拉曼光谱和拉曼光谱术

1、拉曼光谱和拉曼光谱技术Raman spectrum and Raman spectroscopy拉曼光谱的峰强度与相应的分子浓度成正比， 拉曼光谱也能用于 定量分析。拉曼光谱一般不触及试样，也不必对试样作任何修饰，能 穿过由玻璃、 宝石或塑料制成的透明容器或窗口收集拉曼信息。 在工 业生产中，不必预先作试样准备处理是选用拉曼光谱术而弃用其它更 成熟分析技术的主要原因。 人们偏向拉曼技术的其它原因还在于维持 费用低，具有其它分析技术所不具备的特有分析能力以及拉曼光谱术 和红外光谱术的互补特性。拉曼散射光的强度并不是在所有的方向都相等的。 所以讨论拉曼 散射光的强度必须指明入射光传播方向与所检测的

2、拉曼散射光之间 的角度。通常在与入射光方向成 90。或者 180。的方向上观测拉曼散射。 这些散射几何分别称为直角散射和背散射。温度和压力对拉曼峰的影响。水的拉曼峰在 3300cm-1-3400cm-1。 凝聚相试样拉曼光谱的峰通常有 5cm-1-20cm-1 宽，气相拉曼峰比较窄。 定量分析和定性分析应用拉曼光谱术作定量分析的基础是测得的分析物拉曼峰强度 与分析物浓度间有线性比例关系。分析物峰面积（累积面积）与分析 物浓度间的关系曲线是直线。 这种曲线称为标定曲线。 通常对标定曲 线应用最小二乘方拟合以建立方程式， 据此从拉曼峰面积计算得到分 析物浓度。 影响拉曼峰面积或峰高度的因素不只有分

3、析物浓度， 还有 其它因素。 例如试样的透明程度和插入收集光系统的薄膜。 所以几乎 所有拉曼定量分析方法，在建立标定曲线之前都使用某种类型的内 标，以修正这些因素对拉曼峰面积或高度的影响。有时候，当分析物 浓度变化时， 试样中所有成分的浓度也发生变化。 这种情况下可使用 试样所有成分的总和作内标。拉曼光谱的噪声及其减除方法拉曼光谱术常遇到的最重要的噪声来源有发射噪声、 仪器噪声和 背景光。在波长小于 1000nm 的拉曼测量中，发射噪声是最主要的噪 声。仪器噪声主要取决于拉曼仪的设计。 而背景光总是拉曼光谱术的 潜在的问题，因为拉曼强度是很弱的。发射噪声一般是色散型拉曼光谱术的最大噪声来源，

4、而在傅里叶 拉曼光谱术中，检测噪声通常比发射噪声大得多。荧光和磷光荧光是背景光中最受关注的一种。 而激光引起的荧光是拉曼光谱 术中最普遍遇到的背景光来源。 荧光光谱外观通常比拉曼光谱峰要宽 得多，看起来像拉曼光谱缓慢变化的基线。 减小或消除荧光背景最成 功的方法是选择使用这样的拉曼激发波长，它不被荧光材料所吸收， 或者仅仅产生拉曼光谱范围以外的荧光。 最常用的是近红外或紫外光 激发和荧光减除法。 对试样做某些预处理有时也是有效的， 例如高温 氧化以破坏荧光材料，试样净化也是一种有效的方法。黑体辐射黑体辐射是光谱宽背景信号的另一个可能来源。 只是因为温度高 于绝对零度而发生的辐射称为黑体辐射。

5、减小拉曼光谱中黑体辐射的 一个方法是使用较短波长的激发光。 试样的黑体辐射可能来源于加热 的整个试样，也可能来源于激发拉曼散射的激光对试样的局部加热。 在整个试样被加热时， 若使拉曼仪对试样的照射面积达到最小， 就能 最大限度地减小拉曼光谱中的黑体强度。 只要所有激发光光线都落在 所观察的试样面积上， 就不会损失拉曼强度。 所以扩大激光对试样的 照射面积是减小激光加热引起的黑体强度的最有效和方便的方法。 黑 体辐射不仅来自试样， 也可能来自周围环境。 最常遇到的是白炽灯光 线。拉曼光谱中这种背景强度的消除只要关闭白炽灯或作适当的遮挡 就很有效。表面增强拉曼光谱术（ SERS） 在金属胶粒或粗糙

6、金属表面作用下， 材料的拉曼横截面可能增大 107 倍。增大只发生在直接 吸附在金属表面上的物质。这种效应称为 表面增强拉曼散射。 银和金是最常使用的金属， 因为它们有最强的增 强效果，铜也用天表面增强拉曼光谱术。它们的增强效果依次为 Ag>Au>Cu。可见光或近红外激发可用于银的SERS,而金和铜则要求使用红或近红外激光。如果将SERS与共振拉曼光谱增强联合使用， 可使拉曼横截面增大高达 1014倍-1015 倍。这使得单分子拉曼光谱术成 为可能。单分子SERS研究表明，SERS强度的大部分是由SERS基材 上的一小部分分析物分子所贡献。SERS有几种不同的机制。大致可分为两类：

7、电磁效应（EM ）和 化学效应（CT）。电磁效应是由于金属表面与激发光的相互作用使分 析物电场强度增大的结果。 其中较重要的效应是金属表面等离激元的 激发。表面激元是金属表面导带电子的振荡。 在表面等离激元共振频 率，导带电子易于移动，从而在局部电场产生大的振荡。表面等离激 元频率与金属的电子结构和金属表面粗糙程度或胶质粒直径有关。 电 磁效应随离开金属表面距离的 3 次方而减弱，其范围约为离金属表面 几个纳米。 电磁效应与分析物本身没有太大的关系。 化学效应是由于 分析物与金属波函数重叠而发生， 与电磁效应相比， 化学反应作用范 围较短，而且与分析物强烈相关。对电磁场增强来看，当激光照射到基

8、底表面时，会在金、银、铜 等这些金属上激发出表面等离子体， 使得入射光场强和散射光场强都 有较大增强。由于拉曼增强散射强度与分子所处光电场强度的平方成 正比，因而极大地增强了吸附在表面的分子产生的拉曼散射强度， 从 而提高了检测灵敏度。 这与基底材料有关。 因此通过调谐基底材料有 望获得理想的SERS效应。一般认为表面等离子体越强，在表面激发 的电磁场就越强，相应的拉曼增强效应也越大。不论考虑哪种机制， 为了得到大的增强， 金属表面必须具有合适 的粗糙程度。银基衬在SERS效应中是最为有效的。银基衬可以是胶 体态银、银岛薄膜（Ag/CaF»、沉积在石英或特芙隆粒子上的银膜、 粗 糙的

9、电极和玻璃片上的化学处理过的银膜。 胶体态银、 金和铜是最为 广泛使用的类型， 因其准备过程不需要特殊的仪器设备。 化学刻蚀是 适合于SERS研究基衬准备的一种较为方便有效的方法。刻蚀过程十 分简便，在室温下将 0。 025mm 厚的银薄膜浸入搅动着的 4MHNO3 中数分钟， 直到薄膜呈乳白色。 这一过程使银膜表面形成粗糙的海绵 状，具有尺寸在10 nm-100 nm范围的凹凸不平。表面增强拉曼光谱有效地弥补了拉曼信号灵敏度低的弱点， 可以 获得常规拉曼光谱难以获得的信息。 它在获取表面和界面信息方面的 功能是非常突出的， 这一技术已被广泛地应用于表面和界面的物理和 化学研究。SERS技术虽

10、有着强大的分析功能，但其应用仍受到诸多限制。 应用受到限制主要受下列因素所决定：SERS要求试样与基衬接触， 这失去了拉曼光谱术非侵入和不接触分析的基本优点；SERS基衬对不同材料的吸附性能不同， 这使定量分析发生问题； 基衬重现性和稳 定性难以控制，这个困难的解决目前正在取得很大的进展。SERS技术要求所检测的分子含有芳环、杂环、氮原子硝基、氨基、羰基或磷 和硫原子之一，这使检测对象有一定的限制；试样可能与 SERS基衬 发生化学或光化学反应（对金基衬这不是大问题） 。共振增强拉曼光谱术（ RRS）当激发波长与分子的电子跃迁波长相等时将发生共振拉曼散射。 这时拉曼散射强度比常规散射要高出约

11、106倍。灵敏度的极大增高使 共振拉曼光谱能给出比常规拉曼光谱丰富得多的光谱特征信息， 并能 观察到在常规拉曼散射中难以出现的， 其强度可与基频相比拟的泛音 和组合光谱。 原则上讲， 拉曼散射强度的共振增强能用来增大几乎任 何类型拉曼过程的灵敏度。 共振拉曼光谱的高灵敏度使其可用于低浓 度和微量试样检测。 例如，应用这种技术可不加预处理得到人体体液 的拉曼光谱。 许多生物分子的电子吸收区位于紫外， 紫外共振拉曼技 术的研究已得到足够的重视。利用紫外拉曼光谱术在蛋白质、核酸、DNA和丝状病毒粒子的研究已取得显著成果。用共振拉曼偏振测量 技术，还可获得有关分子对称的信息。共振增强和表面增强拉曼光谱

12、 术在分析化学领域能够发挥的巨大作用早已引起关注。拉曼散射的基本原理图如图1所示，当频率为V。的单色光作用于分子时，可能发生弹性碰撞 或非弹性碰撞。原来处于基态 EV=0的女子爱到能量为hv0的入射光子 激发而跃迁到一个受激虚态，因其不稳定而立即辐射跃迁回到基态 Ev=0，此过程对应天弹性碰撞，辐射跃迁的频率为V。，为瑞利散射线； 处于虚态的分子也可以跃迁到激发态 Ev=1，这种过程对应于非弹性碰 撞，光子的部分能量传递给分子，辐射跃迁的频率为Vo-V，为拉曼散射的斯托克斯线。类似的过程也可能发生在处于激发态 Ev=1的分子受 到能量为hVo的入射光子激发而跃迁到受激虚态，而后辐射跃迁回到 激

13、发态EV=1，此过程对应于弹性碰撞，辐射跃迁频率为 V。，为瑞利散 射线；处于虚态的分子也可能跃迁到基态 Ev=0，这种过程对应于非弹 性碰撞，光子从分子振动或转动中得到能量，辐射跃迁的频率为v°+ v， 为拉曼散射的反斯托克斯线。AmA (vg + tr)%事hvt)*hv斯托克斯线瑞利散射线反斯托克斯线图1拉曼散射和瑞利散射的能级图表面增强拉曼散射（Suface Enhanced Raman Scattering , 简称 SERS）是指当一些分子被吸附到某些粗糙的金属（如银、铜、金等）表 面上时，它们的拉曼散射强度会增加ibio7倍。SERS的实验方法一般的拉曼光谱仪都能用来进

14、行 SERS勺测量，测量系统由三部 分组成：（1）激光光源（2）拉曼光谱仪和检测系统（3）样品池。作为激发光源的激光器一般用气体离子激光哭或染料激光器，其选择与所用的金属基体有关。当用银作基体时，氩离子、氦-氖或染料激光器都可用，但金或铜作基体时，只有能产生红光的激器，如氪 离子、氦-氖或染料激光器才能使用，因为在金或铜基体上，当激光 的波长小于600nm时，SERS效应很小甚至没有。样品池的设计与样品的种类有关，当被测样品吸附在银或金溶胶上时，用石英玻璃或硬玻璃管作样品池。 当样品被吸附在表面粗糙化 的金属片上时，可把金属片直接安装在拉曼光谱仪的样品架上或放在 石英玻璃或硬玻璃管中，如果测量

15、吸附在电极表面的样品的SERS寸，则要设计特殊的电化学池。SERS勺实验特性1 SERS最重要的特性是有很大的增强因子。吸附到某些粗糙的金 属（如银、铜、金等）表面上时，它们的拉曼散射强度会增加104107 倍。2只有少数基体能产生SERS效应。银、金和铜因为有很大的增 强效应而被用来作为SERS勺金属基体。镍、铝、锂、钠、钾和铂也 有一定的增强作用。另外在某些半导体上，如硫化镉、三氧化二铁、 二氧化钛等表面也能观察到SERS效应。3金属只有在它的表面被粗糙化后才能显示出 SERS效应。4所有SERS谱峰的退偏比都在0。6-0。75之间。5 SERS光谱没有倍频峰，表明SERS并不是简单的共振

16、效应引起 的。6 SERS光谙实际上是SERS谱峰与连续背景叠加而成，此背景从瑞利线尾部一直延伸到4000cm1处，在50-600 cm1范围内，该背景强度 随波数增加而降低，在600-4000 cm范围内，其强度基本不变。表面增强拉曼散射原理 图2是表面增强拉曼的散射原理示意图。当分子吸附在纳米尺度 的金属介质附近（金属小球表示），其接受到的场强Em由两部分组成，是场强为Eo的入射光强；二是由金属小球感应偶极子产生的电场Esp,即出-%其中一可以表示为。在满足表面等离子共振条件时(_;，Im(x);较小时)，.将会变得非常大，分子处在有效电场将入射光强。如果拉曼散射光与金属 小球表面发生表面

17、等离子体共振， 其电场也将得到增强。综合考虑上 述两种因素，可以得到总的电磁场增强因子。图2表面增强拉曼散射示意图Fig。2 Sketch map of surface enhanced spectram scattering大粒径单分散金纳米粒子的水相合成实验部分试剂：氯金酸 (HAuCI4 3H2O度大于98 %(Aldrich)，其余药品均为分析纯，使用前未经进一步纯化。实验用水为经超纯水装置(Puric-Z)净化的二次去离子 水，电阻率 .07M Q cm。晶种金溶胶的合成50mL 1.0 X 104 g mL-1氯金酸水溶液剧烈搅拌下加热至沸腾，迅速加入0.50_ 2mL 1.0 x

18、 10 gm-L1 的柠檬酸钠水溶液，保持沸腾15 min后自然冷却。透射电镜照片显示所得晶种金溶胶平均粒径为50± 5nm大粒径金纳米粒子的合成晶种金溶胶用适量超纯水稀释，加入一定量10 x 10 g mL的氯金酸，使溶液中氯金酸总含量约为10 x 1（f g mL1 （包括已还原为晶种的氯金酸的量），最后以1 : 1的摩尔比加入相应体积的mmol l-1羟胺（可稍过量以保证氯金酸反应完全） ，常温下搅拌 10 min。 通过加入氯金酸的量可以估算最终金纳米粒子的大 小从而控制其粒径 试剂加入顺序对纳米粒子形态的影响纳米粒子的形态受试剂加入顺序的影响很大。 在其它条件相同的情况下，

19、在晶 种金溶胶中先加入氯金酸再加入羟胺，反应速度比较快（20 C时约3 min即可完成），得到的纳米粒子表面比较光滑； 先加入羟胺再加入氯金酸， 不仅反应速 度较慢（20 C时约min反应完毕），而且所得粒子表面十分粗糙，多呈“星”形。 化学还原法因其设备简单、操作方便，成为制备超细银粉的主要方法。采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）#保护剂和价格低廉、还原能力温和的葡萄糖作还原 剂，用简单工艺制备银纳米颗粒。称取15 g葡萄糖和5 g PVP,配制成300 mL混合水溶液，利用氢氧化钠溶液调节 其pH值至11;称取6 g硝酸银配制成100 mL水溶液。在恒温水浴锅中将上述溶液 加热至70T，将硝酸银

20、溶液以30滴/min的速度均匀地滴加到葡萄糖混合溶液 中，搅拌15 min得到黑色悬浊液。将此悬浊液离心分离，所得固体沉淀用去离子 水和无水醇各洗涤3遍，于50 C下真空干燥，得黑色粉末试样。定量分析曲线非线性的产生及内外标法的正确运用我们已经了無到.应用拉曼光谱法进行 定董分析的最大优点之-，就是对分析样品 无费事先进行任何前处理也就是说不存在 样品的制备过程。而且，在应用拉曼光谱法进 行分析时，除了有些样品会产生荧光干扰现 象外基本上不再会发生其它干扰现銀。H 此，应用拉曼光谱摆进行定量分析是出较简 便和快捷的°尤其是时气休样品的分析+可以 不经过围体阪附或溶液吸收等中间过程丫直

21、 接进行测定因而应用拉曼光谱法进行定董 分折成本相对来说也是比較低的- 应用拉曼光谱熬进行定分析、依据的 是拉曼效应原理口应用拉曼光谱法进钉宗量 分析时最使人感到園难的就悬分析曲线产 生的菲线性产生非线性的主要原因笔者认 为：一是分析禅品对敞射光产生了部分吸收 現象尤其是程共撮捕强拉曼光谱法中当高 强度釣液北光源徴发时，样品产生了电子光灌在这种情况下样晶易于吸收鄙分散射比. 二是澈光光源发射强度不稳定，许多拉曼光 谱牧普赢地存住这个问题，三是在样品分桁 测定过程中，上一个梯品与下一个样品之间 存在着线性差异，虽然遺个线性養异不大，但 它可以影响分析曲线的线性这三个因素，引 境了光谱强度（纵坐标

22、和样品浓度横坐标 之阖产生非线性现象-克服分析曲线产生非 线性的方法'貝有分别对纵坐标和横坐标进 行校正具体采用的方法是内外标法心。在应用拉曼光谱法进行定量分析时对 内"卜标概念的理解和解释存在着混乱的现 象口这里只想强调=所谓内标法捷腊在样品 中不加入柱何其它基唯物，貝以样品溶剂中 棊些廉定的波峰作为标准进行的测定而外 标法，则是指在样品中加入一定的基准物，以 基准物的特征峰作为标准进行的测定。外标 法一般用于栓正纵坐标的测定漫差也就展 用于分柝仪器的桂唯'而横坐标的课差，一般 仅为波教的十分之几.因此在内擁法中是将 样品的谡峰与参考波峰的比值作为狡正依曙 的遺就墾

23、内标法和外标崔的主要功能。它们 的应用范HB不同'必须正确加以运用一、内标法什么叫内标法？怎样选择内标物？内标法是一种间接或相对的校准方法。在分析测定样品中某组分含量时，加入一种内标物质以校准和消除出于操作条件的波动而对分析结果产生的影响，以提高分析结果的准确度。内标法在气相色谱定量分析中是一种重要的技术。使用内标法时，在样品中加入一定量的标准物质，它可被色谱拄所分离，又不受试样中其它组分峰的干扰，只要测定内标物和待测组分的峰面积与相对响应值，即可求出待测组分在样品中的百分含量。采用内标法定量时，内标物的选择是一项十分重要的工作。理想地说，内标物应当是一个能得到纯样的己知化合物，这样它

24、能以准确、已知的量加到样品中去，它应当和被分析的样品组分有基本相同 或尽可能一致的物理化学性质 （如化学结构、极性、挥发度及在溶剂中的溶解度等）、色谱行为和响应特征，最好是被分析物质的一个同系物。当然，在色谱分析条什下，内标物必须能与样品中各组分充分分离。 需要指出的是，在少数情况下，分析人员可能比较关心化台物在 一个复杂过程中所得到的回收率，此时，他可以使用一种在这种过程中很容易被完全回收的化台物作内标，来测定感兴趣化合物的百分回收率，而不必遵循以上所说的选择原则。在使用内标法定量时，有哪些因素会影响内标和被测组分的峰高或峰面积的比值？影响内标和被测组分峰高或峰面积比值的因素主要有化学方面的

25、、色谱方面的和仪器方面的三类。由化学方面的原因产生的面积比的变化常常在分析重复样品时出现。化学方面的因素包括：i内标物在样品里混合不好；2、内标物和样品组分之间发生反应，3、内标物纯度可变等。对于一个比较成熟的方法来说，色谱方面的问题发生的可能性更大一些，色谱上常见的一些问题（如渗漏）对绝对面积的影响比较大，对面积比的影响则要小一些，但如果绝对面 积的变化已大到足以使面积比发生显著变化的程度，那么一定有某个重要的色谱问题存在，比如进样量改变太大， 样品组分浓度和内标浓度之间有很大的差别， 检测器非线性等。 进样 量应足够小并保持不变， 这样才不致于造成检测器和积分装置饱和。 如果认为方法比较可

26、靠， 而色谱固看来也是正常的话， 应着重检查积分装置和设置、 斜率和峰宽定位。 对积分装置发 生怀疑的最有力的证据是：面积比可变，而峰高比保持相对恒定，在制作内标标准曲线时应注意什么 ?在用内标法做色话定量分析时， 先配制一定重量比的被测组分和内标样品的混合物做 色谱分析， 测量峰面积， 做重量比和面积比的关系曲线， 此曲线即为标准曲线。在实际样品 分析时所采用的色谱条件应尽可能与制作标准曲线时所用的条件一致， 因此，在制作标准曲 线时，不仅要注明色谱条件 （如固定相、柱温、载气流速等 ），还应注明进样体积和内标物浓 度。在制作内标标准曲线时， 各点并不完全落在直线上， 此时应求出面积比和重量比的比值