中国载人航天办公布的《中国空间站空间科学实验资源手册》中,将拉曼光谱仪列入载人航天实验室首批配置的科学仪器列表中

   日期:2019-05-08     浏览:44    
核心提示:近日,中国载人航天办公布的《中国空间站空间科学实验资源手册》中,将拉曼光谱仪列入载人航天实验室首批配置的科学仪器列表中。
     拉曼光谱的定义:

  拉曼光谱(Ramanspectra),是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应,对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息,并应用于分子结构研究的一种分析方法。

  近日,中国载人航天办公布的《中国空间站空间科学实验资源手册》中,将拉曼光谱仪列入载人航天实验室首批配置的科学仪器列表中。

  拉曼光谱技术将首次应用在航天科研领域。此次重大突破填补了领域空白,为未来我国航天技术发展和空间应用提供有力的技术支撑。标志着我国拉曼光谱研发技术取得重要阶段性成果。


  拉曼光谱的发展史:

  1928年C.V.拉曼实验发现,当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化,这一现象称为拉曼散射,同年稍后在苏联和法国也被观察到。

  在透明介质的散射光谱中,频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射;频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱,其中频率较小的成分υ0-υ1又称为斯托克斯线,频率较大的成分υ0+υ1又称为反斯托克斯线。

  靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱;远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。瑞利散射线的强度只有入射光强度的10-3,拉曼光谱强度大约只有瑞利线的10-3。

  小拉曼光谱与分子的转动能级有关,大拉曼光谱与分子振动-转动能级有关。拉曼光谱的理论解释是,入射光子与分子发生非弹性散射,分子吸收频率为υ0的光子,发射υ0-υ1的光子(即吸收的能量大于释放的能量),同时分子从低能态跃迁到高能态(斯托克斯线);分子释放频率为υ0的光子,发射υ0+υ1的光子(即释放的能量大于吸收的能量),同时分子从高能态跃迁到低能态(反斯托克斯线)。

  分子能级的跃迁仅涉及转动能级,发射的是小拉曼光谱;涉及到振动-转动能级,发射的是大拉曼光谱。

  与分子红外光谱不同,极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。

  激光器的问世,提供了优质高强度单色光,有力推动了拉曼散射的研究及其应用。

  拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域,对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。

  拉曼光谱的特征:

  拉曼散射光谱具有以下明显的特征:

  a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同,但对同一样品,同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关;

  b.在以波数为变量的拉曼光谱图上,斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧,这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。

  c.一般情况下,斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布,处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

  拉曼光谱技术的优越性:

  提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析,它无需样品准备,样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。

  1、由于水的拉曼散射很微弱,拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。

  2、拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间,可对有机物及无机物进行分析。相反,若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器。

  3、拉曼光谱谱峰清晰尖锐,更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中,独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

  4、因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且,拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小,可分析更小面积的样品。

  5、共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动,这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。

  拉曼光谱仪的构成:

  拉曼光谱仪一般由以下五个部分构成:

  1

  光源

  它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光。目前拉曼光谱实验的光源己全部用激光器代替历史上使用的汞灯。对常规的拉曼光谱实验,常见的气体激光器基本上可以满足实验的需要。在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强度稳定,这就要求激光器的输出功率稳定。

  2

  外光路

  外光路部分包括聚光、集光、样品架.滤光和偏振等部件。

  (1)聚光:用一块或二块焦距合适的会聚透镜,使样品处于会聚激光束的腰部,以提高样品光的辐照功率,可使样品在单位面积上辐照功率比不用透镜会聚前增强105倍。

  (2)集光:常用透镜组或反射凹面镜作散射光的收集镜。通常是由相对孔径数值在1左右的透镜组成。为了更多地收集散射光,对某些实验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加反射镜。

  (3)样品架:样品架的设计要保证使照明最有效和杂散光最少,尤其要避免入射激光进入光谱仪的入射狭缝。为此,对于透明样品,最佳的样品布置方案是使样品被照明部分呈光谱仪入射狭缝形状的长圆柱体,并使收集光方向垂直于入射光的传播方向。几种典型样品架的空间配置参见右图。

  (4)滤光:安置滤光部件的主要目的是为了抑制杂散光以提高拉曼散射的信噪比。在样品前面,典型的滤光部件是前置单色器或干涉滤光片,它们可以滤去光源中非激光频率的大部分光能。小孔光栏对滤去激光器产生的等离子线有很好的作用。在样品后面,用合适的干涉滤光片或吸收盒可以滤去不需要的瑞利线的一大部分能量,提高拉曼散射的相对强度。

  (5)偏振:做偏振谱测量时,必须在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋转器可以改变入射光的偏振方向;在光谱仪入射狭缝前加入检偏器,可以改变进入光谱仪的散射光的偏振;在检偏器后设置偏振扰乱器,可以消除光谱仪的退偏干扰。

  3

  色散系统

  色散系统使拉曼散射光按波长在空间分开,通常使用单色仪。由于拉曼散射强度很弱,因而要求拉曼光谱仪有很好的杂散光水平。各种光学部件的缺陷,尤其是光栅的缺陷,是仪器杂散光的主要来源。当仪器的杂散光本领小于10-4时,只能作气体、透明液体和透明晶体的拉曼光谱。

  4

  接收系统

  拉曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。光电倍增管接收就是单通道接收。

  5

  信息处理

  为了提取拉曼散射信息,常用的电子学处理方法是直流放大、选频和光子计数,然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。

  拉曼光谱发展前景:

  一、激光技术

  第21届国际拉曼光谱大会在英国伦敦召开,基于超快激光的非线性拉曼光谱技术已经越来越成熟了。国际上推出的从事非线性光谱研究的超快(飞秒或皮秒)激光器,技术上已经达到比较成熟地步,可以成套购买,也较稳定。非线性拉曼光谱技术已经在生命科学领域研究中发挥它的独特和重要作用。例如,美国哈佛大学的谢晓亮教授在开拓并运用相干反斯托克斯拉曼光谱显微学研究活细胞内部三维结构方面取得一系列重要成果。

  高质量的超快激光器还推动了另一个极具前途的表面光谱技术,就是合频(SFG)技术的发展,它作为具有独特的界面选择性的非线性光谱方法,已经在界面和表面科学、材料乃至生命领域研究中发挥着越来越重要的作用。

  二、纳米科技

  基于纳米结构的表面增强拉曼光谱(SERS)和针尖增强拉曼光谱(TERS)在超高灵敏度检测方面取得了长足的进步,推动拉曼光谱成为迄今很少的、可达到单分子检测水平的技术。现在不论是拉曼光谱刊物,还是拉曼光谱会议,SERS都是一个最受关注的内容。在近几届的国际拉曼光谱会议上,SERS分会都是最大的分会。

  近几年,有关SERS的论文数量也呈显著的上升趋势。SERS和TERS不仅仅在表面科学研究领域,而且在生命科学领域将具有很大的发展潜力,由此可以为研究各类重要的生命科学体系和解决基本问题作出贡献。拉曼光谱相对于红外光谱,其优势之一体现在用拉曼研究水溶液中比较方便,而生命科学的许多研究往往需要的水溶液环境。共振拉曼、表面增强拉曼和非线性拉曼光谱以及它们的联用将成为生命科学前沿领域具有重要价值的研究方法,因为21世纪是生命科学的世纪,是纳米技术和激光技术的世纪。

  
 
日期: 2019-05-08
标签: 拉曼光谱 光谱
 
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