拉曼光譜和拉曼光譜術

1、拉曼光譜和拉曼光譜技術Raman spectrum and Raman spectroscopy拉曼光譜的峰強度與相應的分子濃度成正比， 拉曼光譜也能用于 定量分析。拉曼光譜一般不觸及試樣，也不必對試樣作任何修飾，能 穿過由玻璃、 寶石或塑料制成的透明容器或窗口收集拉曼信息。 在工 業(yè)生產(chǎn)中，不必預先作試樣準備處理是選用拉曼光譜術而棄用其它更 成熟分析技術的主要原因。 人們偏向拉曼技術的其它原因還在于維持 費用低，具有其它分析技術所不具備的特有分析能力以及拉曼光譜術 和紅外光譜術的互補特性。拉曼散射光的強度并不是在所有的方向都相等的。 所以討論拉曼 散射光的強度必須指明入射光傳播方向與所檢測的

2、拉曼散射光之間 的角度。通常在與入射光方向成 90。或者 180。的方向上觀測拉曼散射。 這些散射幾何分別稱為直角散射和背散射。溫度和壓力對拉曼峰的影響。水的拉曼峰在 3300cm-1-3400cm-1。 凝聚相試樣拉曼光譜的峰通常有 5cm-1-20cm-1 寬，氣相拉曼峰比較窄。 定量分析和定性分析應用拉曼光譜術作定量分析的基礎是測得的分析物拉曼峰強度 與分析物濃度間有線性比例關系。分析物峰面積（累積面積）與分析 物濃度間的關系曲線是直線。 這種曲線稱為標定曲線。 通常對標定曲 線應用最小二乘方擬合以建立方程式， 據(jù)此從拉曼峰面積計算得到分 析物濃度。 影響拉曼峰面積或峰高度的因素不只有分

3、析物濃度， 還有 其它因素。 例如試樣的透明程度和插入收集光系統(tǒng)的薄膜。 所以幾乎 所有拉曼定量分析方法，在建立標定曲線之前都使用某種類型的內(nèi) 標，以修正這些因素對拉曼峰面積或高度的影響。有時候，當分析物 濃度變化時， 試樣中所有成分的濃度也發(fā)生變化。 這種情況下可使用 試樣所有成分的總和作內(nèi)標。拉曼光譜的噪聲及其減除方法拉曼光譜術常遇到的最重要的噪聲來源有發(fā)射噪聲、 儀器噪聲和 背景光。在波長小于 1000nm 的拉曼測量中，發(fā)射噪聲是最主要的噪 聲。儀器噪聲主要取決于拉曼儀的設計。 而背景光總是拉曼光譜術的 潛在的問題，因為拉曼強度是很弱的。發(fā)射噪聲一般是色散型拉曼光譜術的最大噪聲來源，

4、而在傅里葉 拉曼光譜術中，檢測噪聲通常比發(fā)射噪聲大得多。熒光和磷光熒光是背景光中最受關注的一種。 而激光引起的熒光是拉曼光譜 術中最普遍遇到的背景光來源。 熒光光譜外觀通常比拉曼光譜峰要寬 得多，看起來像拉曼光譜緩慢變化的基線。 減小或消除熒光背景最成 功的方法是選擇使用這樣的拉曼激發(fā)波長，它不被熒光材料所吸收， 或者僅僅產(chǎn)生拉曼光譜范圍以外的熒光。 最常用的是近紅外或紫外光 激發(fā)和熒光減除法。 對試樣做某些預處理有時也是有效的， 例如高溫 氧化以破壞熒光材料，試樣凈化也是一種有效的方法。黑體輻射黑體輻射是光譜寬背景信號的另一個可能來源。 只是因為溫度高 于絕對零度而發(fā)生的輻射稱為黑體輻射。

5、減小拉曼光譜中黑體輻射的 一個方法是使用較短波長的激發(fā)光。 試樣的黑體輻射可能來源于加熱 的整個試樣，也可能來源于激發(fā)拉曼散射的激光對試樣的局部加熱。 在整個試樣被加熱時， 若使拉曼儀對試樣的照射面積達到最小， 就能 最大限度地減小拉曼光譜中的黑體強度。 只要所有激發(fā)光光線都落在 所觀察的試樣面積上， 就不會損失拉曼強度。 所以擴大激光對試樣的 照射面積是減小激光加熱引起的黑體強度的最有效和方便的方法。 黑 體輻射不僅來自試樣， 也可能來自周圍環(huán)境。 最常遇到的是白熾燈光 線。拉曼光譜中這種背景強度的消除只要關閉白熾燈或作適當?shù)恼趽?就很有效。表面增強拉曼光譜術（ SERS） 在金屬膠?；虼植?/p>

6、金屬表面作用下， 材料的拉曼橫截面可能增大 107 倍。增大只發(fā)生在直接 吸附在金屬表面上的物質(zhì)。這種效應稱為 表面增強拉曼散射。 銀和金是最常使用的金屬， 因為它們有最強的增 強效果，銅也用天表面增強拉曼光譜術。它們的增強效果依次為 Ag>Au>Cu?？梢姽饣蚪t外激發(fā)可用于銀的SERS,而金和銅則要求使用紅或近紅外激光。如果將SERS與共振拉曼光譜增強聯(lián)合使用， 可使拉曼橫截面增大高達 1014倍-1015 倍。這使得單分子拉曼光譜術成 為可能。單分子SERS研究表明，SERS強度的大部分是由SERS基材 上的一小部分分析物分子所貢獻。SERS有幾種不同的機制。大致可分為兩類：

7、電磁效應（EM ）和 化學效應（CT）。電磁效應是由于金屬表面與激發(fā)光的相互作用使分 析物電場強度增大的結果。 其中較重要的效應是金屬表面等離激元的 激發(fā)。表面激元是金屬表面導帶電子的振蕩。 在表面等離激元共振頻 率，導帶電子易于移動，從而在局部電場產(chǎn)生大的振蕩。表面等離激 元頻率與金屬的電子結構和金屬表面粗糙程度或膠質(zhì)粒直徑有關。 電 磁效應隨離開金屬表面距離的 3 次方而減弱，其范圍約為離金屬表面 幾個納米。 電磁效應與分析物本身沒有太大的關系。 化學效應是由于 分析物與金屬波函數(shù)重疊而發(fā)生， 與電磁效應相比， 化學反應作用范 圍較短，而且與分析物強烈相關。對電磁場增強來看，當激光照射到基

8、底表面時，會在金、銀、銅 等這些金屬上激發(fā)出表面等離子體， 使得入射光場強和散射光場強都 有較大增強。由于拉曼增強散射強度與分子所處光電場強度的平方成 正比，因而極大地增強了吸附在表面的分子產(chǎn)生的拉曼散射強度， 從 而提高了檢測靈敏度。 這與基底材料有關。 因此通過調(diào)諧基底材料有 望獲得理想的SERS效應。一般認為表面等離子體越強，在表面激發(fā) 的電磁場就越強，相應的拉曼增強效應也越大。不論考慮哪種機制， 為了得到大的增強， 金屬表面必須具有合適 的粗糙程度。銀基襯在SERS效應中是最為有效的。銀基襯可以是膠 體態(tài)銀、銀島薄膜（Ag/CaF»、沉積在石英或特芙隆粒子上的銀膜、 粗 糙的

9、電極和玻璃片上的化學處理過的銀膜。 膠體態(tài)銀、 金和銅是最為 廣泛使用的類型， 因其準備過程不需要特殊的儀器設備。 化學刻蝕是 適合于SERS研究基襯準備的一種較為方便有效的方法?？涛g過程十 分簡便，在室溫下將 0。 025mm 厚的銀薄膜浸入攪動著的 4MHNO3 中數(shù)分鐘， 直到薄膜呈乳白色。 這一過程使銀膜表面形成粗糙的海綿 狀，具有尺寸在10 nm-100 nm范圍的凹凸不平。表面增強拉曼光譜有效地彌補了拉曼信號靈敏度低的弱點， 可以 獲得常規(guī)拉曼光譜難以獲得的信息。 它在獲取表面和界面信息方面的 功能是非常突出的， 這一技術已被廣泛地應用于表面和界面的物理和 化學研究。SERS技術雖

10、有著強大的分析功能，但其應用仍受到諸多限制。 應用受到限制主要受下列因素所決定：SERS要求試樣與基襯接觸， 這失去了拉曼光譜術非侵入和不接觸分析的基本優(yōu)點；SERS基襯對不同材料的吸附性能不同， 這使定量分析發(fā)生問題； 基襯重現(xiàn)性和穩(wěn) 定性難以控制，這個困難的解決目前正在取得很大的進展。SERS技術要求所檢測的分子含有芳環(huán)、雜環(huán)、氮原子硝基、氨基、羰基或磷 和硫原子之一，這使檢測對象有一定的限制；試樣可能與 SERS基襯 發(fā)生化學或光化學反應（對金基襯這不是大問題） 。共振增強拉曼光譜術（ RRS）當激發(fā)波長與分子的電子躍遷波長相等時將發(fā)生共振拉曼散射。 這時拉曼散射強度比常規(guī)散射要高出約

11、106倍。靈敏度的極大增高使 共振拉曼光譜能給出比常規(guī)拉曼光譜豐富得多的光譜特征信息， 并能 觀察到在常規(guī)拉曼散射中難以出現(xiàn)的， 其強度可與基頻相比擬的泛音 和組合光譜。 原則上講， 拉曼散射強度的共振增強能用來增大幾乎任 何類型拉曼過程的靈敏度。 共振拉曼光譜的高靈敏度使其可用于低濃 度和微量試樣檢測。 例如，應用這種技術可不加預處理得到人體體液 的拉曼光譜。 許多生物分子的電子吸收區(qū)位于紫外， 紫外共振拉曼技 術的研究已得到足夠的重視。利用紫外拉曼光譜術在蛋白質(zhì)、核酸、DNA和絲狀病毒粒子的研究已取得顯著成果。用共振拉曼偏振測量 技術，還可獲得有關分子對稱的信息。共振增強和表面增強拉曼光譜

12、 術在分析化學領域能夠發(fā)揮的巨大作用早已引起關注。拉曼散射的基本原理圖如圖1所示，當頻率為V。的單色光作用于分子時，可能發(fā)生彈性碰撞 或非彈性碰撞。原來處于基態(tài) EV=0的女子愛到能量為hv0的入射光子 激發(fā)而躍遷到一個受激虛態(tài)，因其不穩(wěn)定而立即輻射躍遷回到基態(tài) Ev=0，此過程對應天彈性碰撞，輻射躍遷的頻率為V。，為瑞利散射線； 處于虛態(tài)的分子也可以躍遷到激發(fā)態(tài) Ev=1，這種過程對應于非彈性碰 撞，光子的部分能量傳遞給分子，輻射躍遷的頻率為Vo-V，為拉曼散射的斯托克斯線。類似的過程也可能發(fā)生在處于激發(fā)態(tài) Ev=1的分子受 到能量為hVo的入射光子激發(fā)而躍遷到受激虛態(tài)，而后輻射躍遷回到 激

13、發(fā)態(tài)EV=1，此過程對應于彈性碰撞，輻射躍遷頻率為 V。，為瑞利散 射線；處于虛態(tài)的分子也可能躍遷到基態(tài) Ev=0，這種過程對應于非彈 性碰撞，光子從分子振動或轉動中得到能量，輻射躍遷的頻率為v°+ v， 為拉曼散射的反斯托克斯線。AmA (vg + tr)%事hvt)*hv斯托克斯線瑞利散射線反斯托克斯線圖1拉曼散射和瑞利散射的能級圖表面增強拉曼散射（Suface Enhanced Raman Scattering , 簡稱 SERS）是指當一些分子被吸附到某些粗糙的金屬（如銀、銅、金等）表 面上時，它們的拉曼散射強度會增加ibio7倍。SERS的實驗方法一般的拉曼光譜儀都能用來進

14、行 SERS勺測量，測量系統(tǒng)由三部 分組成：（1）激光光源（2）拉曼光譜儀和檢測系統(tǒng)（3）樣品池。作為激發(fā)光源的激光器一般用氣體離子激光哭或染料激光器，其選擇與所用的金屬基體有關。當用銀作基體時，氬離子、氦-氖或染料激光器都可用，但金或銅作基體時，只有能產(chǎn)生紅光的激器，如氪 離子、氦-氖或染料激光器才能使用，因為在金或銅基體上，當激光 的波長小于600nm時，SERS效應很小甚至沒有。樣品池的設計與樣品的種類有關，當被測樣品吸附在銀或金溶膠上時，用石英玻璃或硬玻璃管作樣品池。 當樣品被吸附在表面粗糙化 的金屬片上時，可把金屬片直接安裝在拉曼光譜儀的樣品架上或放在 石英玻璃或硬玻璃管中，如果測量

15、吸附在電極表面的樣品的SERS寸，則要設計特殊的電化學池。SERS勺實驗特性1 SERS最重要的特性是有很大的增強因子。吸附到某些粗糙的金 屬（如銀、銅、金等）表面上時，它們的拉曼散射強度會增加104107 倍。2只有少數(shù)基體能產(chǎn)生SERS效應。銀、金和銅因為有很大的增 強效應而被用來作為SERS勺金屬基體。鎳、鋁、鋰、鈉、鉀和鉑也 有一定的增強作用。另外在某些半導體上，如硫化鎘、三氧化二鐵、 二氧化鈦等表面也能觀察到SERS效應。3金屬只有在它的表面被粗糙化后才能顯示出 SERS效應。4所有SERS譜峰的退偏比都在0。6-0。75之間。5 SERS光譜沒有倍頻峰，表明SERS并不是簡單的共振

16、效應引起 的。6 SERS光諳實際上是SERS譜峰與連續(xù)背景疊加而成，此背景從瑞利線尾部一直延伸到4000cm1處，在50-600 cm1范圍內(nèi)，該背景強度 隨波數(shù)增加而降低，在600-4000 cm范圍內(nèi)，其強度基本不變。表面增強拉曼散射原理 圖2是表面增強拉曼的散射原理示意圖。當分子吸附在納米尺度 的金屬介質(zhì)附近（金屬小球表示），其接受到的場強Em由兩部分組成，是場強為Eo的入射光強；二是由金屬小球感應偶極子產(chǎn)生的電場Esp,即出-%其中一可以表示為。在滿足表面等離子共振條件時(_;，Im(x);較小時)，.將會變得非常大，分子處在有效電場將入射光強。如果拉曼散射光與金屬 小球表面發(fā)生表面

17、等離子體共振， 其電場也將得到增強。綜合考慮上 述兩種因素，可以得到總的電磁場增強因子。圖2表面增強拉曼散射示意圖Fig。2 Sketch map of surface enhanced spectram scattering大粒徑單分散金納米粒子的水相合成實驗部分試劑：氯金酸 (HAuCI4 3H2O度大于98 %(Aldrich)，其余藥品均為分析純，使用前未經(jīng)進一步純化。實驗用水為經(jīng)超純水裝置(Puric-Z)凈化的二次去離子 水，電阻率 .07M Q cm。晶種金溶膠的合成50mL 1.0 X 104 g mL-1氯金酸水溶液劇烈攪拌下加熱至沸騰，迅速加入0.50_ 2mL 1.0 x

18、 10 gm-L1 的檸檬酸鈉水溶液，保持沸騰15 min后自然冷卻。透射電鏡照片顯示所得晶種金溶膠平均粒徑為50± 5nm大粒徑金納米粒子的合成晶種金溶膠用適量超純水稀釋，加入一定量10 x 10 g mL的氯金酸，使溶液中氯金酸總含量約為10 x 1（f g mL1 （包括已還原為晶種的氯金酸的量），最后以1 : 1的摩爾比加入相應體積的mmol l-1羥胺（可稍過量以保證氯金酸反應完全） ，常溫下攪拌 10 min。 通過加入氯金酸的量可以估算最終金納米粒子的大 小從而控制其粒徑 試劑加入順序對納米粒子形態(tài)的影響納米粒子的形態(tài)受試劑加入順序的影響很大。 在其它條件相同的情況下，

19、在晶 種金溶膠中先加入氯金酸再加入羥胺，反應速度比較快（20 C時約3 min即可完成），得到的納米粒子表面比較光滑； 先加入羥胺再加入氯金酸， 不僅反應速 度較慢（20 C時約min反應完畢），而且所得粒子表面十分粗糙，多呈“星”形。 化學還原法因其設備簡單、操作方便，成為制備超細銀粉的主要方法。采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）#保護劑和價格低廉、還原能力溫和的葡萄糖作還原 劑，用簡單工藝制備銀納米顆粒。稱取15 g葡萄糖和5 g PVP,配制成300 mL混合水溶液，利用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié) 其pH值至11;稱取6 g硝酸銀配制成100 mL水溶液。在恒溫水浴鍋中將上述溶液 加熱至70T，將硝酸銀

20、溶液以30滴/min的速度均勻地滴加到葡萄糖混合溶液 中，攪拌15 min得到黑色懸濁液。將此懸濁液離心分離，所得固體沉淀用去離子 水和無水醇各洗滌3遍，于50 C下真空干燥，得黑色粉末試樣。定量分析曲線非線性的產(chǎn)生及內(nèi)外標法的正確運用我們已經(jīng)了無到.應用拉曼光譜法進行 定董分析的最大優(yōu)點之-，就是對分析樣品 無費事先進行任何前處理也就是說不存在 樣品的制備過程。而且，在應用拉曼光譜法進 行分析時，除了有些樣品會產(chǎn)生熒光干擾現(xiàn) 象外基本上不再會發(fā)生其它干擾現(xiàn)銀。H 此，應用拉曼光譜擺進行定量分析是出較簡 便和快捷的°尤其是時氣休樣品的分析+可以 不經(jīng)過圍體阪附或溶液吸收等中間過程丫直

21、 接進行測定因而應用拉曼光譜法進行定董 分折成本相對來說也是比較低的- 應用拉曼光譜熬進行定分析、依據(jù)的 是拉曼效應原理口應用拉曼光譜法進釘宗量 分析時最使人感到園難的就懸分析曲線產(chǎn) 生的菲線性產(chǎn)生非線性的主要原因筆者認 為：一是分析禪品對敞射光產(chǎn)生了部分吸收 現(xiàn)象尤其是程共撮捕強拉曼光譜法中當高 強度釣液北光源徴發(fā)時，樣品產(chǎn)生了電子光灌在這種情況下樣晶易于吸收鄙分散射比. 二是澈光光源發(fā)射強度不穩(wěn)定，許多拉曼光 譜牧普贏地存住這個問題，三是在樣品分桁 測定過程中，上一個梯品與下一個樣品之間 存在著線性差異，雖然遺個線性養(yǎng)異不大，但 它可以影響分析曲線的線性這三個因素，引 境了光譜強度（縱坐標

22、和樣品濃度橫坐標 之闔產(chǎn)生非線性現(xiàn)象-克服分析曲線產(chǎn)生非 線性的方法'貝有分別對縱坐標和橫坐標進 行校正具體采用的方法是內(nèi)外標法心。在應用拉曼光譜法進行定量分析時對 內(nèi)"卜標概念的理解和解釋存在著混亂的現(xiàn) 象口這里只想強調(diào)=所謂內(nèi)標法捷臘在樣品 中不加入柱何其它基唯物，貝以樣品溶劑中 棊些廉定的波峰作為標準進行的測定而外 標法，則是指在樣品中加入一定的基準物，以 基準物的特征峰作為標準進行的測定。外標 法一般用于栓正縱坐標的測定漫差也就展 用于分柝儀器的桂唯'而橫坐標的課差，一般 僅為波教的十分之幾.因此在內(nèi)擁法中是將 樣品的謖峰與參考波峰的比值作為狡正依曙 的遺就墾

23、內(nèi)標法和外標崔的主要功能。它們 的應用范HB不同'必須正確加以運用一、內(nèi)標法什么叫內(nèi)標法？怎樣選擇內(nèi)標物？內(nèi)標法是一種間接或相對的校準方法。在分析測定樣品中某組分含量時，加入一種內(nèi)標物質(zhì)以校準和消除出于操作條件的波動而對分析結果產(chǎn)生的影響，以提高分析結果的準確度。內(nèi)標法在氣相色譜定量分析中是一種重要的技術。使用內(nèi)標法時，在樣品中加入一定量的標準物質(zhì)，它可被色譜拄所分離，又不受試樣中其它組分峰的干擾，只要測定內(nèi)標物和待測組分的峰面積與相對響應值，即可求出待測組分在樣品中的百分含量。采用內(nèi)標法定量時，內(nèi)標物的選擇是一項十分重要的工作。理想地說，內(nèi)標物應當是一個能得到純樣的己知化合物，這樣它

24、能以準確、已知的量加到樣品中去，它應當和被分析的樣品組分有基本相同 或盡可能一致的物理化學性質(zhì) （如化學結構、極性、揮發(fā)度及在溶劑中的溶解度等）、色譜行為和響應特征，最好是被分析物質(zhì)的一個同系物。當然，在色譜分析條什下，內(nèi)標物必須能與樣品中各組分充分分離。 需要指出的是，在少數(shù)情況下，分析人員可能比較關心化臺物在 一個復雜過程中所得到的回收率，此時，他可以使用一種在這種過程中很容易被完全回收的化臺物作內(nèi)標，來測定感興趣化合物的百分回收率，而不必遵循以上所說的選擇原則。在使用內(nèi)標法定量時，有哪些因素會影響內(nèi)標和被測組分的峰高或峰面積的比值？影響內(nèi)標和被測組分峰高或峰面積比值的因素主要有化學方面的

25、、色譜方面的和儀器方面的三類。由化學方面的原因產(chǎn)生的面積比的變化常常在分析重復樣品時出現(xiàn)?；瘜W方面的因素包括：i內(nèi)標物在樣品里混合不好；2、內(nèi)標物和樣品組分之間發(fā)生反應，3、內(nèi)標物純度可變等。對于一個比較成熟的方法來說，色譜方面的問題發(fā)生的可能性更大一些，色譜上常見的一些問題（如滲漏）對絕對面積的影響比較大，對面積比的影響則要小一些，但如果絕對面 積的變化已大到足以使面積比發(fā)生顯著變化的程度，那么一定有某個重要的色譜問題存在，比如進樣量改變太大， 樣品組分濃度和內(nèi)標濃度之間有很大的差別， 檢測器非線性等。 進樣 量應足夠小并保持不變， 這樣才不致于造成檢測器和積分裝置飽和。 如果認為方法比較可

26、靠， 而色譜固看來也是正常的話， 應著重檢查積分裝置和設置、 斜率和峰寬定位。 對積分裝置發(fā) 生懷疑的最有力的證據(jù)是：面積比可變，而峰高比保持相對恒定，在制作內(nèi)標標準曲線時應注意什么 ?在用內(nèi)標法做色話定量分析時， 先配制一定重量比的被測組分和內(nèi)標樣品的混合物做 色譜分析， 測量峰面積， 做重量比和面積比的關系曲線， 此曲線即為標準曲線。在實際樣品 分析時所采用的色譜條件應盡可能與制作標準曲線時所用的條件一致， 因此，在制作標準曲 線時，不僅要注明色譜條件 （如固定相、柱溫、載氣流速等 ），還應注明進樣體積和內(nèi)標物濃 度。在制作內(nèi)標標準曲線時， 各點并不完全落在直線上， 此時應求出面積比和重量比的比值