2.4 拉曼光谱仪
拉曼光谱仪由激光源、收集系统、分光系统和检测系统构成,光源一般采用能量集中、功率密度高的激光,收集系统由透镜组构成,分光系统采用光栅或陷波滤光片结合光栅以滤除瑞利散射和杂散光,检测系统采用光电倍增管检测器、半导体阵检测器或多通道的电荷藕合器件。由于拉曼散射很弱,因此要求光源强度大,一般用激光光源。有可见及红外激光光源等。如具有308nm,351nm发射线的紫外激光器;Ar+激光器一般在488.0nm, 514.5nm等可见区发光;而Nd:YaG激光器则在1064nm的近红外区使用。
2.5 拉曼光谱的应用
2.5.1 定性分析
不同的物质具有不同的特征光谱,因此可以通过光谱进行定性分析。
2.5.1.1拉曼光谱图
其横坐标为拉曼位移,以波数表示 ,其中 和 分别为Stokes位移和入射光波数。纵坐标为拉曼光强。由于拉曼位移与激发光无关,一般仅用Stokes位移部分。对发荧光的分子,有时用反Stokes位移。
2.5.1.2 拉曼光谱数据库
目前已有的拉曼光谱数据库主要有:GRAMS(制药辅料红外/拉曼数据库)、GRAMS( 拉曼聚合物数据库) 、GRAMS( 拉曼法医分析数据库) 、GRAMS(拉曼有机化学数据库)以及 GRAMS( 拉曼光谱的Nicolet集合)。
2.5.2 定量分析
拉曼光谱定量分析据为:
(I光学系统所收集到的样品表面拉曼信号强度,K分子的拉曼散射截面积,Φ样品表面的激光入射功率,k、k’分别是入射光和散射光的吸收系数,Z入射光和散射光通过的距离,h(z)光学系统的传输函数,b样品池的厚度。)
在一定条件下,拉曼信号强度与产生拉曼散射的待测物浓度成正比。
2.5.3 应用技术
通常的拉曼光谱可以进行半导体、陶瓷等无机材料的分析。如剩余应力分析、晶体结构解析等。拉曼光谱还是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。如分子取向、蛋白质的巯基、卟啉环等的分析。此外,拉曼光谱在燃烧物分析、大气污染物分析等方面有重要应用。
2.5.3.1共振拉曼 RRS
以分析物的紫外-可见吸收光谱峰的邻近处作为激发波长。样品分子吸光后跃迁至高电子能级并立即回到基态的某一振动能级,产生共振拉曼散射。该过程很短,约为10-14秒。而荧光发射是分子吸光后先发生振动松弛,回到第一电子激发态的第一振动能级,返回基态时的发光。荧光寿命一般为10-6-10-8秒。共振拉曼强度比普通的拉曼光谱法强度可提高102-106倍,检测限可达10-8摩尔/升,而一般的拉曼光谱法只能用于测定0.1摩尔/升以上浓度的样品。因此RRS法用于高灵敏度测定以及状态解析等,如低浓度生物大分子的水溶液测定。共振拉曼的主要不足是荧光干扰。
2.5.3.2 表面增强拉曼 SERS
表面增强拉曼是用通常的拉曼光谱法测定吸附在胶质金属颗粒如银、金或铜表面的样品,或吸附在这些金属片的粗糙表面上的样品。尽管原因尚不明朗,人们发现被吸附的样品其拉曼光谱的强度可提高103-106倍。如果将表面增强拉曼与共振拉曼结合,光谱强度的净增加几乎是两种方法增强的和。检测限可低至10-9-10-12摩尔/升。表面增强拉曼主要用于吸附物种的状态解析等。
2.5.3.3电化学原位拉曼光谱法
电化学原位拉曼光谱法,是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象,将单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光) 激发受电极电位调制的电极表面,通过测定散射回来的拉曼光谱信号(频率、强度和偏振性能的变化)与电极电位或电流强度等的变化关系。一般物质分子的拉曼光谱很微弱,为了获得增强的信号,可采用电极表面粗化的办法, 可以得到强度高104-107倍的表面增强拉曼散射光谱,当具有共振拉曼效应的分子吸附在粗化的电极表面时, 得到的是表面增强共振拉曼散射光谱,其强度又能增强102-103。目前采用电化学原位拉曼光谱法的研究进展主要有:通过表面增强处理把测检体系拓宽到过渡金属和半导体电极、通过分析研究电极表面吸附物种的结构、取向及对象的SERS 光谱与电化学参数的关系,对电化学吸附现象作分子水平上的描述以及通过改变调制电位的频率, 可以得到在两个电位下变化的“时间分辨谱”,以分析体系的SERS 谱峰与电位的关系,解决了由于电极表面的SERS 活性位随电位而变化而带来的问题。