着重要的作用。当用大功率激光器的强激光束照射样品时，感生偶极距不仅与入 射光的电场强度一次方项有关，而且还与电场强度的高次方项有关。与次方项 有关的效应对应于正常拉曼效应，而与高次方项有关的效应对应子非线性拉曼效 应。非线性拉曼效应主要有楣干反斯克斯拉曼散射 c a r s ) 效应，受激拉曼散射效 应，超拉曼散射效应，逆拉曼散射效应等。这些非线性拉曼效应在各个领域中有 不同的应用c 2 2 2 1 。 用共振拉曼偏振溺量技术，还可得到有关分子对称性的信息。r r s 在低浓度 样品的检测和络合物结构表征中，发挥着重要 乍用。结合表面增强技术，灵敏度 已达到单分子检测【2 3 1 。近年来，人们发现许多生物分子的电子吸收位于紫外区， 加强了对生物样品的紫外共振拉曼研究，利用紫外共振拉曼技术先后研究了核酸 幽、p n a 闼、丝状病毒粒子等。 2 。4 共焦显徽控曼光谱 共焦显微拉曼仪与普通的激光拉曼仪的区别是在光路中加入了共焦曼微镜， 以此消除来自样品的离焦区域的杂散光，形成空间滤波，确保到达探测器的散光 是激光采样焦点薄层微区的信号，在电化学体系的电极表面行为和电极溶液截面 等方面研究中，可获得真实的分子水平的信息。 显微共焦拉曼光谱仪测量样品可以小到煅的量级，尤其适用于宝石中细小包 裹体的测量，使得可以准确了解包裹体的成分、结构、对称性等。利用共焦显微 拉曼鉴定盆石【2 髓，与传统的宝石鉴定法相比，拉曼光谱给出的信息属于物质深层 次信息，是物质成分、结构的综合信息，更具可靠性、准确性。乔俊莲等入网利 用显微拉曼光谱仪获得了酸性红和酸性黑染料在银溶胶上的表面增强拉曼光谱。 2 5 拉曼光谱与其它技术的联用 拉曼光谱作为一种提供分子结构信息的分析方法，应用前景非常广阔，但对 于结构极其相似的分子直接进行分析不易做出准确的判断。早在8 0 年代末9 0 年代 初，基有袋a m 蹴液相色谱联用的报道。目前此方面的研究仍不断深入，进一步 拓宽了拉曼光谱分析的应用范围。 气相色谱( g c ) 作为一种有效的分离手段应用面极广，将表飚增强拉曼技术 乍 为g c 的一种检测器已有应用【3 0 1 ，并分析了吡啶类化合物，得到不错的结果。 表面增强披曼光谱是获得稀溶液拉曼光谱信息强有力的手段，许多学者在此 第一辛拉曼散射概论 究和解决有机化学问题。关于拉曼光谱在有机化学中的某些应用的概述已有专门 而系统的介绍【4 1 1 。在有机化学( 其中主要涉及较大的分子) 中，拉曼光谱主要用 来研究分子中特殊的结构或特征基因。对于有机化学，用红外光谱的目的也是如 此，但是因为在红外光谱和拉曼光谱中，起作用的是不同的选择定则，所以利用 两者附加的和互补的信息，常常能够解决红外光谱不能单独完成的任务，避免单 单基于红外光谱做出推断所造成的错误。在此仅以2 乙酰氧基丙腈( 图1 1 3 ) 的 红外谱和拉曼谱就曾在历史上起过一定作用的典型工作做简单的介绍【4 2 1 。 该谱可分为以下几个区域：约2 9 5 0 c m _ 呈现了c h 伸缩振动拉曼峰及红外峰； 约2 2 5 0 c m 一强拉曼峰是c - n 伸缩振动形成的和不明显的红外吸收谱带：约 1 7 5 0 c m 以是c = o 基团的强对称伸缩振动拉曼峰及强红外吸收峰；约1 0 8 0 c m 。1 是 c o c 的弱的反对称伸缩振动拉曼蜂和强红外吸收峰；约8 5 0c m 。是c o c 的强 的对称伸缩振动拉曼蜂。 岳；叭 父 l 州心饥； o 螫 哥 氐 蜢 l 图1 1 32 一乙酰氧基丙腈的红外谱和拉曼谱 2 乙酰氧基丙腈的红外谱和拉曼谱很清楚地说明了仅仅依赖红外光谱证据的 危险性【7 1 。通常极性c 兰n 基团在红外的2 1 0 0 2 3 0 0c m 以区域有强调特征吸收，但 在2 乙酰氧基丙腈的红外谱中没有出现，而在其拉曼谱的约2 2 5 0c m 以处有一个强 的c - n 带。这是因为2 乙酰氧基丙腈分子中，邻近c 三n 基团的碳原子上的o c o 基团的电负性消弱了c 兰n 振动中偶极距的变化，从而使红外吸收减弱得观察不 到【4 2 1 。 对于c 三c 一；- c = c 一；n = n - 一这类拉曼谱特别丰富的基团，若在某个 分子中这些基团的环境具有对称性，则其振动仅仅是拉曼激活，在许多没有对称 的分子中，其基团环境接近于对称，则其红外吸收将很微弱，甚至谱中难以显现。 由于这些基团的振动波数要受到伸缩模及与伸缩模波数相近的其它模之间耦合的 影响，因此观测到的波数不仅能判断是否存在某些特殊的基团，还可提供与基团 o 占孵警 ol o 第一犟拉曼散射概论 激发态无关的其他部分的拉曼光谱将不产生共振增强效应。共振拉曼光谱还可研 究分子的生色基团和活性基团的特性。 近年来，逐渐用激光拉曼光谱研究各种生物高分子的结构及它们在水溶液中 的构型随p h 、离子强度、极化温度的变化情况等。在生物体系研究方面，表面增 强拉曼散射可直接分析水相生物分子的结构状态，且样品用量少，与其他方法相 比有着明显的优势。科研人员利用表面增强拉曼技术解决了生物化学、生物物理 和分子生物学中的许多难题，包括分子的特殊基园( 如氨基酸中的氨基、羧基、芳 环等) 与界面的相互作用、生物分子与金属表面的键合方式、d n a 、r n a 、卧啉在 银溶胶上的吸附状态等研究【5 8 1 。 振动光谱可以提供有关生物高分子材料的化学组成以及二次和三次结构方面 的信息，如可以从蛋白质的红外和拉曼光谱中获得关于氨基酸序列及其三维结构 方面的证据。实验表明，构成生命的许多基本要素蛋白质，多肽，核酸和糖 类能被分离并用传统的拉曼光谱和共振拉曼谱对它们的结构进行探究。不过，存 在于生物材料样品中的杂质和发色团往往会产生荧光背景，有些样品在经受可见 光辐射后会发生破坏或变质，从两阻碍了有效数据的获取。而f r 撇a n 光谱可克 服上述的困难对易发生激光诱导分解和荧光背景的体系进行研究。 蛋白质的a 螺旋和p 平面折迭结构对纤维状和球状蛋白质的功能具有重要的意 义，但人们对一次和二次结构之间的相互关系以及这些相互关系对于与蛋自质功 能有关的三次结构的影响了解甚少。用常规的方法难于检测多肽及蛋白质的结构， 或者是方法过于复杂，不易操作。因此人们用拉曼光谱对系列不同肽单元( 1 0 ， 4 0 和3 3 0 ) 的聚( l 丙氨酸) 齐聚物进行了研究【5 9 】。用酰胺i ( c = o 伸缩振动) 峰估 算出晶体和溶液中蛋自质和多肽的二次结构含量，而且对微小的结构变化都有准 确的结果】。此外，f t - r 撇a n 光谱还可以作为一种非破坏性工具用于研究光合成 蛋白质并获得生理温度下的丰富的振动光谱数据。由于在1 0 6 4m 波长下激发的能 态通常低于大多数分子的激发态，因而可以避免荧光的产生；对大多数生物体系， 1 0 6 4 姗波长的激发不会诱发光化学反应。但是，如果激光功率过高，水溶液样品 可能会产生发热降解作用出现可观的吸收【6 1 】。余多慰等【6 2 】利用拉曼光谱分析，酸 是否能导致d n a 中部分嘌呤、嘧啶的脱落，并分析其原因是否与嘧啶的质子化可 能强于嘌呤有关。 利用在线拉曼光谱的方法【6 3 1 ，跟踪阿司匹林合成反应过程的实验，直接观测 到反应过程中体系的拉曼光谱随时问的变化。郝雅琼晔1 利用表面增强拉曼散射光 谱对半胱氨酸小分子在银基底表面的吸附方式、作用机理进行了详细的探讨和研 究，为利用分子光谱探索含硒酶活性机理和进一步提高酶活性奠定基础。拳j 用 f t - r a m a n ( 和光纤探针连用) 探测药物的合成过程，试验结果证明f t 。r - 锄a l l 光谱仪 9 两南大学硕十学位论文 是一种成功的检测手段【6 引。 3 4 在物理学中的研究 从发现后，8 0 年代以前的拉曼散射多用于测定中等麓区的振动光谱，研究的 对象大多是具有对称性的晶态材料。然丽，随着各种新材料的出现，结构上的变 化使原有的散射禁戒条件发生了部分改变，许多原本不是拉曼激活的模式变成了 激活模式。研究工作由中等能区逐渐向低能区( 各种外振动，某些元激发，颗粒球 体旋，扭转等多种模式) 和高麓区p l 谱) 延伸，默两大大地丰富了光谱学的内容， 拉曼( 光) 散射也成为研究物质结构的有力工具。同时，人们也观测了很多新的物理 现象，解决了一些物理问题。 固体的拉曼光谱比气、液态谱线更加尖锐、清晰，它有以下的特征：有很多 壶外振动引起的较低波数的谱线；有不少由内振动写l 起的较高波数的谱线；不透 明材料中，无论是谱形，峰位都有较大的变动；谱线分布于整个频率范圈。 现在，人们可以方便地用拉曼谱鉴别不同结构的材料。e f i i l l ( m a n 等人【删利 用拉曼光谱研究了a s 2 s e 3 由非晶态变成晶态的晶化过程，因而推论出晶态a s 2 s e 3 声予色散曲线在布曼渊区的特点。两年后，有入首次观测到【配】用离子轰击过的菲 晶硅拉曼谱的类光学模峰在展宽的同时总是向低波数移动几个波数。但是， r t s u 【6 8 】等人报道了用辉光放电法制备的0 【s i ：h ：f 非晶硅拉曼谱中类光学模峰宽 及峰位的移动均可达到数十个波数。在多层调制结构和超品格材料出现后，拉曼 研究的范围和深度又进入了一个新的阶段。人们已从拉曼谱中类约模峰获得了一 些微结构参量与制备条件的关系，为改进这些材料的结构提供了相应的信息和依 据。 3 5 拉曼光谱在其他方面的应用 3 5 1 医学眼球晶状体中蛋白质含量较身体其它器官都高，约占总体的3 3 ，如此高的蛋自质含量对把光聚焦在视网膜上起了很大的作篇。晶状体中蛋自 质的物理化学排布对其透明性影响很大。作为一种非破坯性技术的拉曼谱己被广 泛的用于在分子水平上研究晶状体病变结构变化，但是对于色散型拉曼谱仪，眼 睛中色素沉积晶状体的荧光背景对用谱线诊断病情是严重的干扰，用f t r a m a n 光 谱可免除背景干扰。比较一位8 2 岁老人的晶状体及冻干的晶状体的f 孓r 搬弧光 谱图，谱图的差异是由新鲜完好的晶状体与冻干状态下的晶体体蛋白质的微环境 及结构不同而引起【6 9 】。通过比较正常人与病人主动脉部位的f t _ r 锄a n 光谱在1 4 5 2 c m - 处的差别可研究生物体表面下凡百微米处的病变，通过解析骨头的f r a l n a n 光谱来了解骨头中的无机部分和有机部分并探测骨头在病变过程中的结构变化。 近红外付里叶变换拉曼光谱仪还提供了从分子水平研究各种疾病的一种新型手 l o 第一誊拉曼散射概论 段。例如可用付里叶变换拉曼光谱仪检测胸部组织是否存在肿瘤，当用付里叶变 换拉曼光谱仪分别检测胸部的正常组织，良性肿瘤及恶性肿瘤时，它们的付里叶 变换拉曼光谱圈在7 1 9 0c 靠1 处的特征拉曼峰数及其振动频率和强度都存在明 显的差异。 3 5 2 植物植物由两大类细胞组成：第一类负责新陈代谢，第二类与新陈代 谢无关，负责输送液体和起支撑作用。细胞壁的存在是植物细胞区别于动物细胞 的特征之一， 植物缨胞壁主要成分是纤维素( 多糖) 和木质素。用传统的方法研究 植物细胞壁需首先对其进行离析，这一过程常常会引起植物结构的破坏。用 f t _ r 锄a n 谱仪已测得标准纤维素和木质素化合物的拉曼光谱，这是色散型位曼仪 无法测到的。此外，f r a m a n 光谱还可进行纸上涂层的分析；对某些含复杂组分 的本材产麓，如高质量的纸张，也能雩导到其中关于填料、氧化钛、粘、糙合剂 等特征峰的信息。因此，f t r 锄a 1 1 光谱技术是一种可获丰富信息而又实施方便的 分析植物组织化学组分的有力的工具。 3 5 3 纸浆付里叶交换拉曼光谱议被用来快速检测纸浆和纸张在生产过程中 的情况。在纸浆的生产过程中，无论是用机械方法或是化学方法都不可能宪全消除 纸浆中的木质素，这些木质素的存在会极大地影响纸的物理性能( 如强度、柔软性 及化学稳定性) 。并且在光照下，由予木质素发生电亿学反应丽使纸发黄，故需迸 行漂自以除去或降解纸浆中的木质素及其衍生物。黧前，观察漂自过程中残留本 质素及其衍生物的结构变化是很困难的，这已成为发展新型漂囱工艺的一大障碍。 付里叶变换拉曼光谱仪由于用近红外激光作为光源，降低了纸浆中荧光的干扰， 使付璺叶变换拉曼光谱仪成为研究纸浆漂白情况的有力工具。目前付里叶变换拉 曼光谱仪已用来研究纸浆与一系列无氯漂白剂的反应，以发展新型无污染漂自剂。 3 5 4 粘土f r o s t 等还用付里叶变换拉曼光谱议检测了一系列高岭土组粘土， 发现虽然大多数粘土样品的拉曼散射强度很弱，使测试时间有时较长。总的来说， 付里叶变换拉曼技术十分简单并且样品准备时间短。与红外光谱相院，付里叶变 换拉曼光谱仪仅需较短的时间就能锝到其光谱。并且四种粘土的付里叶变换挝曼 光谱图易于分辨，而它们的红外光谱图则非常相似，需要进行详细的解析才能区 分它们。这对于高岭土、多水高岭土及其混合物来说十分有意义，因为它们都是 十分重要的矿物。因此一种篱单，快速区分这两种矿物及估算其混合物的相对含 量的技术在粘土工业中就显得十分有益。 3 5 5 其它借助于光导纤维付里叶变换拉曼光谱仪还被用来检测地下水的污 染情况，由于逅红外激光