（光学专业论文）氨基酸晶体的变温偏振拉曼光谱及缬氨酸分子变温sers光谱研究.pdf

硕士学位论文 摘要 生命是自然界最大的奥秘，多少世纪以来，无数科学工作者为揭开生命之谜做出了 不懈的努力。地球上的生命体蛋白质中有2 0 种氨基酸，除甘氨酸没有手性外，其他1 9 种全都是l 型；组成r n a 、d n a 中的核糖全都是d 型，这种现象叫做生命现象的手性 对称破缺。1 9 9 1 年，著名物理学家萨拉姆( a s a l a m ) 预言在某一i 临界温度下，d 氨基 酸能发生二级相变，使得2 0 种氨基酸分子的手性均一得以实现。有人通过一系列的实 验发现确实有相变发生，但部分否定了萨拉姆( a s a l a m ) 的预言d 型氨基酸二级 相变成l 型氨基酸，并通过对拉曼光谱的分析推测该相变与氨基的变化有关。 本文对丙氨酸( 最简单的手性氨基酸) 晶体的拉曼光谱进行了研究，并对d l 丙氨 酸的特征峰进行了细致分析。 同时，本文得到了l 和d 缬氨酸晶体的变温偏振拉曼光谱。经d 和l 缬氨酸晶体的 拉曼光谱对比研究，发现温度对氨基振动峰的影响很大并对氨基的三个氢键加以区分； 而且发现d 和l 缬氨酸的氨基振动峰随温度变化的趋势有所不同：在2 7 0 k 时，一个向 高频移动，一个向低频移动。 温度是影响表面增强拉曼光谱的一个重要因素，因此本文研究了温度对缬氨酸s e r s 光谱的影响。经研究发现，峰的强度和数量随温度发生了很大变化。推测原因在于温度 变化时，增强机制发生了转换。这为氨基酸晶体随温度变化的光谱特性研究提供了新的 有效信息和新的研究思路。1 关键词：手性；氨基酸晶体；氢键；变温偏振拉曼；变温s e r s 1 本文部分工作发表于光散射学报 2 0 0 8 年第三期。另，部分工作投稿s p e c t r o c h i m i c aa c t ap a r ta ，在修改。 l 硕士学位论文 a b s t r a c t l o t so fs c i e n t i s t sw o r kh a r df o rm a n yy e a r st ou n c o v e rt h es e c r e to fl i f ew h i c hi st h e m o s tc o m p l e xp h e n o m e n o ni nt h ew o r l d a m o n gt h et w e n t ya m i n oa c i d si np r o t e i no fl i f e ， e x c e p tg l y c i n e ，t h en i n e t e e na m i n oa c i d sa lelf o n n ；w h e r e a s ，r n aa n dd n a w h i c ht om a k e u pr i b o s ea r ea l ldf o r m ，w h i c hi sc a l l e dp a r i t yv i o l a t i n g i n19 91 ，a s a l a ms u g g e s t e dt h a ta p h a s et r a n s i t i o no fd t ol - a m i n oa c i db e n e a t hac e r t a i nc r i t i c a lt e m p e r a t u r et cm a yh a v e t a k e np l a c e b a s e do nt h i st h e o r y , p r o f e s s o rw a n gw e n q i n gh a sd o n eas e r i e sw o r ko fa m i n o a c i d sa n df o u n dt h a td - a m i n oa c i d sh a v eq u i t ed i f f e r e n tb e h a v i o rw h e nt h et e m p e r a t u r ew a s l o w e r e da n da l lda n dl e n a n t i o m e r sh a v eap h a s et r a n s i t i o na ta b o u t2 7 0 k ，b u tn o tf o u n dd f o r m sc h a n g e di n t olf o r m s i tw a ss u p p o s e dt h a tt h et r a n s i t i o nw a sa b o u ta m i d o i nt h i sp a p e r , t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n tr a m a n s p e c t r ao fd l a l a i n ec r y s t a l sh a v eb e e n d i s c u s s e di nd e t a i l sa n dt h ep e a k sw e r eg i v e nat e n t a t i v ea s s i g n m e n t a l s o ，ac o m p a r i s o no f r a m a ns p e c t r ab e t w e e nd - a l a i n ea n dd l a l a i n ew a sc a r r i e do u t f u r t h e r m o r e ，t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n tr a m a ns p e c t r ao fd a n dl - v a l i n ec r y s t a l sw e r e o b t a i n e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fr a m a ns p e c t r ab e t w e e nl - v a l i n ea n dd v a l i n e ，i ti s f o u n dt h a tt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nt h ec r y s t a l si sr e m a r k a b l ea n dt h et h r e eh y d r o g e n b o n d so fa m i d oa r ed i f f e r e n t ；w h i l e ，t h ev i b r a t i o no fa m i d o - c y a n o g e ni nda n dl - v a l i n e c r y s t a l sc h a n g i n gw i t ht e m p e r a t u r ea r ed i s t i n c t i v e i ti sw e l lk n o w nt h a tt e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n tf a c t o ro fs u r f a c ee n h a n c e dr a m a n s c a t t e r i n gs p e c t r u m ，s oa ni n - s i t ut e m p e r a t u r ed e p e n d e n ts e r ss p e c t r u mo fv a l i n ew h i c hc a n g a i ns t r o n gs i g n a lo fs e r so ng o l dn a n o p a r t i c l e sw a sm e a s u r e d t h es e r ss p e c t r u m c h a n g e dd i s t i n c t l yw i t ht e m p e r a t u r ew h i c hw a ss u p p o s e dt h a tt h ea d s o r b a t ee x i s t e dm a i n l yi n a p h y s i c a l s o r p t i o ns t a t ea t2 7 3 ka n dc h a n g e di n t oc h e m i c a l s o r p t i o ns t a t ea t17 3 k k e yw o r d s ：c h i r a l i t y ；a m i n oa c i d s ；h y d r o g e nb o n d s ；p o l a r i z e dt e m p e r a t u r e - d e p e n d e n tr a m a n s p e c t r a ；t e m p e r a t u r e d e p e n d e n ts e r s i i 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 学位论文作者签名： 日期：2 。8 年 月习日 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后 适用本规定。 学位论文作者签名：耳耻 日期：2 0 0 8 年 月刁日 硕士学位论文 ，b 吝 ，_ 叫_ j 、 述 部 分 硕士学位论文 第一章氨基酸的研究进展及其晶体制备 1 1 氨基酸晶体的研究进展 2 0 世纪以来，自然科学发展极为迅速，研究生命的有关学科相继进入分子水平。现 代科学证明，生命必须的物质是原生质。原生质是细胞内所含的生命物质，包括细胞核 和细胞质。在活的细胞中除去水分后，有9 0 是蛋白质、核酸、糖和脂四大类分子，其 中又以蛋白质和核酸最为重要。所以，可以说蛋白质和核酸是生命运动的主要物质基础， 这些分子物质按照一定的分子逻辑组成了各种生命活动的物质基础。 生命是一个高度组织化并高度有序的体系，为了生成这样高度有序的体系，就要求 只能有一种对映体作为形成生物分子的空间结构。一个分子如果与它的镜像不能重叠， 即称为它具有手性【l 】。以前人们一直认为，自然界在基本粒子的尺度上是手征对称的。 直到1 9 5 7 年，由杨振宁、李政道【2 1 预言并由吴健雄实验证明，弱核力【3 】宇称不守恒。放 射性衰变中产生的b 射线实际上是高能电子，具有固有的自旋，当它们沿着或者逆着自 旋轴方向移动时，会被分成左旋或者右旋。在自然界中存在着十分有趣的螺旋现象，从 微观的电子到宏观的行星，它们的运动都存在一个共同的现象螺旋运动【4 】。 广义的氨基耐5 】是指碳链上连接着氨基和羧基的有机分子，而组成蛋白质基本单元 的是具有手征性的l 广伍氨基酸。这类氨基酸的特点是在q 碳原子上的一端连接着氨基， 另_ 一端连接着羧基。r 称为侧链基团，r 基团不同代表的氨基酸就不同。作为生命体蛋 白质组分的氨基酸共有2 0 种。其中，除g l y c i n e 外，所有氨基酸都具有不对称的伍碳原 子。这意味着对于每个不对称碳原子都可能存在l 型和d 型两种结构构型。天然蛋白 质中，迄今所发现的氨基酸几乎都是l 型。d 型氨基酸仅仅存在某些低等微生物体中。 这一手性选择现象的起源正是广为研究的内容【6 。9 】。 在6 0 年代后期，有人提出了一个使弱作用力和电磁力统一起来的理论【1 0 】，并预言 原子中的电子及其原子核内的质子和中子之间存在一个新的电弱作用力。7 0 年代证实了 这个力的存在，它不保持宇称性，区分为左和右。因此，以前认为是非手征性的原子和 分子必定在某一方面是手征性的。对于像l 和d 氨基酸这样的对映体【1 1 , 1 2 】，其取决于手 征性的物理性质( 如能量) 必定是不同的。但是半个多世纪来世界上还没有人在分子水 平上测出宇称破缺能差( p v e d ) 【1 3 】。能否将宇称破缺能差的不同和生物分子手性选择联 系起来就更加需要理论和实验的证实。 2 硕士学位论文 1 9 9 1 年s a l a m 提出相变假说【1 4 - 1 6 】，将蛋白质肽键简化为一维链状结构，并推测c h 和n + h 很容易给出电子，行为类似于金属氢。并利用b c s ( 巴丁库柏施瑞弗) 超导理 论，将超导体的临界温度公式应用到氨基酸链。提出一种由z d 玻色子介导的电子与核 子、电子与电子耦合的类玻色凝聚的超流机制，并预言大约在2 5 0 k ，d 氨基酸能够发 生二级相变。为了验证s a l a m 假说，j u l i a nc h e l a - f l o r e s 1 7 , 1 8 1 建议了旋光测定【1 9 2 0 1 、比热 测定【2 l 】以及理论计算2 2 。2 5 1 等实验方法，结果部分否定了s a l a m 预言。王文清教授的工作 得到国际同行的关注，法国的r o b e r tj b 教授撰文指出王教授是目前为止第一个在分 子水平测出宇称破缺能差的结果。 生物分子是一个复杂体系或认为是生物凝聚态，无论是氨基酸溶液或氨基酸晶体都 只能够在某种程度上模拟它的部分性能和结构。而生物分子手性选择更是这一复杂问题 的客观表现，许多更进一步的理论和实验工作还有待完成。本文从实验角度验证缬氨酸 晶体相变的存在，主要利用变温偏振拉曼光谱作为探索d 和l - 缬氨酸晶体差别的的手 段，并合理的解释实验的结果。 众所周知，表面增强拉曼散射受到很多因素的影响，例如p h 、压强、温度等，本 文重点讨论了温度对缬氨酸分子的s e r s 光谱的影响。一般来说，对s e r s 体系进行温 度变化的处理以后，往往会导致s e r s 光谱的变化，这可以进一步帮助对氨基酸晶体温 度效应的研究。 1 2氨基酸晶体的结晶实验研究 人工晶体品种繁多，不同晶体根据技术要求可采用不同的方法生长，这就造成了人 工晶体生长方法的多样性及生长设备和生长技术的复杂性。 从溶液中结晶【2 7 1 ，是自然界中大量存在的一种结晶方式。现在，用人工的方法从溶 液中培养大块的优质单晶，已经成为应用最广泛、工艺最成熟的一种生长方法了。 从溶液中生长晶体是，最重要的就是溶解度，它是众多生长参数中最基本的数据。 溶解度可以用在一定的条件下饱和溶液的浓度表示。但实际上，溶液中所含的溶质量比 在同一条件下，饱和溶液中所含的溶质量要多，这样的溶液称为过饱和溶液。溶液都有 不同程度的过饱和现象。在溶液体系中，压力对溶解度的影响很小，而温度的影响却很 明显。这种温度浓度关系可用比较典型的溶解度曲线表示。 要使晶体从溶液里面析出，必须使它处于过饱和状态。一般来说，对于溶解度和溶 解度温度系数都较大的物质，采用降温法比较理想。而对于溶解度较大但溶解度温度系 数较小甚至是负数的物质，则采用恒温蒸发法较好。 1 硕士学位论文 溶液中经常用到的结晶方法有下面几种：降温法，恒温蒸发法，循环流动法，温差 水热法，凝胶法。 在这几种方法中，由于溶质是从生长溶液中析出来，因此它的生长温度远远低于该 溶质的熔点温度，内应力可以降低到最低限度，减少了由于内应力造成晶体开裂所带来 的损失。而且，得到的晶体大都有漂亮和完整的多面体外形。这是由于在生长过程中， 各个晶面所处的生长环境大体上相同，晶体结构的各向异性导致了生长速度的各向异 性。法线生长速度慢的面，其面积会越来越大；而法线生长速度快的面，其面积会越来 越小直到区域消失。所以晶体显露出来的面都是生长速度较小的面，一般都是低指数面。 本文氨基酸晶体结晶【2 8 。o 】用的是降温法，一般步骤如下： ( 1 ) 根据氨基酸的常温溶解度数据，准确称量适量的氨基酸粉末置于小烧杯中。 ( 2 ) 量取一定量的三次蒸馏水( 必须要求用三次蒸馏水，而且氨基酸结晶过程中所 碰到的玻璃仪器也必须先用蒸馏水洗后再用三次蒸馏水洗净) ，溶解氨基酸。如果采用 降温的方法制备晶体，则应控制好使用水量，应该在边加热的条件下边溶解该氨基酸， 保证其充分溶解而且又不至于加太多的水。如果是用常温自然蒸发的方法结晶，开始同 样不能加太多的水，在加热条件下使氨基酸溶解后，稍加过量的水量能够在室温形成不 饱和溶液。 ( 3 ) 为了加快氨基酸晶体的溶解速率，一般要将烧杯置于恒温定时磁力搅拌器上 边加热边搅拌，只是采用降温方法和常温方法制备氨基酸晶体的加热控制条件稍有不 同： 采用降温方法不应该将氨基酸溶液加热到太高的温度，然后乘热抽滤，将抽滤后的 滤液用移液管吸出后移入另一个已经预热过的小烧杯中，观察此时烧杯中有无晶体颗粒 析出，封上p a r a f i l m 膜，扎上几个小孔，置于有机玻璃柜中防止碰撞及震动。 ( 4 ) 在氨基酸晶体结晶过程中一定要保证周围不要有大的震动。特别是采用降温 方法时，因为结晶速度快，稍有震动就容易迅速结出小的晶体而得不到大晶体。 ( 5 ) 在晶体基本都已经结晶出来时，取用晶体之前要再进行一次抽滤，而且为保 证晶体表面无溶液残留，还要在抽滤过程中用无水乙醇洗涤晶体表面多次，尽可能将晶 体表面的溶液抽干净。 ( 6 ) 氨基酸晶体一般要置于干燥的环境中以免吸水受潮，所以我们一般用密闭的 玻璃称量瓶加垫一小片干净的定量滤纸后储存氨基酸晶体。 4 硕士学位论文 参考文献 【l 】e n g e l ，m h ；m a c k o ，s a i s o t o p i ce v i d e n c ef o re x t r a t e r r e s t r i a ln o n r a c e m i ca m i n oa c i d s i nt h em u r c h i s o nm e t e o r i t e ，n a t u r e ，3 8 9 ( 19 9 7 ) 2 6 5 【2 】l e e ，t s ，a n dc n y a n g t h eq u e s t i o no fp a r i t yc o n s e r v a t i o ni nw e a ki n t e r a c t i o n s p h y sr e v 1 0 5 ( 1 9 5 6 ) 1 4 1 3 【3 a l e x a n d r aj m a c r d e r m o t t t h ew e a kf o r c e a n dt h e o r i g i n o fl i f e ，c h e m i c a l e v o l u t i o n ：o r i g i no f l i f e ，h a m p t o nv i r g i n i ao f u s a d e e p a kp u b l i s h i n g , 1 9 9 3 ：8 5 【4 聂磊，螺旋与生命，1 6 ( 1 9 8 4 ) 【5 】沈同，王镜岩，赵邦悌等生物化学( 上册) 北京：人民教育出版社，1 9 9 2 ，7 7 【6 】w a n gw e n q i n g ，g o n gy a n ，l ic h e n ，b i o c h i r a l i t ya n dp a r i t yv i o l a t i n ge n e r g yd i f f e r e n c e ， c h i n e s es c i e n c eb u l l e t i n ，4 7 ( 7 ) ( 2 0 0 2 ) 6 0 3 【7 】w a n gw q ，l i a n gz ，f r o mp a r i t yt oc h i r a l i t y - e x p e r i m e n t a ls e a r c hf o rp a r i t yv i o l a t i n g e n e r g yd i f f e r e n c eo fa l a n i n ea n dv a l i n ee n a n t i o n m e r s a c t ap h y s - c h i m s i n ， 1 7 ( 1 2 ) ( 2 0 0 1 ) 1 0 7 7 【8 】c h i c kc w i l s o n ，d e a nm y l e s ，m i n a k s h ig h o s h ，l o u s i en j o h n s o na n dw e n q i n gw a n g , n e u t r o nd i f f r a c t i o ni n v e s t i g a t i o n so fl - a n dd - a l a n i n ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ：t h e s e a r c hf o rs t r u c t u r a le v i d e n c ef o rp a r i t yv i o l a t i o n ，n e wj c h e m 2 9 ( 2 0 0 5 ) 1318 9 】9w a n gw e n - q i n g , m i nw e i ，g o n gy a n ，t e m p e r a t u r e i n d u c e dp h a s et r a n s i t i o n si nc h i r a l a m i n oa c i d ss e a r c ho fs p o n t a n e o u sp a r i t y - b r e a k i n ga n dr e s t o r a t i o n ，a c t ap h y s - c h i m s i n ，2 1 ( 1 0 ) ( 2 0 0 5 ) 1 1 8 6 【1 0 】s t e v e nw e i n b e r g “基本粒子相互作用的统一理论”；科学美国人，1 9 7 4 ，j u l y f11 】m a s o n , s f ，a n dg e t r a n t e r t h ep a r i t y - v i o l a t i n ge n e r g y d i f f e r e n c eb e t w e e n e n a n t i o m e r i cm o l e c u l e s c h e m p h y s l e t t 9 4 ( 19 8 3 ) 3 4 【1 2 】k o n d e p u d i ，d k a n dgw n e l s o n w e a kn e u t r a lc u r r e n t sa n dt h eo r i g i no f b i om o l e c u l a r c h i r a l i t y n a t u r e 31 4 ( 1 9 8 5 ) 4 3 8 【13 】b a r r aal ，r o b e r tjb p a r i t yn o n c o n s e r v a t i o na n dp a r a m e t e r s m o l e c u l a ip h y s i c s m o l e c u l a r , 8 8 ( 4 ) ( 19 9 6 ) 8 7 5 14 】a b d u ss a l a m ，r o l eo fc h i r a l i t yi nt h eo r i g i no fl i f e ，j o u r n a lo fm o l e c u l a re v o l u t i o n ， 3 3 ( 1 9 9 1 ) 1 0 5 【15 】a b d u ss a l a m ，c h i r a l i t y , p h a s et r a n s i t i o n sa n dt h e i ri n d u c t i o ni na m i n oa c i d s ，p h y s i c s l e t t e r sb ，2 8 8 ( 19 9 2 ) 15 3 【16 】a b d u ss a l a m c h e m i c a le v o l u t i o n ：o r i g i no fl i f e ，h a m p t o nv i r g i n i ao fu s a d e e p a k p u b l i s h i n g ，1 9 9 3 ，p 1 0 1 5 硕士学位论文 【17 j u l i a nc h e l a f l o r e s ，t h eo r i g i no fc h i r a l i t yi np r o t e i na m i n oa c i d s ，c h i r a l i t y , 6 ( 19 9 4 ) 1 6 5 18 】j u l i a nc h e l af l o r e s i st h es a l a mp h a s et r a n s i t i o nr e l e v a n tt ot h ec a u s a lo n g i no f h o m o c h i r a l i t y p r o c e e d i n go ft h ep a k i s t a na c a d e m y o fs c i e n c e 3 2 ( 19 9 5 ) 1 【19 】f i g u r e a ua ，d u v a le ，b o u k e n t e ra s e a r c hf o rp h a s et r a n s i t i o n sc h a n g i n gm o l e c u l a r c h i r a l i t y c h e m i v a le v o l u t i o n ：o r i g i no fl i f e ，h a m p t o nv i n g i n i ao fu s a ；ad e e p a r k p u b l i s h i n g ，( 1 9 9 3 ) 15 7 2 0 】f i g u r e a ua ，d u v a le ，b o u k e n t e ra ，c a nb i o l o g i c a lh o m o c h i r a l i t y 、r e s u l tf r o map h a s e t r a n s i t i o n , o r i g i no f l i f ea n de v o l u t i o no f t h eb i o s p h e r e ，2 5 ( 1 3 ) ( 1 9 9 5 ) 2 11 【21 】g o n z a l e zrn ，k h a n n ark ，p o n n a a m p e r u m ac c h i r a l i t ya n dt h eo r i g i no fl i f e h a m p t o nv i r g i n i ao f u s a ：ad e e p a kp u l i s h i n g , ( 1 9 9 3 ) 1 3 5 【2 2 】z a n a s ir ，l a z z e r e t t ip ，l i g a b u ea ，s o n c i n ia , t h e o r e t i c a lr e s u l t sw h i c hs t r e n g t h e nt h e h y p o t h e s i so fe l e c t r o w e a kb i o e n a n t i o s e l e c t i o n ，p h y s i c a lr e v i e we ，5 9 ( 3 ) ( 19 9 9 ) 33 8 2 2 3 】c a l d a sh ，m o r a l sc w ，m o t aa l ，p h a s et r a n s i t i o ni na s y m m e t r i c a ls u p e r f l u i d s ：e q u a l f e r m is u r f a c e s ，p h y s i c a lr e v i e wd ，7 2 ( 4 ) ：a r t n o 0 4 5 0 0 8a u g2 0 0 5 2 4 】k e s z t h e l y il ，p o s s i b i l i t i e st om e a t u r et h ep a r i t y - v i o l a t i n ge n e r g yd i f f e r e n c e ，j o u m a lo f b i o l o g i c a lp h y s i c s ，2 0 ( 1 - 4 ) ( 19 9 4 ) 2 4 1 2 5 】w a n gw q ，y ie ，n iym ，z h a oz x ，j i nx l ，t a n gy q p a r i t yv i o l a t i n go f e l e c t r o w e a kf o r c ei np h a s et r a n s i t i o n so fs i n g l ec r y s t a l so fd - a n dl a l a n i n ea n dv a l i n e j o u r n a lo fb i o l o g i c a lp h y s i c s2 6 ( 2 0 0 0 ) 51 【2 6 】r o b e r tj b ，n m ra n dp a r i t yn o n c o n s e r v a t i o n e x p e r i m e n t a lr e q u i r e m e n t st oo b s e r v ea d i f f e r e n c eb e t w e e ne n a n t i o m e rs i g n a l s ，c h i r a l i t y , 1 3 ( 1 0 ) ( 2 0 0 1 ) 6 9 9 2 7 】姚连增，晶体生长基础，合肥：中国科学技术出版社，1 9 9 5 【2 8 】易芳，氨基酸单晶的低温相变机制研究，北京大学硕士学位论文1 9 9 6 年，北京：北 京大学图书馆 【2 9 】梁智，丙氨酸和缬氨酸单晶培养及丙氨酸晶体的固相核磁共振研究，北京大学本 科学位论文2 0 0 1 年，北京：北京大学图书馆 【3 0 】龚龚，氨基酸晶体制备及氨基酸分子手性的拉曼和a f m 研究，北京大学本科学位 论文2 0 0 1 年，北京：北京大学图书馆 6 硕士学位论文 2 1 拉曼光谱 2 1 1 拉曼原理 第二章氨基酸的变温拉曼光谱研究 光与物质的相互作用现象早已为人们所了解，它包括弹性散射( 即入射光频率与散 射光频率相等) 和非弹性散射。在探究物质的微观结构中，最有用的是分子转动、振动， 晶格振动及各类激发元参与的非弹性散射。拉曼散射是其中之一能反映分子转动、振动 的非弹性散射【。 光的非弹性散射现象 是指散射光频率与入射光 频率有所偏离，这种频率 发生改变的辐射就称为 r a m a n 散射。当一束光入 射到分子上，除了存在与 入射光频率6 0o 相同的散 射光外，还存在频率分量 为do k 的散射光。其 中，k 是与分子振动或转 动相关的频率，这种光散 谱 线 强 度 图2 1 拉曼和瑞利谱线 射现象就称为拉曼散射。在激发线低频一侧的谱线为斯托克斯线( s t o k e s ) ( 红伴线) ； 在激发线高频一侧的线为反斯托克斯线( a n t i s t o k e s ) ( 紫伴线) ；激发线处的散射谱线 则称之为瑞利线，见附图2 1 。 1 9 2 3 年，有人【2 】在理论上预言了光的非弹性散射：光通过介质时，由于它们的相互 作用，可以观测到光频率发生变化，同时相位也发生无规律变化。r a m a n 曾在1 9 2 3 年 发现苯的散射光谱是不连续的，但1 9 2 6 年发表的论文中并没有肯定这种散射是非弹性 的，以后他又进行了很多相关实验证明此种散射是非弹性的。当时r a m a n 只将这种效 应简单称为“一种新辐射”。1 9 2 8 年，c vr a m a n 和k s k r i s h m a n 】首先在c c k 液体 的散射光中发现了频率变化。此后，俄国物理学家gs l a n d s b e r g 和l i m a n d e l e s t 锄【5 】 7 硕士学位论文 就在石英中观察到散射光频率变化的现象，并将其称为联合散射光谱；并且c a b 锄u e s 【6 】 和r o c a r d 7 1 在巴黎也证实了r a m a n 的观察结果。p r i n g s h e i m 8 】总结指出了r a m a n 发现的 是一种全新的现象，他建议称这种现象为r a m a n 效应，这种新的光谱则称为r a m a n 光 谱。拉曼效应发现之后，很快就建立了拉曼光谱分析法。但是，落后的条件在很大程度 上限制了r a m a n 光谱的发展。直到1 9 6 8 年激光器【9 】问世，才使拉曼散射的研究工作得到 长足进展。 分子晶体的拉曼光谱一般可分为外振动和内振动模式。内振动一般是由分子内的结 构变化引起；外振动一般是由分子或离子间相互移动引起的，波数范围通常小于2 0 0 c m 一， 当晶态结构遭到破坏时，反映晶态结构和对称性特征的外振动谱线会消失。外振动通 常可分为：原子或离子之问的平移振动，分子或团簇质心之间的平移振动和分子或团簇 的天平动( 1 i b r a t i o n ) 。低波数拉曼光谱反映分子晶体的晶格振动( 1 a t t i c em o d e ) ，利用 变温拉曼光谱可以研究包括分子间氢键，长程库仑力作用，甲基一甲基相互作用等对晶 格振动的影响， 2 1 2 分子的极化与偏振 在拉曼散射实验中，为了标志入射光的传播方向、偏振状态和散射光的观察方向及 观察时所取的偏振方向，也就是所谓实验的散射组态【1 0 , 1 1 1 ，国际上通常用如下符号表示： g i ( g 2 g 3 ) g 4 g l 和g 4 分别表示入射光的传播方向和散射光的观察方向，g 2 和g 3 分别表示入射光的 偏振方向和观察散射光时所取的偏振方向。g l 和g 4 构成的平面称为散射平面，它往往 用作一个基准面使用。例如，在测量偏振拉曼谱时，用下列符号标记散射光的强度时就 是以散射平面作为基准面： 1 i s ( 0 ) i 和s 分别表示入射光和散射光的偏振方向相对于散射平面的取向，一般存在垂直于散 射平面( 记作上) 、平行于散射平面( 记作) 和自然光( 记作n ) 三种状态；o 是散射 光观察方向和入射光传播方向的夹角。比如，图2 2 画出了两种拉曼散射实验的空间配 置及其对应的光强表示符号和散射组态符号。 拉曼散射光谱和红外吸收光谱都与分子的振动有关，但红外吸收与产生分子偶极矩 变化的振动有关，而拉曼散射与产生分子极化率变化的振动有关。在红外吸收光谱中， 只有取向高聚物才能测出谱带的偏振性，并用红外圆二色性比表征它的偏振程度。在拉 硕士学位论文 曼散射光谱中，因为高聚物的各向异性，不同方向上的分子极化率不同，所以用退偏振 比p 描述散射光的偏振，定义为： p = i _ l i h 式中i 上和i 分别为拉曼散射光中垂直和平行原激发光电矢量方向的谱带强度。在x 方 z ( y z x - 上，( i 2 2 ( yy x ：工j l ( _ 2 ) 图2 - 2 散射实验的两种空间配置图 向偏振的激发光沿y 轴射向样品，从z 轴方向观察拉曼散射光，p = l y ( z ) i x ( z ) 。理论分 析表明，对于分子的完全对称振动，谱带的p 值小于3 4 ，称为偏振谱带( 在平行方向 偏振) ；对于其它振动，p 等于3 4 ，称为退偏振带。因此，通过测量谱带p 值，可推断 振动的对称性。 2 2s e r s 简介 1 9 7 4 年，英国科学家f l e i m a n n 等人【1 2 】首次以吡啶作为银电极上的拉曼活性物质进 行了拉曼散射实验。为了增强散射强度，他们将银电极进行了多次氧化还原处理，以使 电极粗糙化后的表面可以吸附更多的吡啶分子，结果果然得到了增强的散射信号。但是 他们没有意识到这是一种新的现象，而是简单地将所观察到的现象归因于较大的吸附表 面导致吸附分子数目的增加。 1 9 7 7 年，j e a n m a i r e 【1 3 】和c r e u g h t o n t l 4 】等人分别独立地重复了f l e i s c h m a n n 等人的实 验，并通过计算发现吸附在银电极表面几个分子层的吡啶分子所产生的拉曼散射比正常 拉曼光谱要增强1 0 5 - - 1 0 6 倍。这一发现带来了一个新的问题：即使银电极表面高度粗糙， 表面积增加1 0 倍，也不能解释拉曼散射增加1 0 5 - 1 0 6 倍的实验事实。当年，这一发现 公布后，引起了科学界的广泛兴趣，并把这种现象命名为表面增强拉曼散射( s u r f a c e 9 硕士学位论文 e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ) ，简称s e r s 。 在最初的1 0 年内，为阐述s e r s 机理，研究者们提出了多种理论模式。迄今为止， 关于s e r s 的本质仍未达到共识。尽管这样，s e r s 作为一种具有很大应用潜力的光谱 分析技术，在各个重要领域中的应用已迅速发展起来。 到目前为止，人们观察到了许多分子在各种界面( 如固一固、固一气、固一液、固 一真空) 上的s e r s 效应，这说明s e r s 对分子和界面具有可观的普适性。同时，s e r s 给出具有分子水平上的信息，不需要超高真空条件，灵敏度高，选择性好，以非破坏性 的光子为探针，使其成为可以实时、实地研究界面效应的有力工具，这些都是其它表面 分析工具所望尘莫及的。 2 2 1s e r s 的实验特性及主要应用 ( 1 ) 实验特性 s e r s 强度和激发光频率的关系 对于普通拉曼光谱，拉曼信号的强度与激发光频率的四次方成正比，但s e r s 强度 却不遵循这一关系。许多实验证明，s e r s 强度随激发光频率降低而增强，一般在黄光区 域或红光区域达到最大，之后随激发光频率降低而下降。 s e r s 强度的最大值对应的激发光频率或波长与各因素的关系 ( a ) 与金属基底有关。银基底对不同频率的激发光都有较好的s e r s 效应，而对金和 铜基底，使用蓝光，一般只有很小的s e r s 效应。例如，在银基底上，与s e r s 强度最 大值相应的激发光波长要比在金或铜基底上的短。 ( b ) 与金属基底表面的粗糙化情况有关。例如，吡啶在银溶胶上的s e r s 强度的极大 位于5 0 0 6 0 0 n m 之间，而在电化学粗糙化的银表面的s e r s 极大值位于6 5 0 - 7 5 0n m 。即 使同是银溶胶，s e r s 极大随纳米颗粒尺寸的增加而向长波方向移动。 ( c ) 与被测分子有关。不同分子在相同基底上的s e r s 极大的位置也是不同，即使是 同一分子的不同谱带，s e r s 极大的位置也不同，s e r s 极大的位置随谱带能量的增加向 短波方向移动。 ( d ) 对于s e r s 光谱，能观察到两个极大，第一个一般是由共振效应引起的，而在 较长波长方向的极大归结于s e r s 的贡献。 ( 2 ) s e r s 的主要应用 推测分子吸附取向 1 0 硕士学位论文 s e r s 可用来研究分子在增强基底上的吸附取向。大多数吸附分子取向的研究是以选 择定则为基础的。根据表面选择定则，垂直于基底表面的振动谱峰将得到较大增强，而 平行于基底的振动峰的增强较小【j 副。 人们往往也考虑不同体系或者相同体系不同条件下，检测分子吸附取向的变化。在 这方面，很多研究人员做了很多有意义的实验【1 6 】。体系的压力、p h 值、温度及激发波 长的变化对谱线的影响也可以通过s e r s 来研究。 推测分子在基底表面的吸附基团 通过与常规拉曼光谱对比找出s e r s 光谱中是否有与基底有关的新振动峰出现，可 以确定吸附分子是通过什么基团吸附在基底表面。利用选择定则可以确定吸附分子是通 过什么基团与基底表面相互作用的，首先可以通过与金属基底相互作用的振动峰作为判 断依据。其次，某些谱峰相对强度的变化也可以作为判断依据。此外，还可以利用某些 基团振动谱峰位置的变化来判断。三者相互验证能够证明分子吸附基团判断的准确性。 推测分子在基底表面的是物理吸附还是化学吸附 利用s e r s 强度与吸附分子离s e r s 活性基底表面距离的关系判断分子的吸附性质， 即是物理吸附还是化学吸附。通常认为分子离吸附面较远时以物理吸附为主，同一振动 的s e r s 谱线相对于常规拉曼谱线没有频移；而分子离吸附面较近时化学吸附占主要优 势，同一振动的s e r s 谱线与拉曼谱线相比有一定的频移。 找出分子吸附时可能的结构变化 许多分子吸附在金属表面上时可能会发生