【拉曼光谱的应用及实验探究7900字（论文）】

拉曼光谱的应用及实验探究TOC\o"1-3"\h\u1.拉曼光谱概述 51.1拉曼光谱的产生原理 51.2拉曼光谱的诞生及发展 51.3拉曼光谱的特点 62.拉曼光谱的应用 62.1拉曼光谱在众多领域的研究 62.1.1在无机材料中的应用 62.1.2在矿床学中的应用 72.2拉曼光谱技术及应用新进展 72.2.1表面增强拉曼光谱技术 72.2.2高温拉曼光谱技术 82.2.3共振拉曼光谱技术 82.2.4共焦显微拉曼光谱技术 82.2.5傅立叶变换拉曼光谱技术 82.2.6拉曼光谱与其他仪器联用技术 92.3拉曼光谱实验原理和实验方法 93.基于罗丹明B的拉曼光谱的实验分析 123.1罗丹明B 123.1.1罗丹明B简介 123.1.2罗丹明B的常用检测方式 133.2在银胶体系中罗丹明B单分子水平上拉曼光谱研究 15参考文献 171.拉曼光谱概述1.1拉曼光谱的产生原理拉曼散射是光照射到物质上发生的非弹性散射所产生的。单色光束的入射光光子与分子相句_作用时可发生弹性碰撞和非弹性碰撞，在弹性碰撞过程中，光子与分子间没有能量交换，光子只改变运动方向而不改变频率，这种散射过程称为瑞利散射。而在非弹性碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不仅仅改变运动方向，同时光子的一部分能量传递给分子，或者分子的振动和转动能量传递给光子，从而改变了光子的频率，这种散射过程称为拉曼散射。拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，通常的拉曼实验检测到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的频率之差值称为拉曼位移。拉曼位移就是分子振动或转动频率，它与入射线频率无关，而与分子结构有关。每一种物质有自己的特征拉曼光谱，拉曼谱线的数日、位移值的大小和谱带的强度等都与物质分子振动和转动能级有关。1.2拉曼光谱的诞生及发展拉曼光谱属于分子的振动和转动光谱，通常简称为分子光谱。印度物理学家拉曼(C.V.Raman)于1928年在实验中发现了这种散射，因而以拉曼的名字命名为拉曼散射，相应的散射光谱亦称为拉曼光谱。30年代拉曼光谱技术由于光源强度不够高和单色性差发展受到严重的影响。，因此产生的拉曼效应太弱年代拉曼光谱技术由于光源，致使拉曼光谱的实际应用和从1946年以后，红外光谱技术很快地发展起来并得到了广泛应用，用红外光谱仪获得分子振动光谱的信息远较拉曼光谱方便。此时，红外光谱技术基本上取代了拉曼光谱技术，红外光谱处于主要地位，而拉曼光谱则退居次要地位并逐渐趋于衰退。进入60年代，随着激光技术的问世，拉曼光谱在技术上产生了重大的突破。激光拉曼光谱技术得到了飞速发展。激光拉曼光谱技术以其光谱信息丰富、样品无需制备、可进行微量、微区、非破坏性、原位分析等的优点，在刑事技术文件检验领域里己经显现出独特的应用前景。1.3拉曼光谱的特点拉曼光谱产生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，而拉曼光谱是分子极化率变化诱导产生的，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。在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱是相互补充的。因此，一些在红外光谱仪无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。拉曼效应普遍存在于一切分子中，无论是气态，液态和固态，拉曼散射光谱对于样品制备没有特殊要求;对于样品数量要求比较少，可以是毫克甚至微克的数量级。拉曼散射最突出的优点是采用光子探钊一，对于样品是无损伤探测，尤其适合对那些稀有或珍贵的样品进行分析，甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物。拉曼光谱的缺点之一是会产生荧光干扰，样品一旦产生荧光，拉曼光谱会被荧光所湮灭检测不到样品的拉曼信号。二是检测灵敏度低。2.拉曼光谱的应用拉曼光谱技术最近几年发展很快，己大量出现在很多研究领域，它涉及材料、石油、化工、环保生物、医学、地质等，尤其是拉曼技术在考古、文物保护等领域的应用，到目前为止是所有其他研究领域最为优越的。2.1拉曼光谱在众多领域的研究2.1.1在无机材料中的应用拉曼光谱法是一种研究物质结构的重要方法，特别是对于研究低维纳米材料，它已经成为首选方法之一。利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构分析、键态特征分析和定性鉴定等。纳米材料中的晶界结构比较复杂，与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及热处理过程等因素均有密切的关系，拉曼频率特征可提供有价值的结构信息。李灿等人利用拉曼光谱可以定量的计算出每一种相的含量，得到的值与X射线衍射计算值相吻合。2.1.2在矿床学中的应用沉积有机质或有机碳质物的研究。沉积岩中，有机质通常只是一种次要成分在大多数，然而，在各种类型的沉积物中有机质都不同程度的存在。不同类型的沉积有机质其拉曼光谱的振动频率强度、谱峰的半高宽及两谱峰的形状的相对变化趋势存在差别。由于拉曼光谱对沉积有机质的热蚀变结果的反应非常敏感，表现在有机质的拉曼光谱在其不同演化阶段中具有系统性的变化规律。据此，在对沉积有机质的研究时，可以通过对有机质的拉曼谱图进行分析研究，建立有机质拉曼谱参数的回归方程，以达到推测源岩的埋藏历史、沉积环境以及综合评价其生油、气潜力的研究目的。2.2拉曼光谱技术及应用新进展2.2.1表面增强拉曼光谱技术自1974年F1eischmann等人发现吸附在粗糙化的Ag电极表现的毗咙分子具有巨大的拉曼散射现象，加之活性载体表而选择吸附分子对荧光发射的抑制，使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，这种表而增强效应被称为表而增强拉曼散射(SERS)。SERS技术是一种新的表而测试技术，可以在分子水平上研究材料分子的结构信息，如银纳米粒子等。迄今为比的研究主要集中在探讨表而增强的理论模型，寻找新的体系和实验方法以及进行表而增强拉曼光谱的应用研究。作为一门分析测试技术，今后一段时间内，SERS的研究仍将集中在提高SERS稳定性、重视性和拓展分析应用范围。2.2.2高温拉曼光谱技术高温激光拉曼技术被用于冶金、玻璃、地质化学、晶体生长等领域，用它来研究固体的高温相变过程，熔体的键合结构等。然而这些测试需在高温下进行，必须对常规拉曼仪进行技术改造。通过对谱峰频率、位移、峰高、峰宽、峰而积及其包络线的量化解析，可以获取极为丰富的微结构信息，从而为材料结构和相变研究以及热力学性质的计算提供可靠的实验依据。2.2.3共振拉曼光谱技术激光共振拉曼光谱(RRS)产生激光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104~106倍，并观察到正常拉曼效应中难以出现的、其强度可与基频相比拟的泛音及组合振动光谱。与正常拉曼光谱相比，共振拉曼光谱灵敏充高，结合表而增强技术，灵敏度已达到单分子检测。2.2.4共焦显微拉曼光谱技术显微拉曼光谱技术是将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种应用技术。与其他传统技术相比，更易于直接获得大量有价值信息，共聚焦显微拉曼光谱不仅具有常规拉曼光谱的特点，还有自己的独特优势。辅以高倍光学显微镜，具有微观、原位、多相态、稳定性好、空间分辨率高等特点，可实现逐点扫描，获得高分辨率的二维Ra-man图像，近儿年共聚焦显微拉曼光谱在肿瘤检测、文物考古、公安法学等领域有着广泛的应用。2.2.55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，1987年，PeninElne:公司推出第一台近红外激发傅立叶变换拉曼光谱(NIRFT-R)仪，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，FT-Raman在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方而显小出了巨大的生命力。2.2.6拉曼光谱与其他仪器联用技术近两年，实现拉曼与其它多种微区分析测试仪器的联用，其中有:拉曼与扫描电镜联用(Raman-SEM);拉曼与原子力显微镜/近场光学显微镜联用(Raman-AFM/NSOM);拉曼与红外联用(Raman-FTR);拉曼与激光扫描共聚焦显微镜联用(Ranan一CLSM)，这些联用的着眼点是微区的原位检测。通过联用可以获得更多的信息，并提高可靠度。因此，国外的一些研究单位已经开始关注拉曼光谱仪和这些不同仪器的联用。这无疑开拓新的发展方向，推动科学研究工作向更深更广的方而发展。2.3拉曼光谱实验原理和实验方法拉曼散射是光和物质相互作用引起的，在光子和散射物质分子的碰撞过程中，散射物质会从入射光子吸收部分能量，或把自身的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，从而形成新的谱结构。当光子与分子发生弹性碰撞时，光子与分子之间没有能量交换，此时，散射光与入射光频率相同，这种频率未变的谱线叫做瑞利线.反斯托克斯线起因于样品中较高能态的作用，按玻耳兹曼分布率，其数甚少，故相应强度也大减，不到斯托克斯线的1/10.在较窄的谱段上有强度比如此悬殊的谱线同时出现，因此，如何获得清晰的信号较弱的拉曼散射谱是拉曼光谱技术和实验方法的关键.为获得信号较弱的拉曼散射谱，通常拉曼光谱仪的基本结构如图2—1所示。图2—1拉曼光谱基本结构示意图本文采用天津港东的LRS一拉曼光谱仪，以倍频YVO3:Nd激光为光源，光源波长为532.0nm.采用光电倍增管作为拉曼光谱的单通道接受器件，单光子计数器进行信号处理，并应用计算机对谱仪运行进行自动控制、自动信号采集和加工处理.拉曼散射是一种极微弱的光，其强度小于入射光强的10-10，比光电倍增管本身的热噪声水平还要低.当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率(即量子效率)使光阴极发射一个电子.这个光电子经倍增系统的倍增最后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲.除光电子脉冲外，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路中形成的热发射噪声脉冲.热电子受倍增的次数比光电子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低.此外还有光阴极的热发射形成的脉冲.噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布如图2—2所示.拉曼散射形成的光电子脉冲和光电倍增管的热噪声脉冲在脉冲幅度和分布上都不相同，利用脉冲幅度甄别器把幅度低于V。的脉冲抑制掉.只让幅度高于V。的脉冲通过就能实现单光子计数.图2—2光电倍增管输出脉冲分布实验获取谱图及数据处理阈值的选取谱图质量灵敏性依赖于甄别电平(阈值)的选取.如果选择过小则脉冲幅度甄别器无法排除噪声脉冲的干扰，拉曼散射峰将被淹没于噪声之中;而如果选择阈值过大，拉曼散射信号将减弱或被误认为噪声从而被排除.本实验采用的光电倍增管输出脉冲分布图中Vi=21V.图3为实验中分别取阂值19V,21V,24V时获得的拉曼光谱图.其中19V,21V,24V分别对应图2—3中的a，b，c。由图2—3可知，当阈值选取为21V时，获得的谱图效果最佳。图2—3选取不同闭值时的拉曼光谱分段获取强度相差悬殊的谱线在苯的拉曼光谱的实验中，由于斯托克斯线和反斯托克斯线的强度相差过大，在相同的实验参数下，,常常无法同时获得清晰和对比明显的斯托克斯和反斯托克斯谱线.实验中可采用选取不同的实验参数分段获取的方法，适当延长反斯托克斯线的扫描积分时间，以增大其强度，然后钊一对不同的区域选择合适的纵坐标以计数率最大值，使得拉曼光谱图中斯托克斯线和反斯托克斯线各个峰值都比较明显.实验中采用苯样品，对斯托克斯线和反斯托克斯线采用相同的扫描积分时间和不同的扫描积分时间分别测试，获得谱图2—4和图2—5。图2—4中的图2—4苯的拉曼光谱图图2—4苯的拉曼光谱图(a1),(b1)分别为在同等条件下测得的斯托克斯线和反斯托克斯线，图2—5中的(a2)为原积分时间并且调整纵坐标分度值之后的斯托克斯线;(b2)为延长积分时间并且调纵坐标分度值之后的反斯托克斯线。图5分段获取的苯的拉曼光谱图数据处理为使谱图数据的可比较性更强，对谱图数据的纵坐标进行了取以10为底的对数的处理，图6中的(a),(b)分别为取对数前和取对数后的谱图.显然取对数后反斯托克斯线更突显，拉曼光谱图关于瑞利线的对称性也更加显著。基于罗丹明B的拉曼光谱的实验分析3.1罗丹明B3.1.1罗丹明B简介罗月一明B(RhodamineB)，又称为四乙基罗丹明，蕊香红B，玫瑰红B，碱性玫瑰精，俗称花粉红，是一种具有鲜桃红色的人工合成的染料，有多种同系物，属于咕吨系列的衍生物(胡侠等，2010)0缩写为RhB，分子式为C28H31C1N2O3，分子量为479.0175结构式见图3—1。罗丹明B标准品为红紫色固体粉末，易溶于水和乙醇等有机溶剂，液体呈玫瑰红色溶液，带有强烈的荧光，微溶于盐酸和氢氧化钠溶液。由3,6一二氯荧烷与二胺在加压下反应制得，或经由邻苯二甲酸配与m-羟基N,N-二乙基苯胺缩合制得。罗丹明B具有强烈的荧光特性，主要被而于皮革、纺织、制漆和造纸等工业产品的染色，同时它作为一种常用的分析试剂，也广泛地应用在医药、环保和矿业等领域，在实验室中人们也将其作为细胞的荧光染色齐:罗丹明B曾也被用为食品着色剂，但后由试验证实该物质对人体有潜在的毒性(Hoop'etal1989)、致突变性(WuebblesandFelton1985)和致癌性((Sweatmanetal1990)，无论是吸入、摄取或是经皮肤接触到该物质都会导致急性或慢性的中毒事件，中国卫生部在2008年将罗丹明B列入到《食品中可能违法添加的非食用物质和易滥用的食品添加剂品种名单(第一批))中，禁止该物质在任何食品中使用。但是许多不法商贩还是因罗丹明B有鲜亮的颜色，且便宜易买到，而将其加入到辣椒制品等具有鲜亮的粉红色食品中以达到增加食品外观鲜艳度的效果。3.1.2罗丹明B的常用检测方式目前，检测食品中罗丹明B的国家标准尚未出台，仅仅是有一些地方标准和行业标准。根据一些相关文献报道，检测食品中罗丹明B的方法主要有:高效液相色谱紫外检测法、高效液相色谱串联质谱检测法、高效液相色谱荧光检测法、竞争性酶联免疫法等。高效液相色谱紫外检测法高效液相色谱紫外检测法是一种比较普遍的物质分析检测方式，紫外检测器灵敏度高，噪声低，线性范围宽，对环境温度及流动相组成变化、流速波动不是很敏感，所以即可用于等度洗脱，也可用于梯度洗脱，检测波长范围为200-400nm。李小燕等(2011)对样品进行固相萃取处理，高效液相色谱紫外检测器检测葡萄酒中的罗丹明B，在加标为1.5-3.5g/mL时，平均回收率是72.06%，相对标准偏差是2.87%，样品中目标物的定量检出限是0.25g/mL。高效液相色谱串联质谱检测法高效液相色谱串联质谱法是近年来发展起来的检测技术，使用三重四级杆质谱或离子阱质谱作为检测器，该检测方式兼具定性功能，灵敏度高，但要求前处理较复杂，仪器价格昂贵。张贞理等(2012)采用高效液相色谱一电喷雾串联质谱法对调味品中的罗丹明B进行检测，利用乙腈一乙酸提取样品中目标物，经固相萃取净化浓缩，正离子、多反应监测进行定性与定量，回收率在86.6%-95.7%之间，检出限和定量限分别是0.03和0.1Og/kgo1.高效液相色谱荧光检测法高效液相色谱荧光检测法是将普通高效液相色谱中的紫外检测器换为荧光检测器，主要用来检测能够发出荧光的物质。荧光检测器的灵敏度比较高，适用对目标物进行痕量分析;选择性也较高，但是只对荧光性物质或本身不发荧光但是经过化学反应后可以发出荧光的物质有响应。缪璐等(2011)建立了固相萃取一高效液相色谱荧光检测器进行调味品中罗丹明B检测的方法，通过用水提取样品中罗丹明B，经Strata-X-CW固相萃取净化，平均回收率在72.0%-96.5%之间，相对标准偏差在1.9%-5.2%之间，定量检出限是0.1g/kg。强、操作简单等特点，可以将分析过程更加简单化，但是免疫学检测需要制备抗体，而大部分抗体制备周期较长。王庭欣等(2010)利用戊二醛法对罗丹明B进行了免疫分析，通过用卵清蛋白及载体牛血清蛋白与罗丹明123偶联来制备包被抗原和免疫抗原，其中罗丹明123为罗丹明B的结构类似物。动物免疫获得罗丹明123的多克隆抗体，这一抗体可与罗丹明B发生明显交叉反应，进而对罗丹明B进行免疫分析。其他检测方式除上述几种检测方式之外，还有薄层色谱法(夏立娅和吴广臣，2009)，免疫亲和色谱法(宋姗姗，2011)等。其中薄层色谱法操作比较简单且快速，但是它应用的展开剂成分较复杂，对环境污染较大。免疫亲和色谱法是通过免疫学合成物质，然后通过高效液相色谱等仪器进行检测，此方法可以简化高效液相色谱等大型仪器检测时的样品前处理过程，但是需要获得高灵敏度且特异性强的抗体，这需要花费长时间和高费用。3.2在银胶体系中罗丹明B单分子水平上拉曼光谱研究近来，对常用的探测试剂罗丹明6G(Rh6G)展开了多方而的光谱学研究，得到了Rh6G单分子水平上的荧光光谱、随时间演化的拉曼光谱和Rh6G标定蛋白质的荧光及其拉曼光谱。为了进一步研究单分子的光谱特性，本文选择了与Rh6G分子结构相似的RhI3作为探测分子，并对单分子水平上银胶纳米体系中RhB和Rh6G的拉曼光谱进行比较。结果显小，单分子水平上RhB的拉曼光谱灵敏度是Rh6G的2倍多。目前，有关RhB单分子拉曼光谱学研究的报道还相当少，单分子水平上RhI3拉曼光谱学的研究将对表而科学、分子生物学等研究有一定的参考价值。实验银胶体制备方法。纳米银胶颗粒的扫描电镜(SEM)照片见图1所小，银胶颗粒均匀、棱角分明，直径为50~85nm。图1银胶颗粒SEM照片配置1mol/L的KC1溶液，所用的水为3次蒸馏水·玻璃先后用洗液(25g重铬酸钾溶于400mL的98%H2SO4)、丙酮、乙醇清洗干净，3次蒸馏水超声清洗30min，吹干备用。把RhB和Rh6G分别溶于3次蒸馏的水中，制成所需浓度。100L浓度为10-10，mol/L的RhB和Rh6G分别加入到0.9mL的银胶中，稳定2~3h后将其余涂在经过HMSO、清洗的玻璃上，让吸附有RhB(或Rh6G)胶体溶液在玻璃上自由扩散待其水分蒸发完毕，并用已醇冲去未吸附的分子，然后进行拉曼光谱的检测。对吸附有RhB和Rh6G的银胶溶液进行拉曼光谱检测，没有发现拉曼散射光谱产生，其后在1mL的RhB的银胶溶液中加入1滴1M/L的KC1再进行拉曼光谱检测，则得到较好的SERS光谱。所有的拉曼检测都是在室温下进行的。拉曼光谱测量是在英国RENISHAW公司制造的RM2000型激光拉曼光谱仪上进行的，激发线为A:离子激光器的514.5nm激光线。RhB和Rh6G在10-11mol/L的银胶溶液中，加入增强信号的C1粒子情况下才能得到SERS光谱;而民，在没有加入C1粒子的情况下，将其涂在玻璃上则能得到单分子水平上染料分子SERS光谱，这将对于在单个分子上研究和认识表而增强机制、电荷转移机制具有重要的意义。同时，在同种条件下，比较2种分子的SM-SERS光谱不难发现，无论在胶体溶液中还是将其稳定在玻璃上，从浓度关系上可以看出，单分子水平上RhB的拉曼光谱灵敏度是Rh6G的2倍多;时间演化的SM-SERS，体现了两者分子结构及其特性极其相似。将RhI3作为探测试剂会比Rh6G提供更多的信息，这将对分析化学、分子生物学和纳米结构材料等前沿科学研究提供有一定的参考价值。参考文献[1]马文强,方炎.在银胶体系中罗丹明B单分子水平上