拉曼光谱的原理及应用

拉曼光谱的原理及应用由于近年来以下技术的集中发展，拉曼光谱已被广泛使用。这些技术是：近红外区高灵敏度的CCD探测系统、小体积大功率的二极管激光器、集成激励激光和信号滤波的光纤探头。这些产品，加上高口径和短焦距分光光度计，提供低荧光背景和高质量拉曼光谱，以及小体积和易于使用的拉曼光谱仪。(1)含义当光照射物质时，会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光与激发光的波长相同。非弹性散射光比激发光具有更长和更短的分量，统称为拉曼效应。当气体、液体或透明样品被波长远小于样品颗粒尺寸的单色光照射时，大部分光将沿原始方向透射，而一小部分光将以不同角度散射，产生散射光。当在垂直方向上观察时，除了与原始入射光具有相同频率的瑞利散射之外，还存在一系列对称分布的非常弱的拉曼谱线，这些谱线偏离了入射光的频率。这种现象被称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数量，位移的大小和谱线的长度与样品分子的振动或转动能级直接相关。因此，类似于红外吸收光谱，拉曼光谱的研究也可以获得分子振动或旋转的信息。目前，拉曼光谱已被广泛用于识别物质和研究分子结构的谱线特征(2)拉曼散射光谱具有以下明显特征：尽管拉曼散射谱线的波数随着入射光的波数而变化，但对于同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，而仅与样品的振动旋转能级有关；在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称分布在瑞利散射线的两侧，因为在上述两种情况下分别获得或损失了对应于一个振动量子的能量。一般来说，斯托克斯线比反斯托克斯线强。这是由于玻尔兹曼分布，振动基态的粒子数比振动激发态的粒子数多得多。(3)拉曼光谱的优势它提供快速、简单、可重复，更重要的是，非破坏性的定性和定量分析。它不需要样品制备，样品可以通过光纤探针或通过玻璃、应时和光纤直接测量。另外1拉曼光谱是研究水溶液中生物样品和化学化合物的理想工具，因为水的拉曼散射非常弱。拉曼光谱一次可以覆盖50-4000个波数，可以分析有机和无机物质。相反，如果红外光谱覆盖相同的间隔，光栅、分束器、滤光器和检测器必须改变。3拉曼光谱峰清晰锐利，更适合定量研究、数据库检索和利用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立拉曼间隔的强度可以与官能团的数量有关。因为激光束在其焦点处的直径通常只有0.2-2mm，所以仅用少量样品就可以获得传统的拉曼光谱。这是拉曼光谱相对于传统红外光谱的一大优势。此外，拉曼显微镜物镜可以进一步将激光束聚焦到20微米或更小，并且可以分析具有更小面积的样品。共振拉曼效应可以用于选择性地增强大分子的特定发色基团的振动，并且这些发色基团的拉曼强度可以选择性地增强1000至10000倍。(4)几种重要的拉曼光谱分析技术1.单通道检测的拉曼光谱分析技术2.拉曼光谱探测器中以CCD为代表的多通道探测器分析技术3.基于傅里叶变换技术的傅里叶变换拉曼光谱分析技术4.共振拉曼光谱分析技术5.表面增强拉曼效应分析技术(5)拉曼频移，Ra之间的关系在静电场e中，极化感应偶极矩p是静电场e和极化率的乘积感应偶极矩与外部电场强度的比值就是分子的极化率当一个分子中两个原子之间的距离最大时，极化率也最大。拉曼散射强度与极化率成正比(6)使用激光光源的拉曼光谱应用激光器具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特点，结合表面增强拉曼效应产生表面增强拉曼光谱。其灵敏度比常规拉曼光谱高104107倍，通过活性载体表面选择性吸附分子抑制荧光发射，大大提高了分析的信噪比。它已被应用于生物、制药和环境分析中痕量物质的检测。共振拉曼光谱是另一种基于共振拉曼效应的激光拉曼光谱。当激发光频率接近或符合待测分子的电子吸收峰时，发生共振拉曼效应，分子的一个或几个特征拉曼带的强度可达到正常拉曼带的104-106倍，有利于低浓度和痕量样品的检测。它已被应用于无机、有机、生物大分子、离子甚至生物体成分的测定和研究。激光拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱的结合已经成为分子结构研究的主要手段。1.共振拉曼光谱的特征：(1)基频的强度可以达到瑞利线的强度。(2)、pan频率和组合频率的强度有时大于或等于基频的强度。(3)、通过改变激发频率，使其只与样品中的某种物质共振，从而选择性地研究某种物质。(4)与普通拉曼相比，其散射时间较短，一般为10-12 10-5秒。2.共振拉曼光谱的缺点：需要连续可调激光器来满足不同区域不同样品的吸收。(7)电化学原位拉曼光谱电化学原位拉曼光谱是利用物质分子产生的入射光的频率发生较大变化的散射现象，激发单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光)到电极电位调制的电极表面，测量散射拉曼光谱信号(频率、强度和偏振性能的变化)与电极电位或电流强度之间的关系。普通物质分子的拉曼光谱很弱。为了获得增强的信号，可以采用电极表面粗糙化方法，并且可以获得104-107倍更高强度的表面增强拉曼散射(SERS)光谱。当具有共振拉曼效应的分子被吸附在粗糙的电极表面时，可以获得表面增强共振拉曼散射(SERRS)光谱，并且其强度可以提高102-103。电化学原位拉曼光谱测量装置主要包括拉曼光谱仪和原位电化学拉曼池。拉曼光谱仪由激光源、收集系统、分光系统和检测系统组成。光源通常使用能量集中且功率密度高的激光。收集系统由一个透镜组组成。分光系统使用与光栅结合的光栅或陷波滤波器来过滤瑞利散射和杂散光。分光检测系统使用光电倍增管检测器、半导体阵列检测器或多通道电荷耦合器件。原位电化学拉曼电池一般有工作电极、辅助电极、参比电极和通气装置。为了防止腐蚀性溶液和气体腐蚀仪器，拉曼池必须配备光学窗口密封系统。如果实验条件允许，为了尽可能避免溶液信号的干扰，应该使用一薄层溶液(电极和窗口之间的距离为0.1 1毫米)，这对微拉曼系统非常重要。太厚的光学窗口或溶液层将导致微系统的光路改变，并降低表面拉曼信号的收集效率。最常见的方法是目前，电化学原位拉曼光谱的研究进展主要包括：一，即通过表面增强处理将检测系统扩展到过渡金属和半导体电极。尽管电化学原位拉曼光谱是一种灵敏的现场检测方法，但只有银、铜和金电极能在可见光区产生强SERS。许多学者试图在具有重要应用背景的过渡金属电极和半导体电极上实现表面增强拉曼散射。二是通过分析和研究电极表面吸附物质的结构和取向以及SERS光谱和电化学参数之间的关系，从分子水平描述电化学吸附现象。第三，通过改变调制电位的频率，可以得到在两个电位下变化的“时间分辨谱”，分析SERS谱峰与系统电位之间的关系，从而解决电极表面的SERS活性位点随电位变化而引起的问题。(8)拉曼信号的选择入射激光的功率、样品池的厚度和光学系统的参数对拉曼信号强度也有很大的影响。因此，可以产生强拉曼信号并且其拉曼峰不与要测量的拉曼峰重叠的基质或外部物质的分子通常被选择作为校正的内部标准。其内标选择原则和定量分析方法与其他光谱分析方法基本相同。斯托克斯线能量降低，波长增加反斯托克斯线能量增加，波长变短(9)拉曼光谱的应用方向拉曼光谱是一种基于拉曼效应的分子结构表征技术。它的信号源与分子的振动和旋转有关。拉曼光谱的分析方向如下：定性分析：不同的物质有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。结构分析：光谱带的分析也是材料结构分析的基础。定量分析：根据光谱上物质吸光度的特点，可以对物质的数量有很好的分析能力。(十)拉曼光谱分析的优缺点1.拉曼光谱分析的优势本发明的拉曼光谱分析方法不需要样品的预处理，不需要样品的制备过程，避免了一些误差，在分析过程中具有操作简便、测定时间短、灵敏度高等优点。2.拉曼光谱分析的不足(1)拉曼散射面积(2)不同振动峰的重叠和拉曼散射强度容易受到光学系统参数等因素的影响(3)荧光现象对傅里叶变换拉曼光谱分析的干扰(4)在进行傅里叶变换频谱分析时，经常会出现曲线的非线性问题。(5)任何物质的引入都会给被测体系统带来一定程度的污染，这相当于引入一些误差的可能性，并且会对分析结果产生一定的影响(十一)新进展和发展前景十几年来，虽然在高真空系统、大气和固/液系统(电化学系统)89 91中对单晶金属系统表面拉曼光谱的研究有一些报道，但直到最近几年，SERS对光滑单晶电极系统的研究才取得重要进展。Bryant等人用单层89记录了吸附在光滑铂电极表面上的噻吩拉曼光谱，Furtak等人通过使用具有Kretchmann光学构型的ATR电解池和使用表面等离子体增强效应90获得了吸附物种在光滑银(111)单晶表面上的弱SERS信号。由于拉曼光谱系统探测灵敏度的限制，获得的表面信号非常微弱。无法进行更详细的研究。奥托集团和富塔玛塔集团分别成功地采用了奥托光学构造的ATR电解池，用表面等离子体增强方法92 94在光滑单晶电极上获得了较强的表面拉曼信号。前者发现不同铜单晶电极表面的增强因子不同。具有较高折射率或台阶的晶面信号明显增强，92。Futamata等人甚至可以在铂和镍金属的单晶表面上观察到SERS信号，计算表明表面增强因子为1 2个数量级93。目前，适用于单晶表面电极系统的SERS研究仍局限于少数拉曼散射截面较大的分子，需要进一步改进和探索实验方法。为了拓宽可以研究的分子体系，如果能系统地比较和研究各种单晶表面电极的SERS信号和不同粗糙方法处理的电极表面信号，不仅有利于定量研究SERS机制和区分不同的增强机制，而且有利于建立正确可靠的拉曼光谱表面选择规律。随着纳米科学技术的飞速发展，制备不同纳米粒子和二维有序纳米图案的各种技术和方法将日益成熟。在理论的指导下，人们可以很容易地找到对过渡金属产生强SERS效应的最佳实验条件。这些突破无疑将为拉曼光谱广泛应用于各种过渡金属电极和单晶电极系统的研究开辟新的前景。简而言之，通过探索合适的表面处理方法和采用新一代高灵敏度拉曼光谱仪，拉曼光谱研究可以扩展到一系列重要的过渡金属和半导体系统，从而将该技术发展成为适用性广、研究能力强的表面(界面)光谱工具，推动相关表面(界面)光谱理论的发展。各种相关的检测和研究方法也有可能得到迅速发展和改进。在提高检测灵敏度的基础上，人们不再满足于只检测电极表面种类。相反，它侧重于通过提高检测分辨率(包括带分辨率、时间分辨率和空间分辨率)来研究电化学界面结构和表面分子的细节和动态过程。未来的主要研究内容可能会逐渐从稳定的界面结构和表面吸附扩展到其反应的动力学过程，并深入到分子中的各个基团，揭示分子水平的化学反应(吸附)动力学。研究了表面物种与电解质离子或溶剂分子之间的弱相互作用。例如，将电化学瞬态技术(时间-电流法和超高速循环伏安法)与时间分辨光谱学技术相结合，以毫秒或微秒级95的时间分辨率进行研究。利用SERS时间分辨实验结合电化学瞬态技术可以检测和识别电化学反应的产物和中间体96，新一代增强型电荷耦合阵列检测器(ICCD)和新一代拉曼光谱仪(如：傅里叶变换拉曼光谱仪和哈达玛变换光谱仪)的引入将为时间分辨拉曼光谱在电化学中的研究提供新的手段。最近，我们利用电化学本身的优点提出了潜在的平均表面增强拉曼散射。PASERS)新方法17，通过在银和铂微电极上收集不同调制电势频率下的PASERS光谱和去光谱，时间分辨率为s的电化学时间分辨拉曼光谱可以在不具备进行时间分辨研究的条件的仪器上进行。拉曼光谱研究的另一个发展方向是利用激光拉曼光谱微畴显微技术97开展空间分辨研究，进一步开展电极表面微畴的结构和行为研究。藤岛等人通过使用共焦拉曼显微系统和SERS技术开发了表面增强拉曼成像技术。SERS活性银表面吸附质和自组装膜98、99的SERI图像。该技术和具有三维空间分辨率的共焦显微拉曼光谱将在导电聚合物、L-B膜和自组装膜电极、电极钝化膜和微区腐蚀98 100的研究中发挥重要作用。近场光学拉曼显微