固体物理-微拉曼光谱

1、拉曼光谱分析方法S201409015苏恒摘要：拉曼光谱分析法是基于拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并广泛应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。本文主要简介了拉曼光谱的发展，应用以及拉曼光谱分析方法的机理和制样。从多个方面具体阐明拉曼光谱分析方法在现代科研工作中的应用。关键词：拉曼光谱原理拉曼光谱分析方法1引言1923年,Smekl从理论上描述了拉曼散射效应。1928年，印度物理学家Raman发现了光的非弹性碰撞现象，记录了散射光谱，并以

2、他的名字将这一现象命名为拉曼效应/拉曼光谱。拉曼光谱利用散射光获得分子振动的相关信息，而分子振动能够提供其结构、对称性、电子环境以及其结合的分子信息，因此拉曼光谱技术成为了人们研究分子结构的新手段之一。拉曼光谱最初是用聚焦的口光作为光源，之后改用汞弧灯，但是光源强度仍然不够，限制了拉曼光谱的发展。直到20世纪60年代，高功率，单色性和相干性好，准直性好，偏振特性好的激光出现，为拉曼散射提供了空前优异的光源,拉曼光谱学也因此被称为激光拉曼光谱学。拉曼光谱采用激光作为单色光源,使激光拉曼光谱在分析化学等领域中得到了广泛的应用。2拉曼光谱的基本原理2.1拉曼效应光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射

3、，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，大部分的光会按原來的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开來，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

4、谱线特征。Vo+vincidentbeamRamanscatteringscatteringcenter图1：拉曼散射理论示意图，瑞利线，斯托克斯线和反斯托克斯线。2.2拉曼散射理论光子的散射是个吸收和再发射的复合过程，散射物质会从入射光子吸收部分能量，或把自身的部分能量加到入射光子身上去，再发射的光子便与原光子不相干，且形成新的谱结构。频率未变的V=Vo就叫瑞利线，V<Vo的称斯托克斯线,V>Vo的称反斯托克斯线(图1)。散射频率各为Vo和V=V0±VR,有用信息就在Vr的数值及其强度、偏振等参量中，这些参量不因V。而变，Vr取值范围小于土4000C111-1。当入射光

5、不是很强时，感生偶极矩与分子极化率a以及电场强度F之间的近似关系为P=a0E0cos(27rvot)+aE0QkOcos2tt(v0-vfc)t+cos2n(vQ+*)t/2o瑞利线的强度约为入射光的10-3量级；较强的斯托克斯线则不到10；反斯托克斯线起因于样品中较高能态的作用，按玻尔兹曼分布律，其数其小，故对应的强度也大减，不到斯托克斯线的1%在较窄的谱段上有强度比如此悬殊的谱线同时出现，这是拉曼光谱技术的要害。2.3拉曼散射光谱的特征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。其次，在以波数为变量的拉曼光谱图

6、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。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。因此，这种分析还可以判断红外光谱里没有非极性分子的振动和转动光谱。因为只有带有固有电偶极矩的分子，其振转运动才会导致电偶极矩的变化，从而有电磁波的发射。拉曼光谱不受此限制，所以就成了研究分子振转运动的重要补充手段。3拉曼光谱分析手段的演化31激光共振拉曼光谱技术激光技术的兴起使拉曼光谱成为激光分析中最活跃的研究领域之一,共振拉曼光谱是建立在共振拉

7、曼效应基础上的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近或重合时，这一分子的某个或儿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。激光共振拉曼光谱具有灵敏度高、所需样品浓度低、反映结构信息量大等特点，还可以针对复杂分子的不同色团选择性地共振激发，而相互间不受影响囚。目前，激光共振拉曼光谱分析已用于无机、有机、生物大分子、离子乃至活体组成的测定和研究。图2为JY-T64000激光拉曼光谱仪的照片，由激光光源、样品装置、滤光器、单色光(或干涉仪)和检测器等组成。其发射原理见图2(b)o其不同的激光发射器可发出不同频率的波长

8、，具有不同的优缺点。一般而言，激发波长在紫外区域的能量高，因而具有高分辨率。但高的能量同时也会对样品产生较大的危害；而激发波长处于近红外区域的激发器常常具有能量低的特点，但也能降低荧光干扰。较低的能量使得拉曼的信号也较弱。图2：（a）,JY-T64000激光拉曼光谱仪,（b）激光拉曼光谱仪的工作原理。3.2表面增强拉曼光谱表面增强拉曼散射是指在一些特殊制备的金属良导体表面或溶胶中，拉曼散射信号比普通拉曼散射信号强度增加104-106倍的现象，它是一种具有表面选择性的增强效用（图2）o1974年，英国Fleisclunan等卩从毗噪在粗糙银电极表面上发现了高质量的拉曼散射信号，他们认为是电极粗糙

9、化引起的信号增加，并没有意识到这是一种新的物理现象。1977年，Jeanmarire和Albrecht研究团队凹分别对这种增强效果进行了研究，并对所观测到的增强效果各自提出了自己的原理，一种是电磁增强，他们认为SERS效应起源于金属表面局域电场的增强，金属基底和被吸附分子之间的相互作用较弱；另一种是化学增强，他们认为拉曼散射信号的增强是由于吸附在粗糙金属表面的物质分子极化率改变引起的。也有一些研究人员坚持，SERS的信号增强依靠金属微粒的儿何形状，当溶胶中金属颗粒优化的儿何形状小于入射光波长时，拉曼信号的增强可达到最大，对于SERS最合适的颗粒尺寸是接近完美的半球状纳米模型。SERS克服了常规

10、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物质结构信息，特别是对于像金、银、铜这样导电性好的金属，可以制备出良好的增强基底更能够帮助我们获得这些物质的高质量的表面增强拉曼光谱。如今,SERS技术因具高灵敏度而得到了广泛的应用，但由于增强基底的复杂性，SERS重现性相对较差和必须依靠粗糙表面增强的问题仍需要解决。图3：表面增强拉曼光谱原理示意图3.2针尖增强拉曼光谱针尖增强拉曼光谱是在无孔径近场区域光学显微镜的思想基础上，将扫描探针显微镜技术与拉曼光谱结合在一起。2000年，美国、徳国和日本等儿个国家的研究小组首次将不同的SPM和拉曼光谱联用，获得了高空间分辨率和高检测灵敏度。TE

11、RS不但可以实现对光滑的样品表面英至是单晶电极表面纳米尺度的形貌表征，也能够实现对纳米级不均匀性体系局域拉曼光谱的探测，很好的弥补了SERS在检测中的不足之处WTERS技术的基本原理（图3）：在SPM控制系统下，将一根曲率半径为儿十纳米的尖锐金属探针针尖靠近样品，与样品之间的距离控制在limi左右，选择合适波长的入射光以偏振方向照射在这一纳米尺度的针尖最尖端，在局域表面等离激元共振效应、避雷针效应和天线效应的共同作用下，针尖附近儿纳米到儿十纳米的范围内被激发产生局域化的表面等离子体,使该区域的电磁场急剧增强，以激发出处在针尖下的样品的拉曼信号。TERS利用的是针尖的增强效应，对照射的基底以及吸

12、附分子没有特殊要求，所以利用ITERS可以对单晶和一些无任何增强的基底（如玻璃基底）上的物种进行研究。在检测过程中，SPM系统在样品表面上方扫描样品表面形貌，物镜用來收集针尖处散射出的拉曼信号，并将信号引入拉曼光谱仪。这种针尖光谱既有SPM的高空间分辨率，乂有拉曼光谱的物性表征功能，是传统的拉曼光谱技术与SPM技术的完美结合。Pettinger等卩利用针尖增强拉曼光谱技术在光亮的Au（111）针尖表面上检测到孔雀石绿的拉曼信号。ITERS采用的探针结构相对于SERS基底结构简单，便于对表面增强效应进行理论研究，同时TERS具备高的空间分辨率和高的检测灵敏度共同构成了TERS这项技术显著不同于其

13、他拉曼光谱技术的特点。但是，由于TERS的增强效应仅仅來源于一个裸露的针尖，所以迄今为111TERS还未能被应用到电化学研究领域中。Ag/AuSPMTip图4：针尖增强拉曼原理示意图。4.拉曼光谱的样品制备和信息分析无论是液体、薄膜、粉体、测定其拉曼光谱时不需要特殊的样品制备，均可以直接测定。然而直接拿出的样品具有潜在干扰物，为了消除潜在的干扰物质、分析物的预浓缩同时将样品转变成一种更合适的形式，测试的样品常常需要前期处理。拉曼光谱分析样品具有痕量性，所需样品量一般为卩级。但是，在过去的20年中，相对于仪器分析技术的巨大发展，样品前处理技术的发展则比较缓慢。因此，发展快速高效、高选择性且环保的

14、样品前处理方式至关重要。4.1固相萃取与固相微萃取70年代后期，固相萃取（SPE）技术被引进，很好的弥补了液液萃取法的缺陷。SPE主要是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品中其他干扰组分分离，再用洗脱液洗脱，达到分离和富集的目的。SPE以其特有优势得到迅速的发展，在各种不同的研究领域中都有了广泛的应用，如环境、生物和食品分析等领域，同时它也成为了最普遍的样品前处理方式。1989年，为了改进固相萃取，Belaid提出了固相微萃取技术（SPME）。SPME是固相萃取的衍生，是基于固体/液体涂层与分析物之间的有效的吸附/溶解及解吸过程而建立起來的集进样、萃取和浓缩功能于一体的技术。SP

15、ME技术与SPE技术不同，SPE是从样品中萃取出所有的目标分析物，而SPME直接是一个分离的过程。所以，SPME使样品前处理过程大为简化，提高了分析速度及灵敏度。在SPME技术中，最重要的元件则是纤维涂层，高选择性的纤维涂层可以使待分析物质很好的吸附与富集将其萃取出來。目前，已经商品化的纤维涂层仅有少数儿种，且基本都以非特异性吸附为主，选择性仍然不高，在处理样品过程中仍会有一些化学或物理性质相近的基质同时被富集，处理极性大的物质更加困难。4.2分子印迹近年來，分子印迹技术作为一种新型的固体吸附剂很好的弥补了固相萃取和固相微萃取技术中吸附剂选择性差的缺点。分子印迹技术（MH）是将目标分子通过交联

16、剂与一些功能化聚合物单体以共价键或非共价键结合，进行聚合反应，反应完成后将目标分子洗脱除去，形成印迹目标分子的空间结构和识别位点的分子印迹聚合物孔MIT能够结合与抗体、酶、激素受体具有类似的亲和力和选择性的目标分子，同时它具有更稳定、更容易准备、费用比较低，并且更容易融入标准工业制造流彳MIT,分子印运会更广泛应用3检测过程。1McharacteristicRamanfrequencies竝曼频率的确认changesinfrequencyofRamanpeakIcompositionZofmaterial物质的组成Istress/rstfainIy/State张力/应力奠板分子來制备产印迹技术

17、一定里之后拉曼光谱竝曼蜂位的变化polarizationofRamanpeak|crystalsymmetryand'7orientation晶体对称性和取向10widthofRamanpeakN曼蜂宽intensityofRamanpeak拉曼峰强度>qualityofcrystal一ritt体质吊IamountofmaterialZ物质总IR图5,拉曼光谱的物相分析4.3拉曼光谱的信息分析拉曼光谱己经越來越广泛的应用于科学研究的各个领域，我们通过分析散射光获得分子振动的相关信息便可得到相关的物质结构，相变，晶体对称性等信息。常见的信息如图5所示，有以下儿种：1. 物相的组成，

18、每一种物质都有其特征拉曼光谱，利用拉曼光谱可以鉴别和分析样品的化学成分和分子结构；2. 相变分析，通过分析物质在不同条件下的系列拉曼光谱，來分析物质相变过程；3. 张力/应力测定，拉曼峰值频率的移动量与内部残余应力的大小具有线性关系，BJa=kA6,其中5是拉曼峰值的频移量，7是残余应力，上为应力因子，通过测量在残余应力作用下引起的材料拉曼谱峰的移动来推知残余应力分布；4. 晶体对称性和趋向，若样品的取向是无规则的，则完全偏振的入射光所产生的散射光则不一定是完全偏振的，称作散射光的退偏。通过测量样品的散射光的退偏比可推导样品的分子结构；5. 物质质量，其大小拉曼峰的面积与浓度成正比。5结论拉曼光谱技术发展至今己有80年的历史，自激光拉曼光谱和表面增强拉曼光谱技术出现以后，拉曼光谱技术在生物结构分析方面的应用得到快速发展。如今，随着激光技术以及纳米科技的迅猛发展的带动，乂有针尖增强拉曼光谱和壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱等出现，解决了拉曼光谱在早期存在的一些问题,如灵敏度低、荧光干扰等，并加之拉曼光谱技术具有分析速度快、灵敏度高、样品浓度要求低等特点，使拉曼光谱技术在电化学、分子生物学、分子微观动力学等研究领域中的应用成为可能，进一步拓宽了拉曼光谱技术的应用范围。参考文献1 朱贵云，杨得和.激光光谱分析法.北京：科学出版社：1989.25.2 StellmanCM,Au