[科普中國]-共振拉曼光譜

當激發(fā)頻率接近或重合于分子的一個電子吸收峰時,某一個或幾個特定的拉曼帶強度會急劇增加,甚至達到正常拉曼帶強度的百萬倍,并出現(xiàn)正常拉曼效應中所觀察不到的、強度可與基頻相比擬的泛音及組合振動,這就是共振拉曼效應(簡稱RRE)。高分辨的分光系統(tǒng)和靈敏的檢測系統(tǒng)的發(fā)展,以及振動和電子振動偶合理論的進展,使人們能得到很多有關分子、離子的拉曼譜帶強度與激發(fā)頻率依賴關系的信息,這就是在正常拉曼效應基礎上發(fā)展起來的共振拉曼光譜學?，F(xiàn)在共振拉曼光譜學已成為研究和檢側有機和無機分子、離子、生物大分子,甚至活體組成的有力工具。1

拉曼光譜技術的特點拉曼效應是分子對入射光所產生的使其頻率發(fā)生較大改變的一種散射現(xiàn)象。激光拉曼光譜主要有以下一些特點：

(1)每種物質(分子)都有自己的特征拉曼譜線，因此可用于表征這一物質。

(2)每一物質的拉曼頻移(即入射頻率與散射頻率之差)與入射光的頻率無關，拉曼散射是瞬時的，即入射光消失時，拉曼散射在 10-11～10-12S 后消失。

(3)拉曼譜線的線寬一般比較窄，并且成對出現(xiàn)，即具有同數(shù)值的正負頻率差。在短波一邊的稱為反斯托克斯線，在長波一邊稱為斯托克斯線。

(4)拉曼頻率位移的數(shù)值可以從幾個波數(shù)(cm-1)到 3800 個波數(shù)。

(5)一般的拉曼頻率是分子內部振動或轉動的頻率，有時與紅外吸收譜所得的頻率部分重合，并且波數(shù)范圍也是相同的。

(6)拉曼譜線的強度和偏振性質，對于各條譜線是不同的。

(7)斯托克斯線和反斯托克斯線的強度比代表分子在基態(tài)與在第一激發(fā)態(tài)的布居數(shù)(population)之比，這個比值遵從玻爾茲曼分布定律，是熱力學溫度的函數(shù)，同時還與拉曼位移有關。

(8)在分子與作拉曼散射的同時，還有比拉曼散射強幾個數(shù)量級的瑞利散射，其波長與入射光的波長相同。

(9)拉曼效應普遍存在于一切分子中，無論是氣體、液體或固體。2

共振拉曼光譜技術的優(yōu)缺點優(yōu)點與紅外光譜學相比,共振拉曼光譜的突出優(yōu)點在一卜`它能夠選擇性地增強與可見紫外電子吸收帶相關的振動。從這種選擇性增強及拉曼帶固有的譜帶較窄中?？傻玫奖燃t外光譜更多的情況。由于共振拉曼光譜的選擇定則與單光子吸收和發(fā)射光譜不同,又因共振拉曼帶寬一般不依賴于中間被激發(fā)的轉動一振動一電子態(tài),故從共振拉曼光譜中得到的信息在很多情況下遠遠越過電子吸收與發(fā)光光譜。

缺點共振拉曼光譜技術的缺點是設備費用較高,操作不如紅外、紫外光譜技術方便,有時還會因熒光而得不到光譜圖。另一個本身內在的缺點是:隨著波數(shù)增大,共振拉曼光譜強度變弱,甚至記錄不到,這是由于當用相當于或高于單、雙或三鍵鍵能波數(shù)的激光照射樣品時,樣品吸收了光子,引起這些化學鍵的斷裂,致使分子躍遷到某個解離連續(xù)態(tài)的幾率大于散射最終態(tài)。1

激光共振拉曼光譜技術振拉曼效應是在拉曼的基礎上引入共振吸收增強效應，即由于激發(fā)光的頻率落在散射分子某一電子吸收帶之內而產生的，所以共振拉曼光譜技術可使拉曼譜線強度顯著增大，甚至可致 106倍。共振拉曼光譜可提供較低的檢出限(對于某些組分為 10-6～10-8mol/L)而可用于痕量分析。因而，近年來共振拉曼光譜成為線性激光拉曼光譜技術中最為活躍的一個領域。共振拉曼效應可以很好地改善對復雜分子的拉曼測量的選擇性。因為電子躍遷僅局限在復雜分子的一部分上，所以只有與分子中某生色團有關的帶才能被增強。共振拉曼效應的特點是：

(1)某些拉曼線強度顯著增大，可增到 106倍，同一分子的各種拉曼譜線強度增加不同，增強只限于與電子躍遷偶合的振動模式，也就是說那些在電子激發(fā)時平衡幾何形狀會有大的改變的振動將被增強；

(2)倍頻與組頻強度顯著增加普通拉曼光譜中倍頻或組頻強度約為基頻的1%，而有些物質共振拉曼光譜中，倍頻可以接近基頻的強度；

(3)可以觀察到很多次倍頻，退偏比出現(xiàn)異常值，ρ 可以無限大。

共振拉曼光譜的實驗技術，原則上與自發(fā)拉曼光譜的技術相同，設備是基本一樣的，但它也有一些特殊方面：

(1)要求光源的頻率可調諧，至少在化合物的電子吸收譜區(qū)的長波部分可調諧，即在可見光和近紫外光譜區(qū)可調，以方便選擇任意的激發(fā)頻率，達到共振。

(2)激發(fā)光源的譜線寬度要盡可能的窄，譜線要很好的單色性，頻率要穩(wěn)定。

(3)激發(fā)光要盡可能強和會聚，這樣可以減少樣品對散射光的吸收損耗。

(4)光譜分析器(包括單色器和接受器)要盡可能靈敏和高分辨率。2

應用測定分子結構共振拉曼光譜學與其他分子光譜學一樣,是闡明原子、分子、離子以及結晶體系的工具。其特長是研究自由的或弱相互作用下的分子和多核離子的結構。

(1)利用共振拉曼光譜圖上的泛音頻率測定光譜常數(shù)。以往只有在簡單分子的氣體紅外光譜中能觀察到泛音級數(shù)而測得非諧常數(shù)。從很多物質(包括液體、固體)的共振拉曼圖上能得到相當強的泛音帶,可以從中精確地求出諧波頻率和非諧常數(shù),為確定電子基態(tài)勢能曲線(勢能面)提供重要依據(jù)。圖（1）為固體四碘化欽的共振拉是光譜圖。由該圖可明顯看出TiI4的一個全對稱基頻,,的十二個泛音帶。

(2)根據(jù)激發(fā)輪廓判斷電荷轉移體系分子間的相互作用。拉曼譜帶強度與激發(fā)頻率之間有著依賴關系是人們對共振拉曼光譜感興趣的主要原因之一。激發(fā)輪廓是用接近樣品的電子吸收頻率的激光(即激發(fā)頻率)對拉曼譜帶強度作圖得到的曲線。用激光輪廓研究電子躍遷方面的報導很多。

(3)共振時得到新退偏振比是檢測電子偶合的良好探針。正常拉效曼應中退偏振比與入射頻率無關。而在共振拉曼效應中退偏振比可能隨激發(fā)頻率而變,這樣得到的曲線稱為退偏振比色散曲線,對電子偶合很靈敏。在共振拉曼散射中能得到退偏振比p>3/4,稱為反常偏振,還有p趨于無窮的，稱為逆偏振的譜帶。

生物化學中的應用（1）低濃度樣品的檢測：在研究生物大分子時,共振拉曼技術由于樣品用量少和濃度低顯示了優(yōu)越性。圖（2）為抗腫瘤藥物在甲醇稀溶液中的共振拉曼圖,可見濃度在10-5M/L就能得到清晰的光譜。若用正常拉曼方法則所需濃度為1-0.1M/L。因此用共振拉曼光譜法可以不加處理地得到人體體液的拉曼光譜圖。

（2）非破壞性測定：有些很復雜的生化樣品,如血紅骯、葉綠素、胡蘿卜素、維生素B,:等,在相當強的激光照射下不會變化,因此可以用來作非破壞性的測定,如檢測活植物原樣中的紅細胞、番茄紅素及卜胡蘿卜素,菠菜葉綠體中的胡蘿卜素類及葉綠素,細菌細胞色素等。

（3）選擇性：共振拉曼光譜對某些拉曼帶有選擇性的增強,對研究大分子結構特別有利。這不僅簡化了光譜,并常能對分子某些特定的部分結構提供有價值的信息。不少重要的生物分子具有特征的電子吸收帶基團,適當?shù)剡x擇激發(fā)頻率可以得到這些基團的增強共振帶。這些基團的共振譜帶對其周圍的結構變化非常敏感,能成為生物基團的報告者。那些不含合適的發(fā)色團的大分子也常能在接上一個染料分子后,從比較聯(lián)上的染料分子的拉曼光譜與未聯(lián)前染料分子光譜的差別來了解電子躍遷受到環(huán)境的微擾,從而得到大分子的結構信息。1

本詞條內容貢獻者為:

李廉 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學