第3章 拉曼光谱法

in Natively Unfolded Proteins:
α-Synuclein
Nakul C. Maiti, Mihaela M. Apetri, Michael G. Zagorski, Paul R. Carey, and Vernon E. Anderson J. Am. Chem. Soc.; 2004; 126(8) pp 2399 - 2408
散射光谱
拉曼散射光谱（Raman）
1922
1928
1930
斯梅卡尔 (A.Smekal) 预言新的谱 线 频率与方向 都发生改变
拉曼 （C.V.Raman） 在气体与液体 中观测到一种 特殊光谱的散 射
1888-1970 Residence: India
3.1 概述
光的散射: 用单色光照射透明的样品时，大部分按原来的方向透射，
电子激发 态能级 共振拉 曼散射 10-14s 电子基 态能级
振动驰豫
分子荧光
10-6~10-8 s 振动驰豫
仪器心脏 2个光栅，4个狭缝 减少杂散收光
激光拉曼光谱仪实物图
3.5 傅立叶变换激光拉曼光谱的应用
傅里叶变换拉曼光谱采用近红外激光光源,可避免样品的 光分解和荧光干扰,近90%的化合物可获得拉曼光谱;以迈克尔 逊干涉仪和傅里叶变换实现光谱多通道同时检测,具有仪器装 置体积小、分辨率高、波数精度及重现性好和测量速度快等 特点。 1. 对无机化合物或配合物进行非破坏性的快速研究 如，琥珀酸盐、硫酸盐、碳酸盐、砷酸盐、磷酸盐、 钼酸盐、钒酸盐、钨酸盐、氧化物和硫化物等的鉴别。 2. 用于鉴别红外FT-IR难以鉴定的样品 如，高岭土、多水高岭土、地开石和珍珠陶土等。 3.对木乃伊、古生物、古代纺织品、手稿、壁画等古物 进行非破坏和现场鉴定。
表面增强拉曼光谱是一种非常有效的探测界面特性 和分子间相互作用、表征表面分子吸附行为和分子 结构的工具。已成为灵敏度最高的研究界面效应的 技术之一,最大范围地应用于研究吸附分子在表面 的取向及吸附行为、吸附界面表面状态、生物大分 子的界面取向及构型、构象和结构分析;SERS技术也 逐渐成为表面科学和电化学领域有力的研究手段,并 已在痕量分析乃至单分子检测、化学及工业、环境 科学、生物医学体系、纳米材料以及传感器等方面 的研究中得到了广泛应用。
Nano Lett.; 2007; 7(2) pp 351 - 356
Cancer Cells Assemble and Align Gold Nanorods Conjugated to Antibodies to Produce Highly Enhanced, Sharp, and Polarized Surface Raman Spectra: A Potential Cancer Diagnostic Marker
CCl4的拉曼光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
Δν/cm-1
Anti-Stocks线 Stocks线
e e e e
温度升高 概率大！
3振 2动 1能 0级
电 子 基 态
e e
Rayleigh 散射
Raman 散射
拉曼位移（Raman shift）
4. 在生物、医学等领域中的许多高荧光背景的药物和药 物成形剂可获得高分辨率的FT-Raman光谱。 5. 根据正常组织和病变组织的FT-Raman光谱差异，可以 作为一种在在分子水平研究和鉴别各种疾病的新型手段。
应 用 实 例
黑井瓦条－－黑井火葬墓群中挖掘出土的, 是火葬墓的随葬品, 置 于火葬罐内, 表示被葬者的官阶、身份
2004年7月光谱学与光谱分析
(P823-825)
在室温环境下,将样品直接放在显微镜 下,将光点聚焦在样品表面,在相同条件 下取数点进行测试,得到的拉曼图谱有 两种
拉曼光谱测试可以原位、无损、准确地测出钾长石的变体月长石
应 用 实 例
Raman Spectroscopic Characterization of Secondary Structure
应 用 实 例
如果毒品种混有其他白色粉末，怎么办？
从图中可以明显的的看出来与毒品的光谱图形状 不一样
应 用 实 例
3.6 表面增强的拉曼光谱 Surface-Enhanced Raman Spectroscopic Fleischmann等人于1974年对光滑银电极表面进行粗 糙化处理后，首次获得吸附在银电极表面上单分子 层吡啶分子的高质量的拉曼光谱，随后Van Duyne及 其合作者通过系统的实验和计算发现吸附在粗糙银 表面上的每个吡啶分子的拉曼散射信号与溶液相中 的吡啶的拉曼散射信号相比，增强约6个数量级，指 出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应，被称 为SERS效应 表面增强拉曼光谱效应——吸附在经特殊制备的良 导体金属溶胶或掺和物等基质表面上的分子，其拉 曼光谱的强度比被吸附前大大增强的现象，增强因 子达104~108。
Surface-Enhanced Raman Spectroscopic-Encoded Beads for Multiplex Immunoassay
Bong-Hyun Jun, Jong-Ho Kim, Hyunmi Park, Jun-Sung Kim, Kyeong-Nam Yu, Sang-Myung Lee, Heejeong Choi, Seon-Yeong Kwak, Yong-Kweon Kim, Dae Hong Jeong, Myung-Haing Cho, and Yoon-Sik Lee
二氧杂环己烷的红外和拉曼光谱比较 红外光谱
O O
622cm-1 C—O—C 不对称伸缩振动
拉曼光谱
O O
1220cm-1 C—O—C 对称伸缩振动
3.4 激光拉曼光谱仪
激光器
最常用Ar＋激光器 488.0/514.5nm 频率高，拉曼光强大
试样室 双单色仪
发射透镜 使激光聚焦在样品上 收集透镜 使拉曼光聚焦在双单色仪的入射狭缝
21903
17469
6530
(a, b and c) 10-8M的罗丹明B在不同形状的Ag纳米材料上的SERS谱图 (d) 10-8M的罗丹明B水溶液的拉曼光谱
Jiatao Zhang, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 12544
Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering
The SERS spectra of adenine, guanine, thymine, cytosine, and uracil were recorded along with their corresponding nucleosides and 5'-deoxynucleotides. This method can therefore be used for high sensitivity, label-free identification of mononucleotides.
Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光频率与激发光频之差。 Δv取决于分子振动能级的改变， 所以他是特征的。
与入射光波长无关 适用于分子结构分析
3.3 拉曼光谱与红外光谱的关系
同
同属分子振(转)动光谱
红外：适用于研究不同原子的极性键振动 异：红外 分子对红外光的吸收
强度由分子偶极距决定 －OH, －C＝O，－C－X 异：拉曼 分子对激光的散射 拉曼：适用于研究同原子的非极性键振动
J. Comb. Chem; 2007; 9(2) pp 237 - 244
Composite Organic-Inorganic Nanoparticles as Raman Labels for Tissue Analysis
Lei Sun, Kung-Bin Sung, Claire Dentinger, Barry Lutz, Lienchi Nguyen, Jingwu Zhang, Haoyu Qin, Mineo Yamakawa, Manqiu Cao, Yu Lu, AJ Chmura, Jing Zhu, Xing Su, Andrew A. Berlin, Selena Chan, and Beatrice Knudsen
第3章 激光拉曼光谱法 Chapter 3 Laser Raman Spectroscopy
发射光谱
原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）、X射 线荧光光谱法（XFS）、分子荧光光谱法（MFS）等
吸收光谱
紫外－可见光法（UV-Vis）、原子吸收光谱（AAS）、 红外观光谱（IR）、核磁共振（NMR）等
3.2 方法原理 拉 曼 减 散 小 射
λ 变
λ 增 大
样 品 池
λ
透过光λ不变
瑞 利 散 射
λ 不 变
Stocks(斯托克斯)线：
能量减少，波长(数)变长(小) 受激虚态不稳定，很快(10-8s)跃回基态 室温时处于基态振动能级的分子很少， 大部分能量不变，小部分产生位移。 Anti-stocke线也远少于stocks线。 Anti－Stocks线： 能量增加，波长(数)变短(大) 温度升高，反斯托克斯线增加。
强度由分子极化率决定 －N－N－, －C－C－ 互补
O=C=O
对称伸缩
偶极距不变无红外活性
Oຫໍສະໝຸດ BaiduC=O
反对称伸缩
偶极距变有红外活性
极化率变有拉曼活性 极化率不变无拉曼活性
υ1 υ2 υ3 υ4
S S
C S C
拉曼活性 红外活性
S
S
C
S
红外活性
CS2的 振 动
在υ1s 中偶极矩不变，故非红外活性，但电子云形状变了，故是拉 曼活性的。 υ2as和υ3、υ4是红外活性的，而非拉曼活性,因为在平衡位置前后电 子云形状相同。
而一小部分则按不同的角度散射开来，该现象称为光的散射（散射
是光子与试样分子相互作用的结果） 瑞利散射: 如果在相互作用时(指光子与试样分子间)，光子与分子之 间没有能量交换，则光子的动能保持不变, 散射光的频率ν2与入射 光ν1相同(ν1=ν2)，仅光子的运动方向改变，这种散射叫瑞利散射。 拉曼散射：如果光子与试样分子在相互作用时，光子与分子之间发生 能量交换，光子就把一部分能量给与分子或者从分子获得一部分，光 子的能量就会减少或增加。于是在瑞利散射线的两侧可观察到一系列 低于或高于入射光频率的散射线，这就是拉曼散射，所得光谱称为拉 曼散射光谱。
For single rhodamine 6G molecules adsorbed on the selected nanoparticles, the intrinsic Raman enhancement factors were on the order of 1014 to 1015.
Shuming Nie and Steven R. Emory Science ,1997,275:1102-1106
Xiao hua Huang, IvanH.El-Sayed, Wei Qian, and MostafaA.El-Sayed
Nano Lett 2007 Vol.7,No.6 1591-1597
3.7 共振拉曼光谱 Resonance Raman Spectroscopic
共振拉曼效应-------当激发光的频率接近或等 于被测分子的电子吸收频率（紫外-可见光）时， 某一条或几条特定的拉曼线强度会急剧增加（一 般增强102~106倍）的现象。
Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for DNA Detection by Nanoparticle Assembly onto Smooth Metal Films
Gary Braun, Seung Joon Lee, Mark Dante, Thuc-Quyen Nguyen, Martin Moskovits, and Norbert Reich J. Am. Chem. Soc.; 2007; 129(20) pp 6378 - 6379;