拉曼光谱技术的应用及研究进展

1、文章编号 :100425929(2005 0220180207拉曼光谱技术的应用及研究进展伍 林 1,2, 欧阳兆辉 1,2, 曹淑超 2, 易德莲 2, 秦晓蓉 2, 孙少学 2, 刘 2(1. 2. , , 摘 要 :, 讨论了拉曼光谱在聚合物 、 生物分子 、 蛋 、 共焦显微拉曼 、 表面增强激光拉曼 、 固体光声拉 。关键词 :; ; 表面增强激光拉曼中图法分类号 :O647137 文献标识码 :AR esearch Development and Application ofR am an Scattering T echnologyWU Lin 1,2, OU YAN G zha

2、o 2hui 1,2, CAO Shu 2chao 2, YI De 2lian 2,Q IN Xiao 2rong 2, SUN Shao 2xue 2, L IU Xia 2(1. Hubei Provi nce Key L aboratory of Ceram ics and Ref ractories , W uhan U niversity of Science and Technology , W uhan Chi na ;2. Research Instit ute of A pplied Chemist ry , W uhan U niversity of Science an

3、d Technology , W uhan Chi na Abstract :The simply mechanical principle of generating Raman spectroscopy and the difference between Raman scattering and infra -red spectroscopy were introduced in this paper. The re 2search development and application of Raman spectroscopy in polymer , biological mole

4、cule , protein , inorganic substance were discussed. The principle and application of F T -Raman , confocal microprobe Raman , surface -Enhance -laser -Raman , photoacoustic Raman spec 2troscopy in solid and combined inspection technology of Raman scattering with other inspection methods , such as w

5、ith liquid chromatography , optical fiber probe , etc were summarized.K ey w ords :Raman spectroscopy ; confocal microprobe Raman ; surface enhance laser Raman拉曼光谱是一种散射光谱 , 它是 1928年印度物理学家 C. V. Raman 发现的 。 拉曼光谱作为一种 物质结构的分析测试手段而被广泛应用 , 尤其是 60年代以后 , 激光光源的引入 、 微弱信号检测技术的 提高和计算机的应用 , 使拉曼光谱分析在许多应用领域取得很大的发

6、展 。 目前 , 拉曼光谱已广泛应用 于材料 、 化工 、 石油 、 高分子 、 生物 、 环保 、 地质等领域 。 就分析测试而言 , 拉曼光谱和红外光谱相配合081 收稿日期 :2004209213 修改稿收到日期 :2004211229基金项目 :湖北省自然科学基金资助 (批准号 :2003ABA075 ;湖北省高温陶瓷与耐火材料重点实验室基金资助 (批准号 :2004A011 。第 17卷 第 2期2005年 7月 光 散 射 学 报 CHIN ESE JOURNAL OF L IGHT SCATTERIN G Vol 117 No 12J uly 12005使用可以更加全面地研究分子

7、的振动状态 , 提供更多的分子结构方面的信息 1。1 拉曼光谱的应用拉曼光谱是研究分子振动的一种光谱方法 , 它的原理和机制都与红外光谱不同 , 但它提供的结构 信息却是类似的 , 都是关于分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况 , 从而可以用来鉴定分 子中存在的官能团 。 分子偶极矩变化是红外光谱产生的原因 , , 它的谱线强度取决于相应的简正振动过程中极化率的变化的大小 , 拉曼光谱与 红外光谱是相互补充的 。 例如 :电荷分布中心对称的键 , 如 C C S S , 而 拉曼散射却很强 2, 因此 , 。拉曼光谱还可测定分子的退偏比 , 。 拉曼的缺点是检测灵敏度非常低 , 因为典

8、型的电化学体系是由固 -液两个凝聚相组成的 , 3。1. 1 随着 F T -拉曼光谱中的应用 , 使信噪比 、 光谱范围和精度大大增加 。 广义二 维 F T -拉曼相关光谱和带色散仪及多道探测器的近红外 F T -拉曼光谱得到迅速发展 , 以及多变量 分析法的应用使拉曼光谱可应用于过程监控和定量分析 , 这使拉曼技术在高分子科学中起着越来越 重要的作用 。通常用红外光谱研究含氢键的聚合物相容性 。 无氢键的聚合物共混物内的特殊相互作用的振动 光谱研究很少有报道 。 最近发展起来的广义二维 F T -拉曼相关光谱 4, 通过选择相关谱带可确定 各种分子间相互作用以及共混物中特殊相互作用与其相

9、容性的关系 , 不仅能提供无氢键共混物的组 成与共混物的构形 、 特殊相互作用及相容性的关系的信息 , 而且还可研究相容性与氢键的关系 。实验室分析聚合物固化过程常采用 DSC ,DSC 的样品用量少 , 样品薄 , 使聚合产生的热快速有效 地散失 , 反应控制在假等温状态 。 然而 , 工业上大多数聚合物和复合材料都较厚 , 使聚合产生的热不 能快速散失 , 这样厚样品的 DSC 分析并不理想 , 并且 DSC 是脱线测量 , 不能进行实时监测 。光纤拉 曼光谱的应用解决了这个问题 , 它能直接监测大量聚合物和薄膜的固化反应过程 5 7。 Myrick 等 5,6设计了一个新的探针 , 增大

10、了信噪比 , 使光纤拉曼光谱能直接实时监测固化反应 , 可快速获取 光谱数据 , 进而确定反应温度和化学结构 , 并可由多变量技术快速定量地测定固化百分率 。 拉曼技术 除用于研究聚合物共混物的相容性 、 固化过程监测 , 还可用于表面增塑机理 、 聚合反应监控聚合物结 晶过程监控 、 聚合物水溶液和凝胶体系中水的结构及分子间 、 分子内相互作用力的研究 8。1. 2 用于生物大分子的研究近年来 , 逐渐用激光拉曼光谱研究各种生物高分子的结构及它们在水溶液中的构型随 p H 、 离子 强度 、 极化温度的变化情况 。 在生物体系研究方面 , 表面增强拉曼散射可直接分析水相生物分子的结 构状态

11、, 且样品用量少 , 与其他方法相比有着明显的优势 。 科研人员利用表面增强拉曼技术解决了生 物化学 、 生物物理和分子生物学中的许多难题 , 包括分子的特殊基团 (如氨基酸中的氨基 、 羧基 、 芳环 等 与界面的相互作用 、 生物分子与金属表面的键合方式 、 DNA 、 RNA 、 卟啉在银溶胶上的吸附状态等 研究 9。利用在线拉曼光谱的方法 10, 跟踪阿司匹林合成反应过程的实验 , 直接观测到反应过程中体系 的拉曼光谱随时间的变化 。 用小波变换的方法去除光谱的本底之后 , 又利用多波长线性回归的方法 对实验数据进行实时的处理 , 得到了实验中各组分的相对浓度随时间的变化 。 郝雅琼

12、11利用表面增 强拉曼散射光谱对半胱氨酸小分子在银基底表面的吸附方式 、 作用机理进行了详细的探讨和研究 , 为 利用分子光谱探索含硒酶活性机理和进一步提高酶活性奠定基础 。 Vergote 12利用 F T -Raman (和 光纤探针连用 探测药物的合成过程 , 试验结果证明 F T -Raman 光谱仪是一种成功的检测手段 。1. 3 用于多肽及蛋白质的构型的研究181 第 2期 伍 林 :拉曼光谱技术的应用及研究进展 2005年用常规的方法难于检测多肽及蛋白质的结构 , 或者是方法过于复杂 , 不易操作 。 现在利用拉曼光 谱分析多肽及蛋白质的构型的研究国内外均有报道 。 国外科研人员

13、以银胶和银电极为活性基体的表 面增强拉曼光谱与流动注射分析联用 , 成功地获取到嘌呤和嘧啶类化合物的结构信息 。采用光谱电 化学电解池 , 可检测到低于 10-9mol/L 的生物活性物质和 Fe (II 。 余多慰等 13利用拉曼光谱分析 , 对酸是否能导致 DNA 中部分嘌呤 、 嘧啶的脱落 , 并分析其原因是否与嘧啶的质子化可能强于嘌呤有 关 。1. 4 用于无机物及金属配合物的研究 拉曼光谱可测定某些在红外光谱中无吸收 , 。 例如 :利用拉曼光谱可以检测水溶液的汞离子 。, 14利用拉曼散射方法对改进 Lely 法生长的 SiC -SiC , 样品中存在较多的缺陷 , 有 4H -S

14、iC 晶型 , 首次给出了 。 Nakashima 15也利用拉曼散射研 究了 SiC 。 X -衍射 、 电子扫描 、 离子柱分析以及 。 程红艳 16利用拉曼光谱对 C 60衍生物研究发现 ,C 60衍生物的 , 说明有机官能团的出现使得 C 60分子的结构发生了变化 。 Prabakar 17利用 Cd 0. 6Zn 0. 4Te 多晶体所表现拉曼光谱的性质 , 分析 Cd 0. 6Zn 0. 4Te 多晶体薄膜的结构 , 拉曼散射实验表 明薄膜的表面被 Te 腐蚀并且被氧化 , 其测试结果与 XPS 检测结果相一致 。2 拉曼光谱技术自拉曼效应在 1928年被发现以后 ,30年代拉曼光

15、谱曾是研究分子结构的主要手段 , 此时的拉曼 光谱仪是以汞弧灯为光源 , 物质产生的拉曼散射谱线极其微弱 , 因此应用受到限制 , 直至 60年代激光 光源的问世 , 以及光电讯号转换器件的发展才给拉曼光谱带来新的转机 。 70年代中期 , 激光拉曼探 针的出现 , 给微区分析注入活力 。 80年代以来 , 美国 Spex 公司和英国 Rrinshow 公司相继推出了拉 曼探针共焦激光拉曼光谱仪 , 由于采用了凹陷滤波器 (notch filter 来过滤掉激发光 , 使杂散光得到抑 制 , 因而不在需要采用双联单色器甚至三联单色器 , 而只需要采用单一单色器 , 使光源的效率大大提 高 ,

16、这样入射光的功率可以很低 , 灵敏度得到很大的提高 。 Dilor 公司推出了多测点在线工业用拉曼 系统 , 采用的光纤可达 200m , 从而使拉曼光谱的应用范围更加广阔 。2. 1 傅立叶变换拉曼光谱技术傅立叶变换拉曼光谱是上世纪 90年代发展起来的新技术 , 采用傅立叶变换技术对信号进行收 集 , 多次累加来提高信噪比 , 并用 1064mm 的近红外激光照射样品 , 大大减弱了荧光背景 。从此 , F T -Raman 在化学 、 生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力 。近几年 来 , 化学工作者们对 F T -Raman 光谱仍在不断探索 。 王斌等 18采

17、用 F T -Raman 光谱仪对蛋白质样 品进行多次扫描 , 曲线拟合原始光谱图 , 以子峰面积表征对应二级结构含量 , 从而对蛋白质二级结构 进行定量分析 。 可以根据人体正常组织和病变组织的 F T -Raman 光谱差异从分子水平鉴别和研究 病变的起因 19,20。 王志国 21采用近红外傅立叶变换拉曼光谱技术直接 、 准确 、 快速 、 无损对 27种染 色纤维样品进行了检验 , 同时得到了它们的本底纤维和染料的拉曼谱图 。然后利用计算机谱图处理 程序进行拉曼差谱处理 , 获得了染色纤维上染料的拉曼谱图 , 由此能够实现对纤维上染料的鉴定 。 F T -Raman 光谱技术还应用在测

18、定家兔体液中的葡萄糖含量 22、 亚麻油的组分 23、 碳酸钙的固相 分析 24以及共聚物 25、 金属有机化合物的结构研究等 。2. 2 表面增强拉曼光谱技术表面增强拉曼散射 (SERS 效应是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中 , 吸附分子的拉 曼散射信号比普通拉曼散射 (NRS 信号大大增强的现象 。 表面增强拉曼克服了拉曼光谱灵敏度低的 缺点 , 可以获得常规拉曼光谱所不易得到的结构信息 , 被广泛用于表面研究 、 吸附界面表面状态研究 、 281 第 17卷 第 2期2005年 7月 光 散 射 学 报 CHIN ESE JOURNAL OF L IGHT SCATTERIN

19、G Vol 117 No 12J uly 12005生物大小分子的界面取向及构型 、 构象研究 、 结构分析等 , 可以有效分析化合物在界面的吸附取向 、 吸 附态的变化 、 界面信息等 26,27。朱知良等 28利用表面增强拉曼光谱 (SERS 研究了 L -天冬氨酸在银溶胶体中的吸附状态及其 浓度变化对表面增强拉曼散射效应的影响 , 并探讨了 L -天冬氨酸在银溶胶表面的吸附作用的特点 和规律 。 仇立群 29等人采用高灵敏度的表面增强拉曼光谱 (SERS 技术 , 以具有强 SERS 信号的金 纳米粒子标记抗体 , 以 SERS 标记免疫金溶胶为探针 , 结合扫描电镜技术 , Ig G

20、分子与银基底的相互作用 。 准确控制并全面了解免疫球蛋白 Ig G , 对于 医学免疫检测有极其重要的意义 。2. 3 激光共振拉曼光谱激光共振拉曼光谱 (RRS , 这一分子 106倍 , 并观察到正常拉曼效应中难以 出现的 、 。 与正常拉曼光谱相比 , 共振拉曼光谱灵敏度 高 , 特别适用于生物大分子样品检测 , 可不加处理得到人体体液的拉 曼谱图 。 , 还可得到有关分子对称性的信息 。 RRS 在低浓度样品的检测和 , 发挥着重要作用 。 结合表面增强技术 , 灵敏度已达到单分子检测 30。近年来 , 人 们发现许多生物分子的电子吸收位于紫外区 , 加强了对生物样品的紫外共振拉曼研究

21、 , 利用紫外共振 拉曼技术先后研究了蛋白质 、 核酸 31、 DNA 32、 丝状病毒粒子 33等 。2. 4 共焦显微拉曼光谱在光谱本质上 , 共焦显微拉曼仪与普通的激光拉曼仪没有区别 , 只是在光路中引进了共焦显微 镜 , 从而消除来自样品的离焦区域的杂散光 , 形成空间滤波 , 保证了探测器到达的散光是激光采样焦 点薄层微区的信号 , 可在电化学体系的电极表面行为和电极溶液截面等方面研究中 , 可获得真实的分 子水平的信息 。显微共焦拉曼光谱仪测量样品可以小到 1m 的量级 , 尤其适用于宝石中细小包裹体的测量 , 使 得可以准确了解包裹体的成分 、 结构 、 对称性 。 祖恩东等人

22、34利用共焦显微拉曼鉴定宝石 , 与传统的 宝石鉴定法相比 , 拉曼光谱给出的信息属于物质深层次信息 , 是物质成分 、 结构的综合信息 , 具有更大 的可靠性 、 准确性 。 乔俊莲 35等人利用显微拉曼光谱仪获得了酸性红和酸性黑染料在银溶胶上的表 面增强拉曼光谱 , 讨论了其在银表面的吸附取向及其强度与浓度的关系 。2. 5 高温拉曼光谱技术为了能揭示熔体的微观结构 , 高温下的物理化学反应 , 诸如在冶金熔体 、 地质反应及晶体生长过 程 , 测试必须在高温下进行 , 这样既能得到反应物和产物的结构信息 , 还可获取反应中间体及其变化 过程的信息 。 常温下的常规拉曼光谱 , 在今天 ,

23、 正经受着来自理论研究和生产实践新的不断的挑战 。 而在高温下测定拉曼光谱则需专门的技术 。 主要问题在于温度愈高 , 背景的热辐射愈强烈 , 因而需对 仪器装置作必要的改造 。 现在研制成功的显微高温拉曼光谱仪具有所需样品量少 , 升温速率快 , 空间分辨率高 (精度 12m , 可选气体保护 , 操作和测定简便等特点 。 宏观高温拉曼光谱仪具有极高的 信背和信噪比 , 可完全消除杂散光的干扰 ; 同时 , 样品可程序控温 。 目前 , 高温拉曼光谱技术已应用于 晶体生长 、 冶金熔渣 、 地质岩浆等物质的高温结构研究 , 揭示物质分子结构的主要手段之一 。2. 6 拉曼光谱与光导纤维技术的

24、联用光导纤维的引入 , 使拉曼光谱仪用于工业在线分析以及现场遥测分析成为可能 。 Huy 等 36使用两个 10m 长 、 100m 直径的光纤 , 激光波长为 514. 5nm , 对苯 /庚烷混合物进行分析 , 获得非常好的结 果 。 Benoit 等 37将光导纤维传感器用于拉曼光谱仪 , 使得液体样品的拉曼信号增强了 50倍 。 Cooney 等人 38比较单个光纤与多个光纤应用于拉曼光谱仪的结果 , 发现多个光纤的应用将改善收 集拉曼光的有效性 。 Cooper 等 39利用光纤遥控拉曼技术分析了石油染料中的二甲苯异构体 。近年来 , 国外将 1550nm 光纤激光器 、 EDFA

25、光纤放大器技术应用于拉曼散射型分布光纤温度传381 第 2期 伍 林 :拉曼光谱技术的应用及研究进展 2005年感器系统 , 取得了较好的结果 40。 分布式光纤拉曼光子温度传感器已成为光纤传感技术和检测技术 的发展趋势 。 由于它具有独特的性能 , 因此已成为工业过程控制中的一种新的检测装置 , 发展成一个 工业自动化测量网络 。2. 7 固体光声拉曼技术光声拉曼技术是通过光声方法来直接探测样品中因相干拉曼过程而存储能量的一种非线性光存 储技术 。 光声拉曼信号正比于固体介质三阶拉曼极化率的虚部 , , 因而完全 避免了非共振拉曼散射的影响 , 并且克服了传统的光学法受瑞利散射 , , 具有

26、 高灵敏度 (能探测到 10-6cm -1的拉曼系数 、 41。在气体 、 液 体样品的检测分析中获得了理想的效果 42位匹配角要求 , 光声拉曼光谱技术过程 , , , 三阶非线性拉曼极化率张量形式 , , , 导出固体介质样品中光声拉曼信 号的解析式 , 。2. 8 拉曼光谱与其它光谱的联用拉曼光谱作为一种提供分子结构信息的分析手段 , 具有广泛的应用前景 , 但对于结构极其相似的 分子直接进行分析不易做出准确的判断 。 早在 80年代末 90年代初 , 已有 Raman 液相色谱联用的报 道 。 目前此方面的研究仍不断深入 , 进一步拓宽了拉曼光谱分析的应用范围 43。气相色谱 (GC

27、作为一种有效的分离手段应用面极广 , 将表面增强拉曼技术作为 GC 的一种检测 器也已有应用 44, 此方法分析了吡啶类化合物 , 达到满意的结果 。表面增强拉曼光谱是获得稀溶液拉曼光谱信息强有力的手段 , 许多学者在此方面进行过研 究 45,fateley 46将薄层色谱与表面增强拉曼技术相结合则进一步使混合物的分离和结构测定一次完 成 。Futamata 47将衰减全反射装置 (A TR 用于拉曼光谱 , 改善了金属表面吸收物质的拉曼光谱强 度 , 提高了方法的灵敏度 , 此方法的优点是通过改变内反射晶体的材料和光线的入射角来改变透射深 度 , 以研究不同深度的结构情况 。3 拉曼光谱的应

28、用发展方向紫外拉曼和共焦显微拉曼光谱等新的拉曼技术的出现 , 解决了拉曼光谱早期存在的一些问题 , 如 荧光干扰 、 固有的灵敏度低等 。 近年来随着纳秒 、 皮秒激光器的出现以及其它光谱技术的不断革新 , 将使时间分辨拉曼光谱在催化中的应用成为可能 , 进一步拓宽了拉曼光谱的应用范围 。拉曼光谱学 的研究领域除表面增强拉曼 、 医学生物 、 超导体 、 共振拉曼 、 矿物 、 高分子 、 拉曼理论 、 高温 、 高压 、 富烯 (Fullerene 、 纳米材料等外 , 已出现 3个新兴热门领域 :用时间分辨拉曼谱学研究分子微观动力学 , 包 括分子振动相位关联的驰豫 , 分子间能量的转换

29、; 蛋白质构象的研究为人们了解生物分子反应过程的 机制 、 自组装等现象提供了渠道 ; 尤其是拉曼技术在考古年代的测定 、 文物真伪的鉴别 、 腐蚀机理的研 究 , 在此领域确切无疑的是拉曼技术在所有化学 、 物理技术中是最为优越的 。参考文献 :1 邓芹英 , 刘岚 , 邓慧敏 . 波谱分析教程 M .北京 :科学出版社 . 2003, 76-79.2 常建华 , 董绮功 . 波谱原理及解析 M .北京 :科学出版社 . 2001, 113-118.3 任斌 , 田中群 . 电化学催化中的激光拉曼光谱法 J.石油化工 , 2002,31(6 :488-499.4 Nodal I. G ene

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