拉曼光谱仪及拉曼光谱的原理及应用

发布时间:2021-12-06 22:17:20

拉曼光谱仪及拉曼光谱的原理及应用

拉曼光谱仪

拉曼光谱由于*几年来以下几项技术的集中发展而有了更广泛的应用。这些技术是:CCD 检 测系统在*红外区域的高灵敏性, 体积小而功率大的二极管激光器, 与激发激光及信号过滤整合 的光纤探头。 这些产品连同高口径短焦距的分光光度计, 提供了低荧光本底而高质量的拉曼光谱 以及体积小、容易使用的拉曼光谱仪。

(一)含义

光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分. 非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为拉曼效应

当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时,大部分的光会按原来的 方向透射,而一小部分则按不同的角度散射开来,产生散射光。在垂直方向观察时,除了与原入 射光有相同频率的瑞利散射外, 还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉 曼谱线,这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目,位移的大小,谱线的长度直接与试样分 子振动或转动能级有关。因此,与红外吸收光谱类似,对拉曼光谱的研究,也可以得到有关分子 振动或转动的信息。 目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定, 分子结构的研究谱线特征

(二)拉曼散射光谱具有以下明显的特征:

a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同,但对同一样品,同一拉曼谱线的位移与入射 光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关;

b. 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地分布在瑞利散射线两 侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。

c. 一般情况下,斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于 Boltzmann 分布,处于振动基态 上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

(三)拉曼光谱技术的优越性

提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析,它无需样品准备,样品可 直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外

1 由于水的拉曼散射很微弱,拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。

2 拉曼一次可以同时覆盖 50-4000 波数的区间,可对有机物及无机物进行分析。相反,若让红外 光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器

3 拉曼光谱谱峰清晰尖锐,更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在 化学结构分析中,独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

4 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有 0.2-2 毫米,常规拉曼光谱只需要少量的样品就可 以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且,拉曼显微镜物镜可将激光束进 一步聚焦至 20 微米甚至更小,可分析更小面积的样品。

5 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动, 这些发色基团的拉曼 光强能被选择性地增强 1000 到 10000 倍。

(四)几种重要的拉曼光谱分析技术

1、单道检测的拉曼光谱分析技术

2、以 CCD 为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术

3、采用傅立叶变换技术的 FT-Raman 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

(五) 拉曼频移,拉曼光谱与分子极化率的关系

1、拉曼频移:散射光频与激发光频之差,取决于分子振动能级的改变,所以它是特征的 ,与入 射光的波长无关,适应于分子结构的分析

2、拉曼光谱与分子极化率的关系

分子在静电场 E 中,极化感应偶极矩 P 为静电场 E 与极化率的乘积

诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子的极化率

分子中两原子距离最大时,极化率也最大

拉曼散射强度与极化率成正比例

(六)应用激光光源的拉曼光谱法

应用激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性,与表面增强拉曼效应相结合, 便产生了表面增强拉曼光谱。其灵敏度比常规拉曼光谱可提高 104~107 倍,加之活性载体表面 选择吸附分子对荧光发射的抑制,使分析的信噪比大大提高。已应用于生物、药物及环境分析中 痕量物质的检测。 共振拉曼光谱是建立在共振拉曼效应基础上的另一种激光拉曼光谱法。 共振拉 曼效应产生于激发光频率与待测分子的某个电子吸收峰接*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 104~106 倍,有利于低浓度和微量样品的检测。已用于 无机、有机、生物大分子、离子乃至活体组成的测定和研究。激光拉曼光谱与傅里叶变换红外光 谱相配合,已成为分子结构研究的主要手段

1、共振拉曼光谱的特点:

(1)、基频的强度可以达到瑞利线的强度。

(2)、泛频和合频的强度有时大于或等于基频的强度。

(3)、通过改变激发频率,使之仅与样品中某一物质发生共振,从而选择性的研究某一物质。

(4)、和普通拉曼相比,其散射时间短,一般为 10-12~10-5S。

2、共振拉曼光谱的缺点:需要连续可调的激光器,以满足不同样品在不同区域的吸收。

(七)电化学原位拉曼光谱法

电化学原位拉曼光谱法, 是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象, 将 单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光) 激发受电极电位调制的电极表面, 通过测定散射回来的拉 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等的变化关系。一般物质分子 的拉曼光谱很微弱, 为了获得增强的信号, 可采用电极表面粗化的办法, 可以得到强度高 104-107 倍的表面增强拉曼散射(Surface Enahanced Raman Scattering, SERS) 光谱, 当具有共振拉曼效应的 分子吸附在粗化的电极表面时, 得到的是表面增强共振拉曼散射(SERRS)光谱, 其强度又能增强 102-103。

电化学原位拉曼光谱法的测量装置主要包括拉曼光谱仪和原位电化学拉曼池两个部分。 拉曼光 谱仪由激光源、收集系统、分光系统和检测系统构成, 光源一般采用能量集中、功率密度高的激 光, 收集系统由透镜组构成, 分光系统采用光栅或陷波滤光片结合光栅以滤除瑞利散射和杂散光 以及分光检测系统采用光电倍增管检测器、 半导体阵检测器或多通道的电荷藕合器件。 原位电化 学拉曼池一般具有工作电极、 辅助电极和参比电极以及通气装置。 为了避免腐蚀性溶液和气体侵 蚀仪器, 拉曼池必须配备光学窗口的密封体系。 在实验条件允许的情况下, 为了尽量避免溶液信号 的干扰, 应采用薄层溶液(电极与窗口间距为 0.1~1mm) , 这对于显微拉曼系统很重要, 光学窗片 或溶液层太厚会导致显微系统的光路改变, 使表面拉曼信号的收集效率降低。电极表面粗化的最 常用方法是电化学氧化- 还原循环(Oxidation-Reduction Cycle,ORC)法, 一般可进行原位或非原位 ORC 处理。

目前采用电化学原位拉曼光谱法测定的研究进展主要有: 一是通过表面增强处理把测检体系 拓宽到过渡金属和半导体电极。 虽然电化学原位拉曼光谱是现场检测较灵敏的方法, 但仅能有银、 铜、金三种电极在可见光区能给出较强的 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。 二是通过分析研究电极表面吸附物种的结构、 取向 及对象的 SERS 光谱与电化学参数的关系,对电化学吸附现象作分子水*上的描述。三是通过改 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”, 以分析体系的 SERS 谱峰与电 位的关系, 解决了由于电极表面的 SERS 活性位随电位而变化而带来的问题。

(八)拉曼信号的选择

入射激光的功率,样品池厚度和光学系统的参数也对拉曼信号强度有很大的影响,故多选用能 产生较强拉曼信号并且其拉曼峰不与待测拉曼峰重叠的基质或外加物质的分子作内标加以校正。 其内标的选择原则和定量分析方法与其他光谱分析方法基本相同。

斯托克斯线能量减少,波长变长

反斯托克斯线能量增加,波长变短

(九)拉曼光谱的应用方向

拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源与分子的振 动和转动。拉曼光谱的分析方向有:

定性分析:不同的物质具有不同的特征光谱,因此可以通过光谱进行定性分析。

结构分析:对光谱谱带的分析,又是进行物质结构分析的基础。

定量分析:根据物质对光谱的吸光度的特点,可以对物质的量有很好的分析能力。

(十)拉曼光谱用于分析的优点和缺点

1、拉曼光谱用于分析的优点

拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理,也没有样品的制备过程,避免了一些误差的

产生,并且在分析过程中操作简便,测定时间短,灵敏度高等优点

2、拉曼光谱用于分析的不足

(1)拉曼散射面积

(2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响

(3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰

(4)在进行傅立叶变换光谱分析时,常出现曲线的非线性的问题

(5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染,这等于引入了一些误差的可能性, 会对分析的结果产生一定的影响

(十一)新进展及发展前景

十多年来,虽然已经有一些关于在高真空体系、大气下、以及固/液体系(电化学体系)中研究 单晶金属体系表面拉曼光谱的报道[89~91],但直至*年光滑单晶电极体系的 SERS 研究才取 得了重要进展.Bryant 等记录了以单分子层吸附在光滑 Pt 电极表面的噻吩拉曼谱[89],Furtak 等使用具有 Kretchmann 光学构型的 ATR 电解池并利用表面等离子体增强效应, 获得了吸附物种 在*滑的 Ag(111)单晶面上的弱 SERS 信号[90].由于拉曼光谱系统的检测灵敏度的限制,所获 得的表面信号极弱, 无法进行较为详细的研究.Otto 小组和 Futamata 小组分别成功地采用 Otto 光 学构造的 ATR 电解池,利用表面等离子激元增强方法获得了光滑单晶电极上相对较强的表面 Raman 信号[92~94].前者发现不同的 Cu 单晶电极表面的增强因子有所不同,有较高指数或台 阶的晶面的信号明显增强[92].Futamata 等甚至可在 Pt 和 Ni 金属的单晶表面上观察到 SERS 信号, 计算表明其表面增强因子为 1~2 个数量级[93].目前可用于单晶表面电极体系的 SERS 研究还局限于 Raman 散射截面很大的极少数分子,尚需进一步改进和寻找实验方法,以拓宽可 研究的分子体系.若能成功地将各种单晶表面电极的 SERS 信号与经过不同粗糙方式处理的电极 表面信号进行系统地比较和研究, 不但对定量研究 SERS 机理和区分不同增强机制的贡献大有益 处, 而且将有利于提出正确和可靠的拉曼光谱的表面选择定律.

随着纳米科学技术的迅速发展, 各类制备不同纳米颗粒以及二维有序纳米图案的技术和方法 将日益成熟, 人们可以比较方便地在理论的指导下,寻找在过渡金属上产生强 SERS 效应的最佳

实验条件.这些突破无疑将为拉曼光谱技术广泛应用于各种过渡金属电极和单晶电极体系的研究 开创新局面.总之, 通过摸索合适的表面处理方法并采用新一代高灵敏度的拉曼谱仪, 可将拉曼光 谱研究拓展至一系列重要的过渡金属和半导体体系, 进而将该技术发展成为一个适用性广、研究 能力强的表面(界面)谱学工具,同时推动有关表面(界面)谱学理论的发展.

各种相关的检测和研究方法也很可能得到较迅速的发展和提高.在提高检测灵敏度的基础上, 人们已不满足于仅仅检测电极表面物种, 而是注重通过提高其检测分辨率(包括谱带分辨、 时间分 辨和空间分辨)来研究电化学界面结构和表面分子的细节和动态过程.今后的主要研究内容可能 从稳态的界面结构和表面吸附逐渐扩展至其反应的动态过程,并深入至分子内部的各基团, 揭示 分子水*上的化学反应(吸附)动力学规律, 研究表面物种间以及同电解质离子或溶剂分子间的弱 相互作用等.例如将电化学暂态技术(时间-电流法、超高速循环伏安法)同时间分辨光谱技术结 合, 开展时间分辨为 ms 或 μs 级的研究[95].采用 SERS 同电化学暂态技术结合进行的时间分辨 实验可检测鉴别电化学反应的产物及中间物[96], 新一代的增强型电荷耦合列阵检测器(ICCD) 和新一代的拉曼谱仪(如: 富立叶变换拉曼仪和哈德玛变换仪)的推出, 都将为时间分辨拉曼光谱 在电化学的研究提供新手段.最*, 我们利用电化学本身的优势, 提出的电位*均表面增强拉曼散 射 he(Potential Averaged SERS, PASERS)新方法[17], 通过在 Ag 和 Pt 微电极上采集在不同调制 电位频率下的 PASERS 谱, 并进行解谱, 可在不具备从事时间分辨研究条件的仪器上进行时间分 辨为 μs 级的电化学时间分辨拉曼光谱研究.拉曼光谱研究的另一发展方向是采用激光拉曼光谱微 区显微技术[97]开展空间分辨研究并进而开展电极表面微区结构与行为的研究.Fujishima 等人 利用共焦显微拉曼系统和 SERS 技术发展了表面增强拉曼成像技术, 并研究了 SERS 活性银表面 吸附物以及自组装膜的 SERI 图象[98,99].该技术和具有三维空间分辨的共焦显微 Raman 光谱 方法在研究导电高聚物、 L-B 膜和自组装膜电极以及电极钝化膜和微区腐蚀等方面将发挥其重要 作用[98~100].突破光学衍射极限的、空间分辨值达数十纳米的*场光学 Raman 显微技术则 很可能异军突起[101].为多方位获得详细信息,达到取长补短的目的,开展 Raman 光谱与其 他先进技术联用的研究势在必行.光导纤维技术可在联用耦合方面发挥关键作用[102,103],如 将表面 Raman 光谱技术与扫描探针显微技术进行实时联用[104].针对性的联用技术可望较全 面地研究复杂体系并准确地解释疑难的实验现象,为各种理论模型和表面选则定律提供实验数 据, 促进谱学电化学的有关理论和表面量子化学理论的发展.可以预见, 在不久的将来,随着表面 检测技术的快速发展,SERS 及其应用于电化学的研究将进入一个新的阶段.


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