拉曼光谱 Raman spectroscopy

2022-10-27 15:02:47 浏览:484

定义

基于自发或受激拉曼散射的光谱。

拉曼光谱是一类广泛的光谱学方法,它基于自发或受激拉曼散射,一种非弹性光散射。它以Chandrashekhara Venkata Raman爵士的名字命名,他首先通过实验证明了拉曼散射。

拉曼光谱用于许多不同的目的(见下文应用部分),其变体取决于不同的操作原理。它们还涉及完全不同的仪器,例如关于使用的激光器类型。

自发拉曼散射

工作原理

在大多数情况下,利用由单个光源引起的自发拉曼散射。所研究的样品用具有足够窄的光带宽的强光束(通常是连续波激光束)照射。散射光主要由瑞利散射产生,但一小部分也由拉曼散射产生。虽然瑞利散射导致光具有不变的光学频率(除了可能的多普勒效应,它通常很弱),但拉曼散射产生具有显着改变的光学频率和波长的散射分量。这些频移分量必须使用合适的拉曼光谱仪进行分析。

上述光频率的变化源于光与所研究介质的非弹性相互作用。例如,激光可能会击中最初处于基态的气体中的分子。当发生自发拉曼散射时,分子被激发到更高的振动/旋转状态,并且散射光子的能量被该激发能量降低。也可能发生分子最初处于激发态并被激光束解激发的情况,导致反斯托克斯位移,即散射光的光学频率增加。因此,通过测量散射光的光谱,可以获得有关所研究样品中材料激发态的信息。光谱中通常有明确定义的“拉曼线”,例如对应于材料某些振动模式的能量。这些线条的图案通常为某些物质形成清晰的“光谱指纹”。

使用的拉曼光谱仪可以基于可调谐单色器与灵敏光电探测器的组合。使用其他类型的光谱仪可以更快地采集数据,例如包含光电探测器阵列或基于傅里叶变换光谱的光谱仪。

通常研究的激发是分子振动或晶格声子,频率为1 THz至100 THz。在大多数情况下,使用的光学频率要高得多(数百太赫兹)。

得到的拉曼光谱通常不是在水平轴上以绝对光学频率显示,而是以厘米为单位显示波数(理解为反波长)的差异−1.这些差异与光学频率或光子能量的差异成正比。例如,相差 1 厘米−1对应于 ≈30 GHz 的频率差。

图1:熔融石英的拉曼光谱(数据来自[2])。与提供非常清晰的拉曼线的单分子相比,由于有大量不同的声子模式,人们获得了相当广泛的分布。

分子的振动模式通常主要与某些化学键的振动相关,然后具有这些键特有的振动频率。例如,C-H键通常对应于2800至3200厘米左右的波数−1,而C-O双键约为1700厘米。−1.固体的声子光谱(参见图1)由于有大量不同的声子模式而表现出更广泛的特征。

拉曼光谱可以显示光子能量正负变化的区域,即斯托克斯线和反斯托克斯线的贡献。在其他情况下,仅显示斯托克斯区域。

与吸收光谱的比较

物质的激发态也可以用激光吸收光谱法研究。与此相比,拉曼光谱在某些方面有所不同:

使用的光子能量通常远高于与所研究的激发相关的能量。它通常不调谐到介质的电子跃迁(共振拉曼光谱除外),因此探针光不会经历实质性吸收,并且诱导的荧光很少。(效应的插图通常涉及某些“虚拟能量状态”,但这些状态不是所研究物质的真实激发状态,而只是想象状态。

因此,通常可以使用具有恒定光学频率的激光源而不是可调谐激光器。通常,人们在可见光或紫外光谱区域或红外线中使用激光。为了使吸收光谱在类似的激发特征上工作,通常需要一个可调谐的中红外激光源。此外,一种光电探测器可用于拉曼光谱,其工作波长要短得多;这是有利的,因为长波长红外探测器往往提供相当有限的信噪比和/或需要低温操作。使用过的光可以很容易地通过玻璃比色皿传输,而红外吸收光谱学需要更特殊的光学窗口。

此外,例如在生物学和医学研究的背景下,拉曼光谱是有利的,水几乎不会影响测量。它仅表现出微弱的拉曼散射,而红外吸收光谱会受到水中红外光吸收的严重影响。

拉曼线的强度

请注意,拉曼线的强度不仅取决于样品中某种物质的浓度,还取决于上述模式与光场耦合的强度。从本质上讲,这种耦合与极化率的变化有关,例如分子的变化。与红外吸收相比,由此产生的选择规则可能导致拉曼散射的线强度大不相同:在激光吸收光谱中几乎不可见的激发可能会产生强烈的拉曼线,而吸收光谱中的突出线可能仅对应于弱拉曼线甚至完全缺失的拉曼线。(某些振动跃迁不是拉曼活性的。从这个意义上说,用两种光谱技术获得的信息可以被视为互补的。

抑制来自瑞利散射的光

自发拉曼散射是一个相对较弱的过程;例如,发送到样本的百万个光子中只有一个可以以这种方式散射,并且通常只有一小部分散射光子会到达探测器,因为我们有全向散射。通常,更多的光通过瑞利散射(弹性散射,不改变光学频率)散射。因此,一个重大的技术挑战是抑制更强的瑞利散射光的干扰效应。在普通光谱仪中,瑞利散射光可能无法得到充分抑制,例如由于光谱仪设置中的光散射。因此,人们经常使用额外的光学滤光片(例如陷波滤光片)在进入光谱仪之前强烈衰减瑞利散射光。

对拉曼线的影响

记录的拉曼线的高度显然取决于相应物质的浓度。此外,其精确的水平位置(频移)可能会因对物质的某些影响(例如机械应力)而改变。此外,拉曼线可能由于不均匀性而变宽,导致不同分子的峰位置略有不同。此外,拉曼线的高度可能与温度有关。各种应用(见下文)利用拉曼线的这种影响来测量某些量。

用于自发拉曼散射的激光器

在拉曼光谱的早期,如果没有激光,很难产生足够强烈的准单色光。自 1960 年代引入激光器以来,激光器基本上一直用作拉曼光谱的光源。

对于研究无机样品,人们通常更喜欢使用波长相对较短的激光源,因为拉曼散射(在这个意义上类似于瑞利散射)在短光波长下会变得更强。例如,人们可以使用某种绿色激光甚至紫外激光(或倍频激光)。

然而,生物样品在紫外线甚至强可见光的影响下往往会迅速损坏。因此,在这种情况下需要使用波长较长的激光器,例如YAG激光器的1064 nm光。

在任何情况下,激光源的线宽都应远低于预期的拉曼线的线宽。通常需要使用窄线宽激光器,甚至可能是单频激光器,以研究例如分子气体或含有许多不同物质(例如石油)的液体。

拉曼光谱的改进和其他工作原理

偏振拉曼光谱

通常,探针激光的光是线性偏振的。通过获取激光束偏振方向和正交方向的拉曼散射光的光谱,可以检索样品的其他信息。具有各向同性偏振率的分子产生偏振散射光,而其他分子则引起部分去偏振。

还有测量拉曼光学活动的技术,涉及圆偏振光。

表面增强拉曼光谱 (SERS)

通过在样品中添加银或金胶体(含有纳米颗粒),可以显著增强拉曼信号。然后,激光激发纳米颗粒上的表面等离子体,这些等离子体在其附近具有显着增强的场强度,然后感兴趣的分子可能与光相互作用。

尖端增强拉曼光谱 (TERS)

这种方法有点类似于表面增强拉曼光谱。代替纳米粒子,同时使用非常锋利的尖端,这也表现出强烈的局部增强光场。获得的拉曼信号可能主要来自尖端周围直径几十纳米的非常小的体积。这对于实现具有非常高(亚波长)空间分辨率的拉曼显微镜显然很有吸引力。

共振拉曼光谱

虽然拉曼光谱通常使用频率远离电子共振的探针光进行,但有一些共振拉曼光谱技术将探针光调谐到接近这种电子共振的位置。这可能导致信号强度大幅增加。此外,由于由电子激发引起的电子密度变化可以或多或少地局限于较大分子的一部分,因此对于某些分子振动,这种增加可能比其他分子振动强得多。这可能提供进一步有价值的光谱信息。

共振拉曼光谱主要应用于含有发色团的大生物分子。该方法还可以与服务增强型拉曼光谱结合使用(见上文)。

受激拉曼光谱

虽然在大多数情况下使用自发拉曼散射,但有一些受激拉曼光谱的方法,通过使用两种不同的激光源获得更强的信号。例如,一个可以是固定频率的高功率泵浦激光器,而另一个(探针激光器)是功率较低的可调谐激光器,其波长可以围绕泵浦光束的波长进行调谐。一个检测探头光束发射功率的变化。请注意,使用这种技术不仅散射更强,而且还以定向光束的形式获得,这比向各个方向散射的光更容易检测。

这种相干拉曼光谱方法通常具有更高的灵敏度,但所需的仪器(包括可调谐激光器)更为复杂。

相干反斯托克斯拉曼光谱

相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)是另一种相干拉曼光谱。它采用三阶非线性光学过程,涉及三种不同的激光束:脉冲泵浦光束,可变且频率稍低的脉冲斯托克斯光束,以及另一个固定(较高)频率的探针光束。这些光束与样品的相互作用产生反斯托克斯频率(即高于探头频率)的光。当泵浦和斯托克斯光束之间的频率差与拉曼线的频率相匹配时,信号会谐振增强。

一个重要的方面是,不同分子对CARS信号的贡献可以沿着探头光束的路径相干地相干地加起来,这导致信号功率与路径长度和浓度的平方成正比。由此产生的定向信号束比来自全向非相干散射的光更容易检测。然而,对所用激光器的要求当然远远高于普通的非相干拉曼光谱。

超拉曼散射

超拉曼散射意味着散射光发生的频率略低于泵浦光频率的两倍。这意味着两个泵浦光子被转换成一个拉曼散射光和一个声子(或其他激发量子)的光子。这种效应通常相当弱,但它有一些方面使拉曼光谱变得有趣。特别是,超拉曼光谱可以提供其他非拉曼活性模式的信息。

拉曼显微镜

拉曼光谱也可以与显微镜相结合。结果可以称为拉曼显微光谱。

例如,可以使用扫描激光显微镜,其中通过一定体积的样品扫描紧密的激光焦点,并分析发送回激光的拉曼偏移光。利用共聚焦显微镜的原理,可以实现特别高的空间分辨率,通常略低于1μm。对于每个位置,可以获得完整的拉曼光谱(高光谱拉曼成像),而不仅仅是强度值。

另一种技术 - 尖端增强拉曼光谱(TERS) - 已经在上面提到过。

拉曼光谱的应用

拉曼光谱的应用领域非常广泛。一些例子是:

  • 生物学和医学科学研究
  • 药品监测
  • 物质和化学成分的无损识别,例如在工业中和用于历史艺术品的分析
  • 物质多态性的鉴定
  • 跟踪某些过程中物质的变化,例如聚合或热降解
  • 爆炸物检测
  • 通过拉曼线偏移测量拉伸和压缩应变
  • 温度测量,例如光纤中的分布式温度传感

参考文献

[1] P. J. Hendra and P. M. Stratton, “Laser-Raman spectroscopy”, Chem. Rev. 69 (3), 325 (1969), doi:10.1021/cr60259a003
[2] D. Hollenbeck and C. D. Cantrell, “Multiple-vibrational-mode model for fiber-optic Raman gain spectrum and response function”, J. Opt. Soc. Am. B 19 (12), 2886 (2002), doi:10.1364/JOSAB.19.002886
[3] C. L. Haynes et al., “Surface-enhanced Raman spectroscopy”, Anal. Chem. 77 (17), 338 (2005), doi:10.1021/ac053456d
[4] S. Laing et al., “Surface-enhanced Raman spectroscopy for in vivo biosensing”, Nature Rev. Chem. 1, 0060 (2017), doi:10.1038/s41570-017-0060
[5] Journal of Raman Spectroscopy by Wiley

方法

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