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紫外拉曼光谱及其应用

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2010年6月 兴义民族师范学院学报 Journal of Xingyi Normal University for Nationalities June 2010 No.1 第1期 紫外拉曼光谱及其应用 郝艳玲张星 (兴义民族师范学院, 贵州 兴义562400) 摘要:紫外拉曼光谱相对于可见及近红外拉曼光谱有着独特的优势,拓宽了拉曼光谱在物理、 化学、生物、材料等领域的应用。介绍紫外拉曼光谱的特点及优势,综述近几年来紫外拉曼光谱的发展 与应用。 关键词:拉曼;紫外拉曼;光谱 文章编号:1009--0673(2010)01-_o108-_05 中图分类号:0657.37 文献标识码:A UV Raman Spectroscopy and Its Applications HAO Yan-ling ZHANG Xing (Xingyi Normal University for Nationalities,Xingyi,Guizhou 562400,China) Abstract:Comparing with the visible and near-infrared Raman,the UV-Raman spectroscopy has many unique advantages. It can expand the range of Raman applications in physics,chemistry,biology and material sciences.In this paper,the features and advantages of UV-Raman spectroscopy are summarized.In addition,the newly developments and applications in recent years of UV-Raman spectroscopy re reviewed.a Key words:Raman;UV—Raman;spectrum 拉曼光谱是一种无损伤、高灵敏度的i贝4量技 术,在物理、化学、生物学、矿物学、材料学、考古学 和工业产品质量控制等各个领域中有着广泛的应 一、拉曼光谱的基本原理 考虑光的粒子性,光子与物质分子的碰撞可 以分为两类,即弹性碰撞和非弹性碰撞。光的散射 用,是研究分子结构和组态、物质成分鉴定、结构 分析的有力工具。 可见光激发的拉曼研究和应用已经相当普 遍。但是,可见光激发的拉曼存在明显的不足./J、 的散射截面与荧光的干扰,另外,一些颜色较深的 样品对可见光的吸收很强,因此,用可见光作为激 可以看作是光子与物质碰撞后运动方向的改变。 如果发生的是弹性碰撞,即光子仅改变运动方向 发光源,有时很难得到拉曼光谱。而紫外拉曼能比 较好的克服上述缺点,因此受到人们的广泛关注, 近年来发展迅速。 ■ 囊 图1拉曼散射量子跃迁示意图 收稿日期:2O1O~03—08 作者简介:郝艳玲(1982一),女,河南周口人,兴义民族师范学院物理系讲师,主要从事纳米材料及 其光谱学特性的研究。 ・108・ 2010年 郝艳玲张星 紫外拉曼光谱及其应用 使用染料激光器也面临着诸多问题。 第1期 而在碰撞过程中没有发生能量交换,这种散射即 称为瑞 ̄lJ(Rayleigh)散射;如果发生的是非弹性碰 撞,即光子不仅发生了运动方向的改变,而且在碰 撞过程中有能量交换,这种散射就是拉曼(Ra— man)散射。结合图1可以更加清楚地了解光的拉 曼散射过程。 在激发光的激励下,分子从它的某一振动态 用脉冲激光进行激励的研究对于探讨利用紫 外光源进行共振拉曼的可行性起着重要的作用。 它们证明了用低于260nm的光源进行激发,荧光 不会再干扰紫外拉曼的测量。 随着腔内倍频的氩离子激光器和倍频的氪离 子激光器的开发,给拉曼光源带来了革命性的进 f基态或激发态)跃迁到一个受激虚态,在皮秒时 间尺度内跃迁回低能态,同时伴随着光子的释放。 这时,大部分跃迁回基态时所释放的光子的波长 与激发光相同,就是瑞利散射线。另有少数光子的 波长与激发光不同,即拉曼散射线,该散射又可以 分为两类:Stokes散射和反Stokes散射。由于常温 下处于振动基态的分子数远多于处于振动激发态 的分子数,所以Stokes谱线要比反Stokes线强得 多。拉曼光谱所关心的是拉曼散射光与入射光频 率的差值,即拉曼频移。不同的激发光所产生的拉 曼散射光频率也不相同,但是拉曼频移是相同的。 拉曼频移表征的是化合物的振动一转动能级,在 这一点上拉曼光谱与红外光谱是十分相似的。但 是由于拉曼光的产生比较困难,所以直到激光技 术日渐成熟之后拉曼光谱才得到了极大发展。 二、紫外拉曼的发展 早在2O世纪70年代中期,拉曼光谱就充分 显示了其固有的特点,但是被分析物质及杂质的 荧光对其产生严重的干扰。由于拉曼信号很弱,直 到8O年代中期,人们还认为拉曼技术只有专家才 能掌握,不能用于常规分析。 80年代早期,人们开始了紫外波段的拉曼研 究。那时,低于300nm的激光就要用非线性光学 转换的方法实现。用Nd:YAG激光的三倍频、四倍 频、五倍频经过氢气的拉曼频移获得184nm和可 见波段之间的大量激发频率,它们虽然不是完全 可调谐的,但是这些频率之间的间隔已经非常小 了【l】。 到了9O年代初期,人们采用了300Hz的,脉 冲宽度为16ns的308nm的XeC1准分子激光泵 浦一台染料激光器,再将其输出到倍频208nm,用 这种激光器比较容易获得基态光谱,但仍需要对 光谱进行计算才能确定基态样品是否在测量结果 中占优势。由于准分子激光器会使染料很快退化, 展。它们是连续紫外激发光源而不是脉冲紫外激 发光源。激发波长217—400nm范围连续可调。90 年代末,科学家又采用紫外瑞利散射光光学过滤 器和单级单色仪分光,克服了采用复杂的多级单 色仪分光光通效率低等缺点,使得紫外拉曼成为 物质结构成分分析的有力工具。 三、紫外拉曼的优势 紫外拉曼相对于可见区拉曼和近红外区拉曼 存在着巨大的优势。 , 1.避开了荧光的干扰 因为大部分物质的荧光都发生在可见区,用 紫外光激发时,即使是斯托克斯线也落在紫外区, 因此能够避免荧光的干扰。 2.具有很高的灵敏性 光入射到偶极子上,会引发辐射,其辐射的总 强度为翻 l: =一! U=KV2-k、, 3c3 o 式中,v是感生偶极子的振荡频率,也就是散 射光的频率,u。是感生偶极矩的振幅,k是与频率 无关的常数。上式表明拉曼信号的强度与其频率 的四次方成正比,而紫外光的频率相对于可见光 与红外光要高得多,因此会造成额外的增强。例 如,波长为514.5nm(可见)与1064nm(近红外)的 激发光相对于325nm(紫外)的激发光,后者的额 外增强分别可达6倍和ll5倍。另外,由于紫外光 的光子能量与电子能级间的能量差相当,因此很 容易得到共振拉曼光谱,共振拉曼增强效果是十 分显著的。由于上面的的两个原因,使得紫外拉曼 的灵敏度提高很多倍。 3.具有很好的选择性 对于不同的样品或样品中的不同结构,其电 子能级不同,因此能使其共振的激发光亦不同。在 常规的拉曼散射中,激发光源的光谱位置离任何 .】09. 2010年 兴义民族师范学院学报 第1期 吸收带都比较远,所有的电子受入射扰动的情况 在生物大分子和生物超分子的结构的研究 都是相同的,因此,在常规的拉曼中,所有的样品 对光谱的贡献是类似的,与它们的浓度成正比【3]。 但是,如果在电子吸收带内进行激发,也就是所谓 的共振激发,感生偶极矩就非常大,产生的拉曼散 射的强度就很大。因此如果用被分析物选择吸收 中,特别是在溶液中的生物分子空间结构与功能 的相互关系的动态研究中,紫外拉曼光谱也是一 种有效的方法,应用该方法能够对蛋白质中的三 种二级结构作出准确的分析网。 2.环境污染物的探测 的频率激发,以稀释的样品就可以获得有效的振 动拉曼光谱。对于大的分子,甚至可以选择一定的 频率对该分子的特定部分进行激发。共振拉曼技 术利用和特殊样品某一部分内的特殊电子跃迁相 一致的频率选择激发,能够选取高纯化学物质,因 为只有那些振动态与特定极矩的电子相符合的分 子才能明显地增强拉曼谱带,这就使紫外拉曼具 有了双重选择性【1J。 4.在研究高温物质时具有独特的优势 由于高温物体具有黑体效应,而黑体辐射的 波长集中在可见和近红外区,所以用可见光或近 红外光作为激发光时,拉曼信号很容易被黑体辐 射所造成的背底所湮没,因此很难观测到拉曼信 号。而用紫外光作为激发光时,拉曼信号也随之移 到了紫外区,这样就避开了黑体辐射的区域。加之 紫外拉曼的增强作用,用紫外拉曼检测高温样品 的拉曼时就容易得到比较理想的结果。 四、紫外拉曼的应用 由于紫外拉曼本身具有巨大的优势,因此吸 引了很多人投身于这方面的研究,特别是近几年, 随着实验技术和实验仪器的迅猛发展,该技术在 生物医药领域、环境污染物的探测和无机材料的 检测等方面应用中已经取得了大量成果。 1.生物医药领域的应用 大多数生物大分子的拉曼散射很弱,荧光又 相当强,加上谱带多,相互交叠,用可见区拉曼分 析经常会遇到障碍。由于紫外拉曼灵敏度高,又没 有荧光干扰,能够获得清晰的谱图。这对生物大分 子结构及其在水溶液中受外界环境(温度、离子浓 度、pH值)的影响所发生的变化进行研究是非常 有用的,拉曼散射截面的测量现已用作检验其局 部蛋白质环境的手段之一 。另外,通过紫外光激 发,引起核酸基电子的共振跃迁,这样就可以在核 酸基的浓度比生理浓度低的情况下观察到核酸基 的拉曼振动频带嘲。 ・ll0・ 多环芳香烃(PAH)是普遍存在的环境污染 物,它们有的本身就是“高效”的致癌物,有的会产 生高度致癌的物质。这类化合物一旦与DNA共价 结合或者嵌入DNA将导致细胞复制能力的减弱。 因此,对这类在化学物质、生物体和环境中含量相 对较低但危害较大的化合物的探测是极其重要的 【1J。 人们曾经采用质谱和荧光光谱的方法进行 检测,其缺点是质谱法通常需要繁琐的样品制备, 而荧光光谱又往往受到荧光淬灭或其他物质荧光 的干扰,而且多环芳香碳氢化合物较宽的荧光谱 带有时很难反映出相似物质之间的区别,而紫外 拉曼光谱能够测量到水溶液体系中的多环芳香碳 氢化合物。由于紫外拉曼光谱较强的选择性,运用 紫外共振拉曼光谱能够有效地对痕量萘、蒽、菲和 芘等碳氢化合物进行检测和光谱表征阴。 3.无机材料的检测 紫外拉曼在无机材料的研究中,应用越来越 广泛,其中主要包括金刚石膜嘲、非晶碳【9'101、各类 催化剂…2】、碳氮膜fJ3】、氧化锆及其搀杂物fJ4 等。 这主要是因为紫外拉曼很好得避开了荧光的干 扰,并且信噪比很高,能够给出上述无机材料的特 征峰。 4.高温条件下的应用 在高温隋况下现场测量对理解固体物质的特 性随结构和成分的变化而伴随的改变是非常重要 的,激光拉曼光谱在这方面已经有了广泛的应用 【 】。但是,在高温情况下,拉曼信号与连续的热 辐射背底相比比较弱,这就限制了拉曼技术在此 类研究中的进一步应用。为了更好的在高温睛况 应用此技术,必须提高激发光源的激发功率。但 是,激发功率提高后,将会损坏样品。在一些情况 下,用紫外光激发是一种比较好的选择的,因为紫 外光能将拉曼散射光的波长与热辐射的峰值波长 分离。 2010正 郝艳玲张星 紫外拉曼光谱及其应用 应闭。 第1期 E.Zouboulis[ 6]等人在不同的温度下,分别用可 见、近红外与紫外拉曼测量了蓝宝石的拉曼光谱, 结果证明紫外拉曼在研究高温物体时的确有很大 的优势。H.Fujimori[ 7】等人用紫外光激发时,在高 六、结束语 紫外拉曼光谱由于避开了荧光干扰和具有较 高的灵敏度,在很大程度上拓宽了拉曼光谱在物 理、化学、生物、材料等领域中的应用。当然,紫外 拉曼本身也有一些缺点。首先,相对于可见拉曼, 紫外拉曼的发展要滞后很多,实验技术和理论都 温下获得了羟磷灰石的拉曼光谱,其结果与计算 相吻合。M.Kuball[ B】等人用紫外拉曼研究了A1GaN 在高温退火过程中的降解情况,得到了很好的结 果。 五、研究情况 北京市纳米光电子学重点实验室进行了大量 紫外拉曼光谱的研究工作。 1.紫外表面增强(UV—SERS)机制的研究 由于uV—SERS实验固有的困难,很少有报 道,目前为止,SERS的理论机制并没有一个确定 的定论。在粗糙电极表面获得了一系列分子,如胸 腺嘧啶『l91、对硝基苯甲酸[201、对羟基苯甲酸【2lJ、吡 啶 等的紫外表面增强拉曼光谱。实验发现,随电 位的的变化,这些分子的uV—SERS有不同程度 的变化,分析认为这种现象不是由于电磁效应所 引起,而是电极表面和吸附分子问发生了电荷转 移的结果。对于紫外光激发下电极表面拉曼光谱 的研究能够促进对uV—SERS机制的探索。 2.分子在水溶液中存在状态的研究 目前,结合振动光谱对物质在水溶液中的行 为进行理论研究的工作还比较少。结合DFT理论 分析了对羟基苯甲酸在水溶液中主要是以离子形 式存在的 。分析了吡啶羧酸(皮考酸、烟酸和异 烟酸)在不同PH值溶液中的存在形式 ,认为皮 考酸分子在中性水溶液中主要是以羧基上氢离子 电离后形成的阴离子形式存在,而酸度由中性逐 渐变强的过程中,皮考酸分子会由原来的阴离子 形式逐渐变为形成分子内氢键的两亲离子的形 式。而烟酸和异烟酸则会倾向于形成两个分子相 互结合的复合结构。这为研究物质在溶液中的状 态提供了一种新方法。 3.低浓度水溶液中的紫外拉曼研究 由于溶解度较低的原因,直接获得可见区和 近红外区的苯甲酸及其硝基取代物(BA、PNBA 及ONBA)水溶液的拉曼光谱是非常困难的。而采 用紫外光激发,获得了高质量的苯甲酸及其硝基 取代物水溶液(≤0.01M)的拉曼光谱,并且发现 325nm的紫外光激发下,银胶便表现不出增强效 不很成熟。其次,由于紫外光的光子能量高,用其 照射样品时,会导致一些样品变性。因此,在实验 的时候就需要特别注意,不然就有可能得到错误 的信息。虽然紫外拉曼有这样或那样的缺点,但这 并不能掩饰其巨大的优势与潜力,相信通过大家 的努力,紫外拉曼的应用会越来越普遍。 参考文献: 【1]李光晓.拉曼光谱技术的新进展卟光电子 技术与信息,1998,11(1):1-7. 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