拉曼光譜原理及應用前景

    拉曼光譜由于近幾年來以下幾項技術(shù)的集中發(fā)展而有了更廣泛的應用。這些技術(shù)是：CCD檢測系統(tǒng)在近紅外區(qū)域的高靈敏性，體積小而功率大的二極管激光器，與激發(fā)激光及信號過濾整合的光纖探頭。這些產(chǎn)品連同高口徑短焦距的分光光度計，提供了低熒光本底而高質(zhì)量的拉曼光譜以及體積小、容易使用的拉曼光譜儀。

（一）含義

光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分, 統(tǒng)稱為拉曼效應

當用波長比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時，大部分的光會按原來的方向透射，而一小部分則按不同的角度散射開來，產(chǎn)生散射光。在垂直方向觀察時，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射外，還有一系列對稱分布著若干條很弱的與入射光頻率發(fā)生位移的拉曼譜線，這種現(xiàn)象稱為拉曼效應。由于拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動或轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。因此，與紅外吸收光譜類似，對拉曼光譜的研究，也可以得到有關(guān)分子振動或轉(zhuǎn)動的信息。目前拉曼光譜分析技術(shù)已廣泛應用于物質(zhì)的鑒定，分子結(jié)構(gòu)的研究譜線特征

（二）拉曼散射光譜具有以下明顯的特征：

a.拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)；

b. 在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側(cè), 這是由于在上述兩種情況下分別相應于得到或失去了一個振動量子的能量。

c. 一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。

（三）拉曼光譜技術(shù)的*性

提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外

1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。

2 拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器

3 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結(jié)構(gòu)分析中，獨立的拉曼區(qū)間的強度可以和功能集團的數(shù)量相關(guān)。

4 因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。

5 共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發(fā)色基團的振動，這些發(fā)色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。

（四）幾種重要的拉曼光譜分析技術(shù)

1、單道檢測的拉曼光譜分析技術(shù)

2、以CCD為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術(shù)

3、采用傅立葉變換技術(shù)的FT-Raman光譜分析技術(shù)

4、共振拉曼光譜分析技術(shù)

5、表面增強拉曼效應分析技術(shù)

（五）  拉曼頻移，拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系

1、拉曼頻移：散射光頻與激發(fā)光頻之差，取決于分子振動能級的改變，所以它是特征的，與入射光的波長無關(guān)，適應于分子結(jié)構(gòu)的分析

2、拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系

分子在靜電場E中，極化感應偶極矩P為靜電場E與極化率的乘積

誘導偶極矩與外電場的強度之比為分子的極化率

分子中兩原子距離zui大時，極化率也zui大

拉曼散射強度與極化率成正比例

（六）應用激光光源的拉曼光譜法

    應用激光具有單色性好、方向性強、亮度高、相干性好等特性，與表面增強拉曼效應相結(jié)合，便產(chǎn)生了表面增強拉曼光譜。其靈敏度比常規(guī)拉曼光譜可提高104~107倍，加之活性載體表面選擇吸附分子對熒光發(fā)射的抑制，使分析的信噪比大大提高。已應用于生物、藥物及環(huán)境分析中痕量物質(zhì)的檢測。共振拉曼光譜是建立在共振拉曼效應基礎上的另一種激光拉曼光譜法。共振拉曼效應產(chǎn)生于激發(fā)光頻率與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度可達到正常拉曼譜帶的104~106倍，有利于低濃度和微量樣品的檢測。已用于無機、有機、生物大分子、離子乃至活體組成的測定和研究。激光拉曼光譜與傅里葉變換紅外光譜相配合，已成為分子結(jié)構(gòu)研究的主要手段

1、共振拉曼光譜的特點：

（1）、基頻的強度可以達到瑞利線的強度。

（2）、泛頻和合頻的強度有時大于或等于基頻的強度。

（3）、通過改變激發(fā)頻率，使之僅與樣品中某一物質(zhì)發(fā)生共振，從而選擇性的研究某一物質(zhì)。

（4）、和普通拉曼相比，其散射時間短，一般為10-12~10-5S。

2、共振拉曼光譜的缺點：需要連續(xù)可調(diào)的激光器，以滿足不同樣品在不同區(qū)域的吸收。

（七）電化學原位拉曼光譜法

    電化學原位拉曼光譜法, 是利用物質(zhì)分子對入射光所產(chǎn)生的頻率發(fā)生較大變化的散射現(xiàn)象, 將單色入射光（包括圓偏振光和線偏振光） 激發(fā)受電極電位調(diào)制的電極表面, 通過測定散射回來的拉曼光譜信號（頻率、強度和偏振性能的變化）與電極電位或電流強度等的變化關(guān)系。一般物質(zhì)分子的拉曼光譜很微弱, 為了獲得增強的信號, 可采用電極表面粗化的辦法, 可以得到強度高104-107倍的表面增強拉曼散射（Surface Enahanced Raman Scattering, SERS） 光譜, 當具有共振拉曼效應的分子吸附在粗化的電極表面時, 得到的是表面增強共振拉曼散射（SERRS）光譜, 其強度又能增強102-103。

    電化學原位拉曼光譜法的測量裝置主要包括拉曼光譜儀和原位電化學拉曼池兩個部分。拉曼光譜儀由激光源、收集系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)構(gòu)成, 光源一般采用能量集中、功率密度高的激光, 收集系統(tǒng)由透鏡組構(gòu)成, 分光系統(tǒng)采用光柵或陷波濾光片結(jié)合光柵以濾除瑞利散射和雜散光以及分光檢測系統(tǒng)采用光電倍增管檢測器、半導體陣檢測器或多通道的電荷藕合器件。原位電化學拉曼池一般具有工作電極、輔助電極和參比電極以及通氣裝置。為了避免腐蝕性溶液和氣體侵蝕儀器, 拉曼池必須配備光學窗口的密封體系。在實驗條件允許的情況下, 為了盡量避免溶液信號的干擾, 應采用薄層溶液（電極與窗口間距為0.1～1mm） , 這對于顯微拉曼系統(tǒng)很重要, 光學窗片或溶液層太厚會導致顯微系統(tǒng)的光路改變, 使表面拉曼信號的收集效率降低。電極表面粗化的zui常用方法是電化學氧化- 還原循環(huán)（Oxidation-Reduction Cycle,ORC）法, 一般可進行原位或非原位ORC處理。

目前采用電化學原位拉曼光譜法測定的研究進展主要有: 一是通過表面增強處理把測檢體系拓寬到過渡金屬和半導體電極。雖然電化學原位拉曼光譜是現(xiàn)場檢測較靈敏的方法, 但僅能有銀、銅、金三種電極在可見光區(qū)能給出較強的SERS。許多學者試圖在具有重要應用背景的過渡金屬電極和半導體電極上實現(xiàn)表面增強拉曼散射。二是通過分析研究電極表面吸附物種的結(jié)構(gòu)、取向及對象的SERS 光譜與電化學參數(shù)的關(guān)系,對電化學吸附現(xiàn)象作分子水平上的描述。三是通過改變調(diào)制電位的頻率, 可以得到在兩個電位下變化的“時間分辨譜”, 以分析體系的SERS 譜峰與電位的關(guān)系, 解決了由于電極表面的SERS 活性位隨電位而變化而帶來的問題。

（八）拉曼信號的選擇

   入射激光的功率，樣品池厚度和光學系統(tǒng)的參數(shù)也對拉曼信號強度有很大的影響，故多選用能產(chǎn)生較強拉曼信號并且其拉曼峰不與待測拉曼峰重疊的基質(zhì)或外加物質(zhì)的分子作內(nèi)標加以校正。其內(nèi)標的選擇原則和定量分析方法與其他光譜分析方法基本相同。

斯托克斯線能量減少，波長變長

反斯托克斯線能量增加，波長變短

（九）拉曼光譜的應用方向

    拉曼光譜分析技術(shù)是以拉曼效應為基礎建立起來的分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù),其信號來源與分子的振動和轉(zhuǎn)動。拉曼光譜的分析方向有：

定性分析：不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進行定性分析。

結(jié)構(gòu)分析：對光譜譜帶的分析,又是進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎。

定量分析：根據(jù)物質(zhì)對光譜的吸光度的特點,可以對物質(zhì)的量有很好的分析能力。

（十）拉曼光譜用于分析的優(yōu)點和缺點

1、拉曼光譜用于分析的優(yōu)點

拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進行前處理，也沒有樣品的制備過程，避免了一些誤差的產(chǎn)生，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短，靈敏度高等優(yōu)點

2、拉曼光譜用于分析的不足

（1）拉曼散射面積

（2）不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響

（3）熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾

（4）在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性的問題

（5）任何一物質(zhì)的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響

（十一）新進展及發(fā)展前景

    十多年來，雖然已經(jīng)有一些關(guān)于在高真空體系、大氣下、以及固/液體系（電化學體系）中研究單晶金屬體系表面拉曼光譜的報道［89～91］，但直至近年光滑單晶電極體系的SERS研究才取得了重要進展.Bryant等記錄了以單分子層吸附在光滑Pt電極表面的噻吩拉曼譜［89］，Furtak等使用具有Kretchmann光學構(gòu)型的ATR電解池并利用表面等離子體增強效應，獲得了吸附物種在平滑的Ag（111）單晶面上的弱SERS信號［90］.由于拉曼光譜系統(tǒng)的檢測靈敏度的限制，所獲得的表面信號極弱，無法進行較為詳細的研究.Otto小組和Futamata小組分別成功地采用Otto光學構(gòu)造的ATR電解池，利用表面等離子激元增強方法獲得了光滑單晶電極上相對較強的表面Raman信號［92～94］.前者發(fā)現(xiàn)不同的Cu單晶電極表面的增強因子有所不同，有較高指數(shù)或臺階的晶面的信號明顯增強［92］.Futamata等甚至可在Pt和Ni金屬的單晶表面上觀察到SERS信號, 計算表明其表面增強因子為1～2個數(shù)量級［93］.目前可用于單晶表面電極體系的SERS研究還局限于Raman散射截面很大的極少數(shù)分子，尚需進一步改進和尋找實驗方法，以拓寬可研究的分子體系.若能成功地將各種單晶表面電極的SERS信號與經(jīng)過不同粗糙方式處理的電極表面信號進行系統(tǒng)地比較和研究, 不但對定量研究SERS機理和區(qū)分不同增強機制的貢獻大有益處, 而且將有利于提出正確和可靠的拉曼光譜的表面選擇定律.

    隨著納米科學技術(shù)的迅速發(fā)展, 各類制備不同納米顆粒以及二維有序納米圖案的技術(shù)和方法將日益成熟, 人們可以比較方便地在理論的指導下，尋找在過渡金屬上產(chǎn)生強SERS效應的*實驗條件.這些突破無疑將為拉曼光譜技術(shù)廣泛應用于各種過渡金屬電極和單晶電極體系的研究開創(chuàng)新局面.總之，通過摸索合適的表面處理方法并采用新一代高靈敏度的拉曼譜儀, 可將拉曼光譜研究拓展至一系列重要的過渡金屬和半導體體系, 進而將該技術(shù)發(fā)展成為一個適用性廣、研究能力強的表面（界面）譜學工具，同時推動有關(guān)表面（界面）譜學理論的發(fā)展.

    各種相關(guān)的檢測和研究方法也很可能得到較迅速的發(fā)展和提高.在提高檢測靈敏度的基礎上，人們已不滿足于僅僅檢測電極表面物種, 而是注重通過提高其檢測分辨率（包括譜帶分辨、時間分辨和空間分辨）來研究電化學界面結(jié)構(gòu)和表面分子的細節(jié)和動態(tài)過程.今后的主要研究內(nèi)容可能從穩(wěn)態(tài)的界面結(jié)構(gòu)和表面吸附逐漸擴展至其反應的動態(tài)過程,并深入至分子內(nèi)部的各基團, 揭示分子水平上的化學反應（吸附）動力學規(guī)律, 研究表面物種間以及同電解質(zhì)離子或溶劑分子間的弱相互作用等.例如將電化學暫態(tài)技術(shù)（時間-電流法、超高速循環(huán)伏安法）同時間分辨光譜技術(shù)結(jié)合, 開展時間分辨為ms或μs級的研究［95］.采用SERS同電化學暫態(tài)技術(shù)結(jié)合進行的時間分辨實驗可檢測鑒別電化學反應的產(chǎn)物及中間物［96］, 新一代的增強型電荷耦合列陣檢測器（ICCD）和新一代的拉曼譜儀（如:  富立葉變換拉曼儀和哈德瑪變換儀）的推出, 都將為時間分辨拉曼光譜在電化學的研究提供新手段.zui近, 我們利用電化學本身的優(yōu)勢, 提出的電位平均表面增強拉曼散射he（Potential Averaged SERS, PASERS）新方法［17］, 通過在Ag和Pt微電極上采集在不同調(diào)制電位頻率下的PASERS譜, 并進行解譜, 可在不具備從事時間分辨研究條件的儀器上進行時間分辨為μs級的電化學時間分辨拉曼光譜研究.拉曼光譜研究的另一發(fā)展方向是采用激光拉曼光譜微區(qū)顯微技術(shù)［97］開展空間分辨研究并進而開展電極表面微區(qū)結(jié)構(gòu)與行為的研究.Fujishima等人利用共焦顯微拉曼系統(tǒng)和SERS技術(shù)發(fā)展了表面增強拉曼成像技術(shù)，并研究了SERS活性銀表面吸附物以及自組裝膜的SERI圖象［98,99］.該技術(shù)和具有三維空間分辨的共焦顯微Raman光譜方法在研究導電高聚物、L-B膜和自組裝膜電極以及電極鈍化膜和微區(qū)腐蝕等方面將發(fā)揮其重要作用［98～100］.突破光學衍射極限的、空間分辨值達數(shù)十納米的近場光學Raman顯微技術(shù)則很可能異軍突起［101］.為多方位獲得詳細信息，達到取長補短的目的，開展Raman光譜與其他*技術(shù)聯(lián)用的研究勢在必行.光導纖維技術(shù)可在聯(lián)用耦合方面發(fā)揮關(guān)鍵作用［102,103］，如將表面Raman光譜技術(shù)與掃描探針顯微技術(shù)進行實時聯(lián)用［104］.針對性的聯(lián)用技術(shù)可望較全面地研究復雜體系并準確地解釋疑難的實驗現(xiàn)象，為各種理論模型和表面選則定律提供實驗數(shù)據(jù), 促進譜學電化學的有關(guān)理論和表面量子化學理論的發(fā)展.可以預見, 在不久的將來，隨著表面檢測技術(shù)的快速發(fā)展，SERS及其應用于電化學的研究將進入一個新的階段.

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