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激光拉曼光谱(RAMAN)
介绍

    拉曼光谱法是研究化合物分子受光照射后所产生的散射,散射光与入射光能级差和化合物振动频率、转动频率的关系的分析方法。 与红外光谱类似,拉曼光谱是一种振动光谱技术。所不同的是,前者与分子振动时偶极矩变化相关,而拉曼效应则是分子极化率改变的结果,被测量的是非弹性的散射辐。
    拉曼光谱通常采用激光作为单色光源,将样品分子激发到某一虚态,随后受激分子弛豫跃迁到一个与基态不同的振动能级,此时,散射辐射的频率将与入射频率不同。这种频率变化与基态和终态的振动能级差相当。这种 “非弹性散射”光就称之为拉曼散射。频率不变的散射称为弹性散射,即所谓瑞利散射。如果产生的拉曼散射频率低于入射频率,则称之为斯托克散射。反之,则称之为反斯托克散射。实际上,几乎所有的拉曼分析都是测量斯托克散射。
    拉曼光谱与红外吸收光谱相似。用散射强度对拉曼位移作图。拉曼位移(以cm-1为单位)等于激发光的波数减去散射辐射的波数。由于功能团或化学键的拉曼位移与它们在红外光谱中的吸收波数相一致,所以谱图的解析也与红外吸收光谱相同。然而,通常在拉曼光谱中出现的强谱带在红外光谱中却成为弱谱带甚至不出现,反之亦然。所以,这两种光谱技术常互为补充。

原理

    一定波长的电磁波作用于被研究物质的分子,引起分子相应能级的跃迁,产生分子吸收光谱。引起分子电子能级跃迁的光谱称电子吸收光谱,其波长位于紫外~可见光区,故称紫外-可见光谱。电子能级跃迁的同时伴有振动能级和转动能级的跃迁。引起分子振动能级跃迁的光谱称振动光谱,振动能级跃迁的同时伴有转动能级的跃迁。拉曼散射光谱是分子的振动-转动光谱。用远红外光波照射分子时,只会引起分子中转动能级的跃迁,得到纯转动光谱。

优点

    拉曼光谱的优点在于它的快速,准确,测量时通常不破坏样品(固体,半固体,液体或气体),样品制备简单甚至不需样品制备。谱带信号通常处在可见或近红外光范围,可以有效地和光纤联用。这也意味着谱带信号可以从包封在任何对激光透明的介质,如玻璃,塑料内,或将样品溶于水中获得。现代拉曼光谱仪使用简单,分析速度快(几秒到几分钟),性能可靠。因此,拉曼光谱与其他分析技术联用比其他光谱联用技术从某种意义上说更加简便(可以使用单变量和多变量方法以及校准。

特殊拉曼光谱

    除常规的拉曼光谱外,还有一些较为特殊的拉曼技术。它们是共振拉曼,表面增强拉曼光谱, 拉曼旋光,相关-反斯托克拉曼光谱,拉曼增益或减失光谱以及超拉曼光谱等。其中,在药物分析应用相对较多的是共振拉曼和表面增强拉曼光谱法。
    共振拉曼光谱法
    当激光频率接近或等于分子的电子跃迁频率时,可引起强列的吸收或共振,导致分子的某些拉曼谱带强度急剧增强数百万倍,这就是共振拉曼效应。
    许多药物在紫外-可见光区有强的电子跃迁。某些含发色团化合物的拉曼光谱因共振而增强,而其基体物质的光谱却不会增强。共振拉曼技术与常规拉曼光谱技术不同之处在于要求光源可变,可调谐染料激光器是获得共振拉曼光谱的必要条件。
    有些化合物可通过化学反应改变其结构,使之最大吸收峰接近激发光频率,如生成有色化合物,然后再进行共振拉曼光谱测定也是一个提高灵敏度的较有效的方法。
    共振拉曼技术由于灵敏度高而特别适用于药物和生物大分子的研究。但伴随样品本身或由杂质引起的荧光,以及为这一特殊光谱所需的激光和光学设计费用,限制了共振拉曼光谱的应用。
    表面增强拉曼光谱(SERS)
    吸附在极微小金属颗粒表面或其附近的化合物(或离子)的拉曼散射要比该化合物的正常拉曼散射增加 103~106倍。这种表面增强拉曼散射(SERS)在银表面上最强,在金或铜的表面上也可观察到。
    SERS现象主要由金属表面基质受激而使局部电磁场增强所引起。效应的强弱取决于与光波长相对应的表面粗糙度大小,以及和波长相关的复杂的金属电介质作用的程度。
    带孤对电子或 π电子云的分子呈现的 SERS效应最强,其他芳氮或含氧化合物,如芳胺和酚,也具有强的 SERS活性,这一效应在其他电负性功能团如羧酸中也能观察到。
    从少数分子获得大量结构信息的可能性使得 SERS可用于解决高灵敏度化学分析的许多问题。在表面增强拉曼光谱中,荧光的干扰可有效地得到抑制。

定性定量测定

    定性鉴别
    拉曼光谱可提供任何分子中官能基团的结构信息。因此可用来鉴别试验和结构解析。多晶现象可以参照红外的处理。
    定量测定
    拉曼谱带的强度与待测物浓度的关系遵守比尔定律:
    IV = KLCI0
    其中IV是给定波长处的峰强,K代表仪器和样品的参数,L是光路长度,C是样品中特定组分的摩尔浓度,I0是激光强度。实际工作中,光路长度被更准确的描述为样品体积,这是一种描述激光聚焦和采集光学的仪器变量。上述等式是拉曼定量应用的基础。
    影响因素
    最主要的干扰因素是荧光、样品的热效应和基质或样品自身的吸收。在拉曼光谱中,荧光干扰表现为一个典型的倾斜宽背景。因此,荧光对定量的影响主要为基线的偏离和信噪比下降,荧光的波长和强度取决于荧光物质的种类和浓度。与拉曼散射相比,荧光通常是一种量子效率更高的过程,甚至很少量不纯物质的荧光也可以导致显著的拉曼信号降低。使用更长的波长例如785nm或1064nm的激发光可使荧光显著减弱。然而,拉曼信号的强度与λ-4成比例,λ是激发波长。通过平衡荧光干扰、信号强度和检测器响应可获得最佳信噪比。 测量前将样品用激光照射一定时间,固态物质的荧光也可得以减弱。这个过程被称为光致漂白,是通过降解高吸收物质来实现的。光致漂白作用在液体中并不明显,可能是由于液体样品流动性,或荧光物质不是痕量。
    样品加热会造成一系列的问题,例如物理状态的改变(熔化),晶型的转变或样品的烧灼。这是有色的、具强吸收或低热传导的小颗粒物质常出现的问题。样品加热的影响通常是可观察的,表现在一定时间内拉曼光谱或样品的表观变化。除了减少激光通量,有许多种方法可用来降低热效应,例如在测量过程中移动样品或激光,或者通过热接触或液体浸入来改善样品的热传导。 基质或样品本身也可吸收拉曼信号。在长波傅里叶变换拉曼系统中,拉曼信号可以与近红外的泛频吸收重叠。这种影响与系统的光学以及样品的形态有关。装填和颗粒大小的差异而引起的固体散射的可变性与这种效应有关。然而,由于在拉曼光谱中样品的有限穿透深度和相对狭窄的波长范围,所有这些效应的大小都没有近红外光谱严重。
    定量拉曼光谱与许多其它的光谱技术不同,它是单光束零背景测量。谨慎地进行样品测定以及使用设计合理的仪器可以使这种变异减到最小,但是并不能全部消除。所以,绝对的拉曼信号强度很难直接用于待测物的定量。变异的潜在来源是样品的不透明性和样品的不均匀性、照射样品的激光功率的变化以及光学几何学或样品位置的变化。这些影响可以通过能重复的或有代表性的样品处置方式予以减小。
    由于拉曼信号绝对强度的波动,使用内标是最普通和有效的减少可变性的方法。内标方法有几种变通选择。可以有目的地加入一种内标,该内标应具有与待测物互不干扰的独特谱带以便检测。在溶液中,也可利用溶剂的独特谱带,因为溶剂随样品不同将相对保持不变。另外,在制剂中,如果赋形剂量大大超过待测组分,则可以使用该赋形剂的峰。在假设激光和样品定位的改变将会同等地影响全光谱的前提下,全光谱同样可以用作参比。
    样品测定中需考虑的重要因素还有光谱的污染。拉曼是一种可以被许多外源影响掩蔽的弱效应。普通的污染源包括样品支持物(容器或基质)和周围光线。通常,这些问题可以通过细致的实验方法来识别和解决。

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