發(fā)射光譜是相對(duì)吸收光譜而言的,它是一個(gè)體系在外部激發(fā)下向外發(fā)射出的,包含人射光頻率(或波長)以外的特征光信號(hào),外部激發(fā)的方式可以是高溫燃燒、化學(xué)反應(yīng)、電磁輻射等。在本文中,將首先介紹一些發(fā)射光譜的基本概念;然后依次介紹原子發(fā)射光譜、熒光光譜和拉曼光譜技術(shù),包括它們的產(chǎn)生機(jī)理、測(cè)量方法和具體應(yīng)用。

發(fā)射光譜的典型特征是其光譜信號(hào)中包含入射光頻率(或波長)以外的特征光信號(hào),即會(huì)產(chǎn)生新的波長。我們先來了解一下發(fā)射光譜的產(chǎn)生和它的具體形式。

1） 發(fā)射光譜的產(chǎn)生

從能量轉(zhuǎn)移的角度來說,吸收光譜是入射光的能量轉(zhuǎn)移到原子或分子上使得原子或分子從基態(tài)或較低能級(jí)躍遷至較高能級(jí)而產(chǎn)生;而發(fā)射光譜則正好相反,它是由于原子或分子由高能級(jí)向低能級(jí)或基態(tài)躍遷時(shí)向外發(fā)射出光子而產(chǎn)生。如下圖所示。

但是,原子或分子通常處于基態(tài),所以要形成發(fā)射首先需要通過外部激發(fā)把分子或原子“搬運(yùn)”到高能級(jí)上,然后才能向低能級(jí)躍遷產(chǎn)生發(fā)射光譜。外部激發(fā)的形式有多種,包括高溫燃燒、電磁輻射、化學(xué)反應(yīng)等。以前經(jīng)常用到的蠟燭,其發(fā)光方式就是典型的燃燒發(fā)光;白熾燈是通過電加熱的方式使鎢絲達(dá)到很高的溫度從而發(fā)光;生活中使用的日光燈,其發(fā)光是一種光致發(fā)光的形式,日光燈的管壁涂有一層熒光材料,在高壓汞燈的照射下向外發(fā)射出熒光;在化學(xué)反應(yīng)過程中某物質(zhì)吸收了反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)能躍遷至高能級(jí),然后再回到低能級(jí)也會(huì)導(dǎo)致發(fā)光,比如熒光棒,就是在揉搓棒時(shí)使里面的過氧化物和酯類化合物混合發(fā)生反應(yīng),釋放的化學(xué)能傳遞給熒光染料從而發(fā)光

2） 發(fā)射光譜的分類

發(fā)射光譜技術(shù)主要包括原子發(fā)射光譜(atomicemission spectroscopy,AES)、熒光光譜(fluorescence spectroscopy)和拉曼光譜(Raman spectroscopy)等三種形式。原子發(fā)射光譜一般用于元素分析,通過電火花放電、電感耦合等離子體、輝光放電等方式激發(fā)原子到高能級(jí),然后在返回低能級(jí)或基態(tài)時(shí)發(fā)射出相應(yīng)的原子特征譜線。熒光光譜是物質(zhì)吸收了外部光輻射后躍遷到激發(fā)態(tài),然后再由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或鄰近基態(tài)時(shí),向各個(gè)方向發(fā)光的一種發(fā)射光譜,需要注意的是自然界中很多物質(zhì)是沒有熒光效應(yīng)的。拉曼光譜是光照射到物質(zhì)上發(fā)生了非彈性散射,被散射的光的頻率發(fā)生了改變,它實(shí)際上也包含了先吸收(即激發(fā))后發(fā)射的過程,拉曼光譜信號(hào)一般比較弱,這是其應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn),但是它和紅外光譜一樣是用于研究分子結(jié)構(gòu)的有力工具。

從光譜技術(shù)的發(fā)展歷史來看,光譜分析最早應(yīng)用的是原子發(fā)射光譜:沃拉斯頓和夫瑯和費(fèi)觀察到的太陽黑線,實(shí)際上就是太陽發(fā)射光譜被吸收的元素特征譜線;本生和基爾霍夫研制的第一臺(tái)實(shí)用光譜儀,儀器中使用本生燈燃燒物質(zhì)來激發(fā)元素的發(fā)射譜線。在原子發(fā)射光譜中,光源(或者說激發(fā)方式)是其中的核心部分,原子發(fā)射光譜分析技術(shù)的發(fā)展與光源的進(jìn)步分不開。

1） 激發(fā)方式

在原子發(fā)射光譜中,待測(cè)物獲得能量后其組分被蒸發(fā)為氣體分子,氣體分子進(jìn)一步獲得能量被解離成原子,原子在外部激發(fā)下使其外層電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),如果再進(jìn)一步獲得能量電子將脫離原子核束縛成為自由電子,而原子也被電離成離子,該過程如下圖所示。待測(cè)物經(jīng)過上述的激發(fā)過程后,將形成包含分子、原子、離子、電子等各種氣態(tài)粒子的集合體,整個(gè)集合體在宏觀上呈電中性,處于類似于等離子體的狀態(tài)。

不同原子激發(fā)和電離的難易程度不一樣,這是由元素本身的共振能和電離能的大小決定的。比如:銫(Sc)元素的共振能和一次電離能(分別為1.45eV和3.89eV)最小,因此最易激發(fā)和電離;而氨(He)元素的共振能和一次電離能(分別為21.13eV和24.48eV)最小，因此最難激發(fā)和電離。采取何種方式激發(fā)待測(cè)物,或者說在原子發(fā)射光譜中采用何種光源,主要考慮待測(cè)元素激發(fā)和電離的難易程度。但是需要注意的是:激發(fā)和電離的難易與蒸發(fā)和原子化的難易是兩碼事,Ba、Zr和稀土元素很容易被激發(fā)和電離,但很難被蒸發(fā)及原子化,而As、Zn、Se、Te等原子很容易被蒸發(fā)和原子化,卻很難被激發(fā)和電離。

在原子發(fā)射光譜中所用的光源主要有火焰、電弧、電火花、電感耦合(inductivecoupledplasma,ICP)、輝光放電等形式,這些光源都會(huì)形成等離子態(tài),但是習(xí)慣上我們僅將ICP放電光源稱為等離子光源。

(a)電火花光源

電弧和電火花光源稱得上是發(fā)射光譜中的經(jīng)典光源,它們利用在電極之間發(fā)生電弧或電火花放電所產(chǎn)生的能量使分析物蒸發(fā)、原子化并激發(fā),從而發(fā)射出元素的特征譜線。但是這兩種光源的穩(wěn)定性都不是特別好,不利于定量分析;而且光源本身的光譜背景比較大，在紫外區(qū)域更為嚴(yán)重,會(huì)影響譜線指認(rèn)。電火花光源相比于電弧光源具有更高的溫度,可以用于難激發(fā)元素分析。

在電火花電源中,導(dǎo)電金屬固體作為一個(gè)極(如下圖中電極1),待測(cè)物填充在石墨或金屬電極上作為另外一個(gè)極(如下圖中電極2),當(dāng)兩個(gè)電極間產(chǎn)生電火花時(shí),電火花會(huì)擊穿電極在它們之間形成放電通道,該放電通道呈現(xiàn)高電流密度和高溫,電極被強(qiáng)烈灼燒,使電極2中的待測(cè)物迅速蒸發(fā),從而形成高溫噴射焰炬而激發(fā),向外發(fā)射出元素特征譜線電火花放電呈一束明亮、曲折而且分叉的細(xì)絲,如下圖所示,它實(shí)際上是由放電通道和元素蒸氣噴射焰炬構(gòu)成的。

(b)電感耦合等離子體

ICP光源從20世紀(jì)60年代才發(fā)展起來,從1974年起商品化的ICP原子發(fā)射光譜儀開始大量涌現(xiàn)。ICP光源具有的優(yōu)點(diǎn)是:較強(qiáng)的蒸發(fā)、原子化和激發(fā)能力,能夠測(cè)量大部分元素;穩(wěn)定性好,具有較高的檢測(cè)精度,在檢出限100倍的情況下,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1%~1%:樣品組成的影響小,容易進(jìn)行定量分析,并且由于在惰性氣體下工作,避免了受空氣帶狀光譜的影響。

典型的ICP光源如下圖所示,它主要包括以下幾個(gè)部分:

①射頻感應(yīng)線圈,高頻發(fā)生器為線圈提供高頻能量,使其尖端放電引入火種,讓氬氣局部電離為導(dǎo)體,進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)流。

②毛細(xì)噴射管,樣品氣溶膠通過該管道噴射出去,在射頻感應(yīng)線圈處與氬氣一同被射頻感應(yīng)線圈激發(fā)為等離子體。

③等離子體管,里面通有氬等離子氣體,它也稱為輔助氣，其作用是提高火焰高度和保護(hù)毛細(xì)噴管。

④冷卻管,從切向通人氬氣到冷卻管內(nèi)，它主要用于冷卻 ICP光源炬管。

高頻電流通過線圈時(shí)，其周圍空氣會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng),如果線圈放電引人幾個(gè)火花,會(huì)使少量氬氣電離,產(chǎn)生少許電子和離子;交變磁場(chǎng)會(huì)感應(yīng)這些電子和離子,使其加速并在炬管內(nèi)沿閉合回路流動(dòng)形成渦流;被高頻場(chǎng)加速的電子和離子在運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到氣流阻擋產(chǎn)生熱進(jìn)而達(dá)到高溫，同時(shí)高溫會(huì)使氬氣和樣品氣溶膠發(fā)生電離,產(chǎn)生更多的電子和離子,從而形成等離子火炬。ICP光源在射頻感應(yīng)線圈處的溫度最高，由下至上溫度逐漸降低。

（c)輝光放電

輝光放電是惰性氣體在低氣壓下的一種放電現(xiàn)象,歷史上作為一種有效的原子化和激發(fā)光源而用于光譜分析。在光源內(nèi)部抽真空并充人放電氣體(一般為氙氣),在電極間加上電壓(500~1500V)使體系內(nèi)的氣體被擊穿離解成正離子及電子,在電場(chǎng)作用下正離子加速向陰極移動(dòng)并與陰極發(fā)生碰撞,通常將待測(cè)樣品放置在陰極上或者做成陰極材料,這樣在離子的碰撞下樣品原子將逸出樣品表面擴(kuò)散進(jìn)人負(fù)輝區(qū),與氬離子和電子形成等離子體,樣品原子在等離子體中將與高能電子等經(jīng)歷一系列碰撞,從而被激發(fā)或離子化。

輝光放電時(shí)將在陰極和陽極之間出現(xiàn)明暗相間的8個(gè)區(qū)域,如下圖所示

①阿斯頓暗區(qū),為一很薄靠近陰極的暗區(qū)層。

②陰極輝區(qū),為一個(gè)或幾個(gè)微弱發(fā)光的、薄的陰極層,它是朝陰極運(yùn)動(dòng)的正離子與陰極發(fā)射出的電子復(fù)合而產(chǎn)生的。

③陰極暗區(qū),是電子和離子的主要加速區(qū)。

④負(fù)輝區(qū),是一個(gè)緊鄰陰極暗區(qū)的較寬且明亮的區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)高能電子、亞穩(wěn)態(tài)氬原子和樣品原子發(fā)生頻繁碰撞,產(chǎn)生最有用的光譜分析信息。

⑤法拉第暗區(qū),在負(fù)輝區(qū)中發(fā)生非彈性碰撞的電子將失去能量而變成低速電子它們將集中在此區(qū)。

⑥正柱區(qū)(正輝區(qū)),該區(qū)發(fā)出所充性氣體的特征光,從法拉第暗區(qū)一直延伸到陽極附近。

⑦陽極輝區(qū),比正輝區(qū)的發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)⑧陽極暗區(qū),是陽極電子加速區(qū)域

輝光放電產(chǎn)生的發(fā)射光譜具有穩(wěn)定性高、背景干擾小、譜線銳等優(yōu)點(diǎn)。

2） 典型的原子發(fā)射光譜儀器

下面給出兩種典型的原子發(fā)射光譜儀下圖為電火花光源的直讀型原子發(fā)射光譜儀,它由電火花光源、樣品架、分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、電學(xué)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)六個(gè)部分組成。后兩部分在現(xiàn)代儀器中均由電子計(jì)算機(jī)實(shí)行程序控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。電火花光源部分為火花放電發(fā)生器;樣品架用于放置樣品,也是樣品的激發(fā)臺(tái);分光系統(tǒng)與前面提到的色散方式及裝置類似,在這里需要將分光系統(tǒng)的入射口與樣品激發(fā)臺(tái)銜接好;檢測(cè)系統(tǒng)用于記錄分光后的強(qiáng)度,可以用單點(diǎn)探測(cè)器,但是需要掃描,也可以用陣列探測(cè)器。

下圖為ICP掃描型發(fā)射光譜儀,它由ICP光源、分光系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成,圖中沒有給出數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。樣品溶液通過霧化器后以氣體形式進(jìn)入ICP光源的毛細(xì)噴管中,然后與氬氣一同被高頻感應(yīng)線圈激發(fā)為等離子體而發(fā)光;ICP光源所發(fā)出的光經(jīng)收集后進(jìn)入分光系統(tǒng)中,利用全息雙光柵對(duì)光信號(hào)進(jìn)行色散;最后利用探測(cè)器檢測(cè)色散后的光信號(hào),由于采用的是單點(diǎn)探測(cè)器,所以需要轉(zhuǎn)動(dòng)光柵以獲得不同波長處的光信號(hào)。下圖所示的光譜儀除了主分光器外,還有一個(gè)內(nèi)標(biāo)分光器,ICP所發(fā)出的光經(jīng)分束鏡分為兩束,一束進(jìn)入主分光器;另一束則經(jīng)光纖進(jìn)入內(nèi)標(biāo)分光器,內(nèi)標(biāo)分光器的焦距更短、光柵面積小、靈敏度不高,這樣可以更快地獲得內(nèi)標(biāo)分析結(jié)果。

3）原子發(fā)射光譜的應(yīng)用

原子發(fā)射光譜技術(shù)具有很長的發(fā)展歷史,它在鋼鐵、有色金屬、稀土材料、巖石礦物、石油、化工材料、甚至是食品等成分分析上具有廣泛應(yīng)用。

原子發(fā)射光譜是鋼鐵及合金冶煉、有色金屬加工、機(jī)械材料加工等過程中產(chǎn)品質(zhì)量控制最有效的手段,它們已經(jīng)成為這些行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。比如:我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》是常規(guī)鋼鐵產(chǎn)品及普通商品鋼材檢驗(yàn)的常規(guī)方法;行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS/T482-2005《銅及銅合金分析方法光電發(fā)射光譜法》規(guī)定了銅和銅合金的常規(guī)檢驗(yàn)方法;GB/T24234-2009《鑄鐵多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》為鑄鐵中元素含量的檢驗(yàn)方法。

原子發(fā)射光譜也是地質(zhì)樣品分析的最重要的常規(guī)手段。地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室70%~80%的日常分析任務(wù)可用ICP原子發(fā)射光譜分析完成,尤其是地質(zhì)化學(xué)樣品測(cè)定,ICP原子發(fā)射光譜是不可缺少的手段。礦物種類繁多,它們?cè)诠I(yè)上均有很高的應(yīng)用價(jià)值,而它的主成分和雜質(zhì)含量則是劃分礦物等級(jí)的主要依據(jù),而利用原子發(fā)射光譜則可以精確地測(cè)量礦物成分，為礦物分級(jí)提供證據(jù)。

利用原子發(fā)射光譜可以對(duì)食品中的營養(yǎng)元素、有害元素、微量元素進(jìn)行測(cè)定。在測(cè)量前首先有一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)就是消化食品,即將食品溶解成透明清亮的液體,在消化過程中要求不能污染食品,也不能損失試樣。消化食品的方法有很多,包括低于500℃干法灰化法、HNO₃-HCIO₄濕法消化法、HNO₃或HNO₃-H₂O₂或HNO₃-H₂O₂-HF微波消化法等。比如:對(duì)大米中的元素進(jìn)行測(cè)定,可以先稱取0.5~1.0g樣品,置錐形瓶中加硝酸和高氯酸,在電爐上加熱消解至透明,再用離子水定容5ml,進(jìn)行測(cè)定,對(duì)其中8種元素的分析波長如下表所示。

此外,原子發(fā)射光譜在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也發(fā)揮了重大作用。利用它可以分析水中的無機(jī)污染物,采用超聲波霧化裝置的ICP原子發(fā)射光譜可以對(duì)水質(zhì)樣品不經(jīng)任何預(yù)處理就進(jìn)行測(cè)定除Hg以外的所有元素;原子發(fā)射光譜可以分析大氣中的懸浮物,測(cè)定灰塵、霧霾、汽車尾氣等主要成分,測(cè)定其中的Sb、Cr、Zn、Co、Hg、Sn、Ce、Se、Tl、Ti等元素及化合物:此外,還可以對(duì)土壤成分進(jìn)行分析。

熒光是一種光致發(fā)光,早在16世紀(jì)人們就在礦物和植物油提液中發(fā)現(xiàn)了熒光。隨著人們對(duì)熒光本質(zhì)認(rèn)識(shí)的逐步深人,熒光光譜技術(shù)在科學(xué)研究和應(yīng)用實(shí)踐中也得到了進(jìn)一步發(fā)展。目前,熒光光譜已被廣泛用于生物、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。

熒光的產(chǎn)生包括吸收和發(fā)射兩個(gè)過程,首先吸收光子躍遷到高能級(jí),然后再向低能級(jí)躍遷,向不同方向發(fā)射出光子,所以熒光光譜也屬于發(fā)射光譜。下面我們將從熒光產(chǎn)生機(jī)理、影響熒光的因素、熒光信號(hào)的探測(cè)方法及熒光光譜的分析技術(shù)等幾個(gè)方面來學(xué)習(xí)熒光光譜技術(shù)。

1）熒光產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)物質(zhì)吸收特定波長的光輻射時(shí),會(huì)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),但是處于激發(fā)態(tài)的物質(zhì)粒子是不穩(wěn)定的,在適當(dāng)?shù)臈l件下,它們會(huì)向外輻射光而重新回到基態(tài),這樣的發(fā)光過程就稱為光致發(fā)光。光致發(fā)光可以發(fā)生在不同的波長范圍內(nèi),比如紫外-可見光區(qū)、紅外光區(qū)和X射線區(qū)等,在這里我們僅關(guān)注于紫外-可見光區(qū)。

光致發(fā)光有熒光和磷光兩種形式,它們的物理機(jī)制不一樣,在此利用下圖的能級(jí)躍遷圖對(duì)其進(jìn)行說明:

①無輻射躍遷(激發(fā)態(tài)一第一電子激發(fā)態(tài)的最低能級(jí))在物質(zhì)粒子被激發(fā)到高能級(jí)后,在很短的時(shí)間內(nèi),它們首先會(huì)因相互撞擊而以熱的形式損失掉一部分能量,從當(dāng)前激發(fā)能級(jí)下降至第一電子激發(fā)態(tài)的最低能級(jí)。

②熒光發(fā)射(第一電子激發(fā)態(tài)的最低能級(jí)一基態(tài)能級(jí)),如果物質(zhì)粒子由第一電子激發(fā)態(tài)的最低能級(jí)繼續(xù)向下直接躍遷至基態(tài)能級(jí),那么就會(huì)以光的形式釋放能量,所發(fā)出的光就是熒光。

③磷光發(fā)射(三重態(tài)一基態(tài)能級(jí)),如果被激發(fā)的物質(zhì)粒子不直接向下躍遷至基態(tài)能級(jí),而是先無輻射躍遷至亞穩(wěn)狀的三重態(tài),逗留較長時(shí)間后再躍遷至基態(tài)能級(jí),那么在從三重態(tài)躍遷到基態(tài)能級(jí)的過程中就會(huì)向外發(fā)射磷光。

由此可見,熒光與磷光的主要區(qū)別在于:

(a)從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的路徑不同。

(b)從激發(fā)到發(fā)光的時(shí)間長短不同,熒光發(fā)光時(shí)間為10-~10-'s,磷光發(fā)光時(shí)間為10-3~10s,比熒光的發(fā)光時(shí)間要長得多。

(c)發(fā)光的波長不同,熒光波長比對(duì)應(yīng)的磷光波長短熒光光譜與吸收光譜密切相關(guān),如果把某一熒光物質(zhì)的熒光光譜和它的吸收光譜進(jìn)行比較,會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩種光譜之間存在“鏡像”關(guān)系。確切地說,熒光光譜好像吸收光譜照在鏡子里的像,但又比吸收光譜缺少一些短波長方向的吸收峰。下圖為蒽乙醇溶液的紫外-可見波段的吸收光譜和熒光光譜。

從熒光光譜形成的物理機(jī)制不難理解為什么熒光光譜與吸收光譜會(huì)呈現(xiàn)“鏡像”關(guān)系,我們從以下3個(gè)方面對(duì)熒光光譜和吸收光譜的特征進(jìn)行比較。

(1)形狀相似

吸收光譜是物質(zhì)粒子從基態(tài)最低能級(jí)向激發(fā)態(tài)躍遷產(chǎn)生的,熒光光譜則是物質(zhì)粒子由第一激發(fā)態(tài)的最低能級(jí)向基態(tài)各個(gè)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的,它們分別反映了激發(fā)態(tài)和基態(tài)的振動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu),而基態(tài)和激發(fā)態(tài)的振動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)是相似的。

由于熒光光譜是由第一激發(fā)態(tài)的最低能級(jí)向基態(tài)振動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的,所以它與物質(zhì)粒子被激發(fā)到哪個(gè)激發(fā)態(tài)無關(guān),換句話說,熒光光遵與激發(fā)光的波長無關(guān)。

(2)鏡像對(duì)稱

第一電子激發(fā)態(tài)的振動(dòng)能級(jí)越高,與基態(tài)最低能級(jí)的能量差越大,則吸收波長越短;而基態(tài)的振動(dòng)能級(jí)越高,與第一電子激發(fā)態(tài)最低能級(jí)的能量差越小,則吸收波長越長,所以吸收光譜和熒光光譜呈鏡像對(duì)稱。

需要注意的是,這種“對(duì)稱”是按頻率或波數(shù)對(duì)稱,而不是按波長對(duì)稱。另外一個(gè)可以得到的結(jié)論是,熒光光譜的波長總是比對(duì)應(yīng)吸收光譜的波長長。

(3)譜帶數(shù)

由于存在多個(gè)電子激發(fā)態(tài),所以存在多個(gè)吸收譜帶,而熒光譜帶只有一個(gè),因?yàn)橹挥袕牡谝浑娮蛹ぐl(fā)態(tài)最低能級(jí)向下躍遷才能發(fā)出熒光。

在實(shí)際應(yīng)用中,熒光光譜相對(duì)于吸收光譜具有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn):①靈敏度高,熒光光譜的檢測(cè)限比吸收光譜低1~3個(gè)數(shù)量級(jí),可以達(dá)到ppb量級(jí)(parts per billion,10^-9);②選擇性好,能吸收光的物質(zhì)不一定能發(fā)射熒光,而在一定波長下不同物質(zhì)的熒光光譜也不盡相同,所以熒光光譜具有比吸收光譜更高的選擇性。

但是,熒光光譜仍沒有吸收光譜使用廣泛,主要是因?yàn)樵S多物質(zhì)本身不能產(chǎn)生熒光,而且熒光分析對(duì)環(huán)境因素(比如:溫度、酸度、污染物等)非常敏感。

2）熒光信號(hào)的探測(cè)方法

測(cè)量熒光的裝置稱為熒光光譜儀,它與紫外-可見光譜儀(或吸收光譜儀)的結(jié)構(gòu)非常相似,但又有本質(zhì)的區(qū)別。

下圖綜合了熒光光譜儀和吸收光譜儀的光路,圖中實(shí)線箭頭表示吸收光譜儀的光路,而虛線箭頭表示熒光光譜儀的光路。從下圖中可以看出熒光光譜儀和吸收光譜儀的區(qū)別在于:第一,熒光光譜儀在與入射光垂直的方向上探測(cè)光譜信號(hào),這樣能夠減小入射光對(duì)熒光信號(hào)的影響,實(shí)際中在探測(cè)器前還會(huì)加入一塊濾光片,它能夠阻止入射光而讓熒光通過,從而能進(jìn)一步減小人射光的干擾;第二,熒光光譜儀在探測(cè)器前還有一個(gè)額外的發(fā)射單色器。

在此關(guān)注一下熒光光譜儀的兩個(gè)單色器,激發(fā)單色器用于選擇激發(fā)光波長,發(fā)射單色器用于對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行波長掃描。兩個(gè)單色器的使用使熒光光譜有熒光激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜兩種形式。熒光激發(fā)光譜是在固定的熒光發(fā)射波長λ_em下探測(cè)熒光信號(hào),通過掃描熒光激發(fā)波長λ_ex得到,它實(shí)際上與吸收光譜類似;熒光發(fā)射光譜則是固定熒光激發(fā)波長λ_ex,通過掃描熒光發(fā)射波長λ_em探測(cè)熒光信號(hào)得到。

熒光光譜儀也包括光源、單色器、樣品池、探測(cè)器、顯示及記錄系統(tǒng)等部分,除了光源外,其余部件的選擇與紫外-可見光譜類似,所以下面僅闡述熒光光譜儀中的光源。熒光光譜中的光源主要作用是激發(fā),即將物質(zhì)粒子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài),所以一般需使用低波長(或高能量)的高強(qiáng)度光源。光源可以是單色光,也可以是光譜連續(xù)光源。激光無疑是熒光光譜中較理想的激發(fā)光源,包括離子激光器(488nm,514.5nm)、氨氖激光器(632.8nm)、倍頻的Nd:YAG激光器(532nm)以及合適的半導(dǎo)體激光器等。

除此之外,常用的光源還有汞燈、氙燈、氘燈和碘燈。汞燈發(fā)射不連續(xù)光譜,外罩為玻璃時(shí)主要發(fā)射譜線為365nm,外罩為石英時(shí)主要發(fā)射譜線為253.7nm。氙燈能發(fā)射250~700nm波段的連續(xù)光譜,但是它對(duì)電源穩(wěn)定性的要求很高。氘燈和碘燈分別可發(fā)射220~450nm和300~700nm波段的連續(xù)光譜

熒光光譜儀的光路可采用單光束或雙光束光路,下圖顯示了日本日立公司的F4500熒光光度計(jì)的光路。它采用150W的氙燈光源,人射光由光柵型的激發(fā)單色器選擇單色激發(fā)光,單色激發(fā)光經(jīng)分束鏡分為兩束,一束作為參考光直接被光電管接收,另一束被輪狀遮光器調(diào)制后入射到樣品池上,然后在與激發(fā)光入射的垂直方向?qū)晒馍⑸涔膺M(jìn)行收集,散射光由另一個(gè)光柵型單色器選擇單色光出射,該出射光最后被光電倍增管檢測(cè)到。

在實(shí)際的應(yīng)用中可能經(jīng)常碰到這種情況,物質(zhì)自身不會(huì)發(fā)射熒光或者熒光效率很低，這樣就沒有辦法利用熒光光譜進(jìn)行直接測(cè)量。此時(shí),可以采用間接測(cè)量方法,即引人具有強(qiáng)熒光發(fā)射的熒光團(tuán)(或稱為熒光探針劑),讓熒光團(tuán)分子與待測(cè)物質(zhì)分子通過共價(jià)或非共價(jià)的方式結(jié)合,形成能夠發(fā)出強(qiáng)熒光的絡(luò)合物。熒光探針分子一般需要滿足兩個(gè)條件:第一,熒光探針分子能夠與待測(cè)物質(zhì)專一而牢固地結(jié)合;第二,這種結(jié)合不會(huì)破壞待測(cè)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)象。

下圖給出了一些典型的熒光團(tuán),圖中給出了它們各自的分子結(jié)構(gòu)和最大吸收波長。

(1)色氨酸(tryptophane)是蛋白質(zhì)的組成成分之一,利用它的熒光可以對(duì)蛋白分子直接進(jìn)行探測(cè)。色氨酸的最大吸收波長和最大發(fā)射波長分別為280nm(近紫外)和348nm(近紫外)。

(2)4',6-二脒基-2-苯基吲(DAPI)是一種能夠與DNA強(qiáng)力結(jié)合的熒光染料,由于它可以透過活細(xì)胞,所以可以對(duì)活細(xì)胞和固定細(xì)胞染色。DAPI的最大吸收波長和最大發(fā)射波長分別為355nm(近紫外)和461nm藍(lán)色)。

(3)綠色熒光蛋白(GFP)是近年來出現(xiàn)的一種革命性的熒光探針分子,它最初從水母體內(nèi)提取得到,在藍(lán)光照射下能直接發(fā)出綠色熒光。GFP的熒光效應(yīng)不需要外加底物或其他輔助分子,所以檢測(cè)方便;它能夠長時(shí)間承受光照,而且對(duì)高溫、堿性、大多數(shù)有機(jī)溶劑等具有較強(qiáng)抗性,所以熒光穩(wěn)定性好;它對(duì)活體細(xì)胞無毒害,因此能夠進(jìn)行活體定位觀測(cè)。eGFP是一種GFP的突變體,它通過雙氨基酸取代增強(qiáng)了GFP的熒光效應(yīng),其最大吸收波長和最大發(fā)射波長分別為488nm(綠藍(lán)色)和509nm(綠色)。

(4)羅丹明(rhodamine)是一類常用于生物分子標(biāo)記的熒光酮雜環(huán)化合物,它具有熒光穩(wěn)定、pH不敏感、熒光量子產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。圖5-13中四甲基羅丹明(TMR)的最大吸收波長和最大發(fā)射波長分別為514nm(綠色)和576nm(黃綠色)。

(5)Cy系列染料是一類近紅外熒光染料,由于其熒光波長一般在600~1000nm,因此能夠避免生物分子自身熒光背景的干擾。常用的Cy類染料有Cy3、Cy5和Cy7。上圖中Cy5染料的最大吸收波長和最大發(fā)射波長分別為630nm(橙色)和667nm(紅色)。在使用熒光團(tuán)時(shí),激發(fā)波長的選擇非常重要。根據(jù)前面的分析知道,選擇最大吸收波長作為激發(fā)波長可以獲得最強(qiáng)的熒光強(qiáng)度。比如:染料Cy3的吸收光譜和熒光光譜如下圖所示,其吸收光譜的最大吸收波長位于550nm附近,所以選擇550nm作為激發(fā)波長能夠獲得最強(qiáng)的熒光,其熒光光譜的最大發(fā)射波長位于570nm(黃綠光)。但是從下圖中也可以看出,550nm的激發(fā)光對(duì)熒光光譜的影響將比較大,所以在進(jìn)行熒光探測(cè)時(shí)往往還需對(duì)激發(fā)光進(jìn)行濾除,或者使用更短波長的激發(fā)光(使激發(fā)光與熒光光譜沒有重疊)。

3）熒光光譜的應(yīng)用

熒光光譜在化合物的定性/定量分析以及環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

(a)無機(jī)化合物的定性/定量分析

無機(jī)化合物本身大多不具有熒光效應(yīng),所以一般只能將待測(cè)的無機(jī)離子與具有有機(jī)熒光試劑結(jié)合后再利用熒光光譜進(jìn)行測(cè)定。具體有如下幾種方法:

①直接法。它利用無機(jī)離子與有機(jī)熒光試劑形成能發(fā)熒光的絡(luò)合物,直接測(cè)量絡(luò)合物發(fā)射的熒光強(qiáng)度。可用該方法測(cè)量的元素很多,比如:A1、Au、B、Be、Ca、Cd、Cu、Eu、Ga、Gd,Ge、Hf,Mg、Nb、Pb,Rh、Ru、S、Sb、Se、Si、Sn、Ta、Tb、Th、Te、W、Zn、Zr等。但是一些過渡金屬離子不能使用直按法,因?yàn)檫@些離子為順?biāo)嵝?這會(huì)增加向三重態(tài)躍立的速率,此有可能觀察到磷光而不是熒光。

②熒光猝滅法。某些無機(jī)離子雖然不能形成熒光絡(luò)合物,但是可以從金屬-有機(jī)熒光試劑絡(luò)合物中奪取金屬或有機(jī)試劑,形成更穩(wěn)定的絡(luò)合物,從而導(dǎo)致金屬-有機(jī)熒光試劑絡(luò)合物的熒光強(qiáng)度降低,這種現(xiàn)象也稱為熒光猝滅。可使用熒光猝滅法測(cè)定的元素有S,Fe，Co,Ag,Ni等。

③催化熒光法。某些無機(jī)離子形成熒光絡(luò)合物的過程很慢,這時(shí)加入微量金屬離子可起到催化作用,它能使形成熒光絡(luò)合物反應(yīng)迅速進(jìn)行,此時(shí)通過測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)的熒光強(qiáng)度來測(cè)量該金屬離子濃度。

在無機(jī)元素分析中,常用的有機(jī)熒光試劑有四種,它們分別是s-羥基喹啉、茜素紫醬R、黃烷醇和8-羥基喹啉,其分子結(jié)構(gòu)如下圖所示。這些有機(jī)熒光試劑可用于某些特定無機(jī)離子的檢測(cè),具體如下表所示,表中同時(shí)給出了它們對(duì)應(yīng)的最大激發(fā)波長和最大熒光發(fā)射波長。

(b)有機(jī)化合物的定性/定量分析在有機(jī)化合物方面,熒光光譜的使用更廣泛,因?yàn)橛行┯袡C(jī)化物自身就具有熒光效應(yīng)，比如:高度共軛化合物或脂環(huán)化合物(如維生素A、蘿卜素等)、具有共軛不飽和結(jié)構(gòu)的芳香族類化合物、蛋白質(zhì)中的部分氨基酸等。

一些簡單的有機(jī)化合物通常不具有熒光效應(yīng),但是可以通過化學(xué)反應(yīng)生成具有熒光效應(yīng)的化合物,然后再利用熒光光譜進(jìn)行測(cè)量。比如:用熒光分析法測(cè)定丙三醇,首先將丙三醇與蒽酮的硫酸溶液共熱,丙三醇脫水后形成丙烯醛,然后將丙烯醛與丙酮發(fā)生縮合作用產(chǎn)生會(huì)發(fā)熒光的苯并蒽酮,最后用350~500nm波長光激發(fā),在575nm處測(cè)量熒光強(qiáng)度,該方法可測(cè)定5~75ug的丙三醇。

在構(gòu)成蛋白質(zhì)的20多種氨基酸中,只有色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)三種氨基酸能夠直接發(fā)射熒光,它們均屬于芳香族氨基酸,其發(fā)射的熒光強(qiáng)弱為:Trp>Tyr>Phe。由于苯丙氨酸需要更短的激發(fā)波長才能激發(fā),蛋白質(zhì)的熒光一般來自色氨酸和酪氨酸。

(c)熒光光譜在生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域中的應(yīng)用盡管熒光光譜在使用上受到被測(cè)物熒光效應(yīng)的限制,但是熒光光譜在檢測(cè)靈敏度和特異性上的優(yōu)越性能,使得它在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

利用熒光光譜可以檢測(cè)水中石油污染物,石油中包含了很多熒光物質(zhì),占主導(dǎo)的是芳香族化合物和含共軛雙鍵的化合物,比如:萘、蒽、菲、苯并芘、卟、二甲苯、三甲苯等。利用熒光光譜還可以監(jiān)測(cè)大氣污染物,SO₂是大氣中數(shù)量最多、分布最廣,對(duì)人危害最大的一種大氣污染物,而它在受到外部光激發(fā)的情況下會(huì)發(fā)射出熒光,SO₂在波長190~230nm范圍內(nèi)的吸收最強(qiáng),而且空氣中的N₂和O₂不會(huì)引起熒光猝滅,是常用的激發(fā)波長區(qū),熒光大約出現(xiàn)在200~240nm范圍;NO_x也是一類大氣主要污染物,它們?cè)诩す庹T導(dǎo)下也會(huì)發(fā)出熒光,比如NO在226nm激光的激發(fā)下會(huì)發(fā)出226~300nm范圍的光,最小可檢測(cè)濃度可達(dá) 8ppt。

在造紙行業(yè)中,熒光光譜可用于紙張生產(chǎn)的在線監(jiān)測(cè),主要可用于紙漿卡伯值和紙張表面均勻度的測(cè)量。紙漿卡伯值是造紙?jiān)辖?jīng)蒸煮后紙漿中殘留木質(zhì)素和其他還原性有機(jī)物的量,它直接影響紙漿的質(zhì)量和產(chǎn)量。在木質(zhì)素濃度很低的情況下,理論上其熒光強(qiáng)度與其濃度成正比,這樣測(cè)得所激發(fā)的熒光強(qiáng)度就可以衡量紙漿卡伯值,有人利用氙燈經(jīng)420~490nm濾光片作為激發(fā)光源,然后分別探測(cè)590nm以上的紅色熒光和500~580nm的綠色熒光,發(fā)現(xiàn)兩者的比值與卡伯值的線性相關(guān)度在0.995以上。紙張勻度表征了紙張?jiān)谖⒂^上纖維的定量分布變化,當(dāng)纖維含量不同時(shí)所激發(fā)的熒光強(qiáng)度也會(huì)不同,在紙張生產(chǎn)過程中可以用熒光探頭連續(xù)采集生產(chǎn)線上紙張的熒光強(qiáng)度,根據(jù)光強(qiáng)度的波動(dòng)情況來衡量紙張勻度。

1928年,印度科學(xué)家拉曼(C.V.Raman)和蘇聯(lián)科學(xué)家曼杰斯塔姆分別在液體和品體的散射中發(fā)現(xiàn),散射光中除了有與人射光頻率v相同的瑞利散射光外,還有頻率為v士,v士,…的非彈性散射光,后者就稱為拉曼散射光。印度科學(xué)家拉曼也因?yàn)槭状斡^察到拉曼散射現(xiàn)象而在1930年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

拉曼光譜是基于拉曼散射效應(yīng)的一種光譜技術(shù),也屬于發(fā)射光譜范疇,它是另一種形式的分子振動(dòng)光譜,也能夠用于分子結(jié)構(gòu)分析。但是,拉曼光譜的產(chǎn)生機(jī)理、光譜特征等各方面與紅外吸收光譜均存在差異,在實(shí)際的光譜分析中它與紅外吸收光譜互為補(bǔ)充。

1） 拉曼散射的基本原理

拉曼光譜利用了散射光,可用下圖所示的能級(jí)躍遷來解釋。在此引入了“虛態(tài)”這個(gè)概念,它并不是一個(gè)實(shí)際存在的能級(jí),但有助于我們理解拉曼光譜的原理。

當(dāng)物質(zhì)分子吸收外部光輻射hv后,它被激發(fā)從基態(tài)振動(dòng)能級(jí)躍遷到虛態(tài),如果它再躍遷回起始的基態(tài)振動(dòng)能級(jí),則會(huì)發(fā)射出頻率為v的光,這就是瑞利散射。但是,如果它向下躍遷到比起始基態(tài)振動(dòng)能級(jí)更高或更低的振動(dòng)能級(jí),則發(fā)射光頻率將不同于v,這就是拉曼散射。若向下躍遷到比起始基態(tài)振動(dòng)能級(jí)更高的振動(dòng)能級(jí),就會(huì)發(fā)射出頻率為v-△v的光,v為振動(dòng)能級(jí)間的頻率差,這就是斯托克斯(Stokes)線:若向下躍遷到比起始基態(tài)振動(dòng)能級(jí)更低的振動(dòng)能級(jí),就會(huì)發(fā)射出頻率為v十△v的光,這就是反斯托克斯(Anti-Stokes)線。

2）拉曼光譜的測(cè)量

拉曼光譜儀可分為色散型光譜儀和干涉型光譜儀兩類。色散型光譜儀多以光柵為色散組件,干涉型光譜儀則以邁克爾遜干涉儀為色散組件,與前面提到的色散組件類似,不再贅述。

為了減小光譜受人射光的影響,拉曼光譜儀的信號(hào)探測(cè)方向一般與入射光束傳播方向垂直,如圖5-24所示,這與熒光信號(hào)收集的方式類似。圖中凹面反射鏡的作用是讓光束多次通過樣品,提高信號(hào)收集效率。為了減小瑞利散射光的影響,在檢測(cè)光進(jìn)入單色器前會(huì)加一塊陷波濾波器(notchfilter),它能夠截止入射光中心頻率附近的窄譜帶以消除入射光對(duì)拉曼光譜的影響。

現(xiàn)代拉曼光譜儀中的光源幾乎都用激光光源,激光光源的高強(qiáng)度有利于提高拉曼散射信號(hào)的強(qiáng)度。

3）拉曼光譜增強(qiáng)

散射強(qiáng)度太低是拉曼光譜的致命弱點(diǎn),在常規(guī)拉曼光譜測(cè)量中,拉曼散射強(qiáng)度只有瑞利散射的10^-6~10^-3,所以增強(qiáng)拉曼光譜信號(hào)始終是拉曼光譜技術(shù)中人們感興趣的研究熱點(diǎn)。除了提高激光光強(qiáng)外,拉曼增強(qiáng)技術(shù)有表面增強(qiáng)拉曼光譜、共振拉曼光譜等。

(a)表面增強(qiáng)拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy,SERS)

1974年,Fleischmann等從吡啶在粗糙銀電極表面上發(fā)現(xiàn)了表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)。它是將分子吸附在極微小金屬(如:金、銀、銅等)顆粒表面或其附近,然后測(cè)量拉曼光譜,這樣得到的拉曼散射強(qiáng)度比常規(guī)拉曼光譜要強(qiáng)10³~10⁵倍。SERS效應(yīng)在銀表面上最強(qiáng),在金或銅的表面上也可觀察到,并且在表面增強(qiáng)拉曼光譜中熒光的干擾可有效地得到抑制。

關(guān)于SERS增強(qiáng)機(jī)理目前有兩類理論:物理增強(qiáng)和化學(xué)增強(qiáng)。物理增強(qiáng)理論認(rèn)為，SERS效應(yīng)是一種與粗糙表面相關(guān)的增強(qiáng)效應(yīng),主要由金屬表面基質(zhì)受激而使局部電磁場(chǎng)增強(qiáng)所引起(故又稱為電磁增強(qiáng)),其強(qiáng)弱取決于與光波長對(duì)應(yīng)的金屬表面粗糙度大小和與波長相關(guān)的金屬電介質(zhì)作用的程度,表面等離子模型、天線共振子模型和鏡像場(chǎng)模型都屬于物理增強(qiáng)機(jī)制。化學(xué)增強(qiáng)理論則認(rèn)為,SERS增強(qiáng)是由吸附在粗糙金屬表面的物質(zhì)分子極化率改變而引起的,活位模型和電荷轉(zhuǎn)移模型均屬于化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制。

不同化合物的SERS效應(yīng)是不同的:帶孤對(duì)電子或π電子云的分子呈現(xiàn)的SERS效應(yīng)最強(qiáng),芳氮或含氧化合物(如芳胺和酚)也具有強(qiáng)的SERS效應(yīng),電負(fù)性功能團(tuán)(如羧酸)也能觀察SERS效應(yīng)。

前面提到拉曼散射強(qiáng)度與金屬表面粗糙度大小有關(guān),王健等[]對(duì)金/PATP/Au三明治結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如下圖所示,圖中a~d光譜分別對(duì)應(yīng)粒子半徑為15.7nm、26.7nm、40.3nm和66.0nm的情況,可以看出隨著粒子粗糙度增加。表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)越來越強(qiáng),另外有報(bào)道表明粒子半徑為80~100nm時(shí)表面拉曼增強(qiáng)效果最佳。

(b)共振拉曼光譜(resonance Raman spectroscopy)

根據(jù)前面的理論,拉曼光譜形成過程是一個(gè)雙光子過程,它先吸收一個(gè)光子躍遷到中間態(tài),然后再從中間態(tài)發(fā)射出散射光子。在常規(guī)的拉曼光譜中,這個(gè)中間態(tài)是個(gè)虛態(tài),而不是分子實(shí)際的本征態(tài),這樣使得吸收和散射的概率都很小,因此拉曼散射強(qiáng)度也很小。共振拉曼光譜的思路是,選擇激發(fā)光源頻率,使分子吸收該頻率光子后能躍遷到電子激發(fā)態(tài),使原來的虛態(tài)變成本征態(tài),提高拉曼散射概率,如下圖所示。共振拉曼光譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)與常規(guī)拉曼光譜技術(shù)基本相同,要求光源頻率可調(diào)諧,以方便本征態(tài)的選擇和激發(fā)。需要注意,如果樣品本身具有熒光效應(yīng),共振拉曼光譜受熒光影響較大。

共振拉曼譜帶比常規(guī)拉曼譜帶的強(qiáng)度要大10⁴~10⁶倍,并且在共振拉曼光譜中,分子非生色團(tuán)部分的拉曼散射沒有得到加強(qiáng),僅成為弱的背景,從而使得生色團(tuán)的信號(hào)凸顯,此外共振拉曼光譜中會(huì)出現(xiàn)與基頻強(qiáng)度相當(dāng)?shù)亩嗉?jí)倍頻和合頻譜帶,所以共振拉曼光譜技術(shù)具有高度的選擇性和靈敏性。但是,在共振拉曼光譜技術(shù)中通常需要采用波長連續(xù)可調(diào)激光器,以滿足不同樣品共振拉曼光譜激發(fā)的需要。

下圖顯示了[Fe(O-phen)₃]²⁺離子分別在647.1nm、568.2nm、514.5nm和488nm激光激發(fā)下的拉曼光譜,其中983cm^-1的吸收峰來自0.5M的SO₄^2-_{,作為一個(gè)參考內(nèi)標(biāo)峰。從圖中可以看出,隨著入射光波長的減小(或者頻率的增加),內(nèi)標(biāo)峰的強(qiáng)度在減小,表明[Fe(O-phen)3]}²_{離子的拉曼散射強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng),而這正是共振拉曼效應(yīng)。}

（c）非線性拉曼光譜

激光強(qiáng)度增加到一定程度時(shí),拉曼散射光強(qiáng)度與入射激光強(qiáng)度有非線性關(guān)系,拉曼散射光強(qiáng)隨激光強(qiáng)度增加而非線性增加，

這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生非線性拉曼效應(yīng),包括受激拉曼效應(yīng)(stimulatedRamaneffect)、反拉曼效應(yīng)(inverse Raman effect)、超拉曼效應(yīng)(hyper Raman effect)等。

相干反斯托克斯拉曼光譜(coherent anti-stokes raman spectroscopy,CARS)是其中一種典型的非線性拉曼光譜技術(shù)。CARS是一個(gè)非線性四波混頻過程,輸入一束泵浦光和一束斯托克斯光,當(dāng)它們的頻率差正好等于振動(dòng)能級(jí)間隔時(shí)(即w_vib=w_pump-w_stokes),就可以得到增強(qiáng)的CARS信號(hào)(w_CARS=2w_pump-w_stokes),其基本原理如下圖所示。

4）拉曼光譜的應(yīng)用

拉曼光譜是一種有力測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的工具,它在生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、食品安全、化工等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

(a)在有機(jī)化合物方面

拉曼光譜在不飽和碳?xì)浠衔铩㈦s環(huán)化合物、染料以及有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)表征等方面均獲得了成功,相比于紅外光譜,它在以下官能團(tuán)的特征吸收的檢測(cè)中更為方便:

①同種分子的非極性鍵,如S-S、C=C、N=N、CΞC等,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)拉曼譜帶,并且強(qiáng)度隨單鍵→雙鍵→三鍵依次增加;

②CΞN、C=S、S-H的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的紅外吸收譜帶一般較弱,而在拉曼光譜中則是強(qiáng)譜帶;

③環(huán)狀化合物的對(duì)稱呼吸振動(dòng)(即C-C鍵的全對(duì)稱伸縮振動(dòng))往往是強(qiáng)拉曼譜帶;

④在拉曼光譜中,X=Y=Z、C=N=C、O=C=O這類鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)是強(qiáng)譜帶,反對(duì)稱仲縮振動(dòng)是弱譜帶,而紅外光譜與此相反;

⑤C-C伸縮振動(dòng)在拉曼光譜中是強(qiáng)譜帶;

⑥醇與烷烴的拉曼光譜相似,主要是OH鍵的拉曼譜帶較弱的緣故

(b)在無機(jī)化合物方面

拉曼光譜可用于對(duì)各種礦化物如碳酸鹽、磷酸鹽、呻酸鹽、饑酸鹽、硫酸鹽、錮酸鹽、鴿酸鹽、氧化物和硫化物等的分析,也能鑒定紅外光譜難以鑒定的高嶺土、多水離嶺土及陶土等。在對(duì)過渡金屬配合物、生物無機(jī)化合物以及稀土類化合物等的研究中也都取得了良好的效果。用拉曼光譜還可測(cè)定硫酸、硝酸等強(qiáng)酸的解離常數(shù)等。

(c)其他方面

拉曼光譜也用于高聚物的硫化、風(fēng)化、降解、結(jié)晶度和取向性等方面的研究。在生物體系研究方面,拉曼光譜可直接對(duì)生物環(huán)境中(水溶液體系、pH接近中性等)的酶、蛋白質(zhì)、核酸等具有生物活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。人們還嘗試?yán)美庾V技術(shù)研究各種疾病和藥物的作用機(jī)理。

(d)應(yīng)用舉例

實(shí)例一:翡翠鑒定

翡翠為了拋光需要使用石蠟,所以填有石蠟的翡翠仍是A貨,但是填充了AB膠、環(huán)氧樹脂等卻是以次充好的翡翠B貨,AB膠、環(huán)氧樹脂與石蠟的分子結(jié)構(gòu)不同,從而顯示出不同的拉曼特征峰,如下圖所示。所以,只要在拉曼光譜中檢測(cè)到了AB膠、環(huán)氧樹脂等的特征峰就可以鑒定該翡翠樣品為B貨無疑。

實(shí)例二:食品安全

食品安全已成為一個(gè)全社會(huì)關(guān)注的問題,一些對(duì)人體有害的物質(zhì)添加到食品中會(huì)對(duì)人的健康造成傷害,甚至危及生命。比如:添加在牛奶中的三聚氰胺,容易在體內(nèi)吸附會(huì)引起結(jié)石的草酸、鞣酸及鈣等物質(zhì),從而沉積在泌尿系統(tǒng)中,最終會(huì)引起膀胱及腎結(jié)石。這些有害物質(zhì)都有自己的特征拉曼光譜,再加上拉曼光譜有很高的靈敏度,所以能夠用于檢測(cè)食品中的少量或微量有害物質(zhì)。

A.Kim 等研發(fā)了基于SERS的便攜式三聚氨胺檢測(cè)儀(同下圖),它旬括亭性能的金納米手指SERS傳感芯片和便攜式拉曼光譜儀,利用三聚胺在710cm處的特征峰對(duì)三聚氰胺進(jìn)行檢測(cè),可以在不做任何樣品預(yù)處理的情況下檢測(cè)出水中1ppt的三聚氰胺含量。

實(shí)例三:司法鑒定

在司法鑒定方面,拉曼光譜技術(shù)也能發(fā)揮作用。下圖顯示了寶克、得力、施耐德和斑馬四種品牌圓珠筆的拉曼光譜,可以看出它們的拉曼光譜存在顯著差別,以此可以對(duì)它們進(jìn)行鑒別,為司法審判與執(zhí)行提供依據(jù)。

_{本文介紹了各種發(fā)射光譜技術(shù)。發(fā)射光譜是相對(duì)于吸收光譜而言的,它通常包括激發(fā)和發(fā)射兩個(gè)過程,在發(fā)射過程中會(huì)發(fā)射出與人射光波長不同的光信號(hào)。我們首先簡單介紹了發(fā)射光譜的基本概念和分類,然后分別從光譜產(chǎn)生機(jī)理、光譜測(cè)量、光譜應(yīng)用等方面分別介紹了原子發(fā)射光譜,熒光光譜和拉曼光譜技術(shù)。原子發(fā)光譜一般采電火花、等離于體放電和輝光放電等形式進(jìn)行激發(fā),是測(cè)量物質(zhì)元素成分的有力手段;熒光光譜首先要吸收外界光使粒子躍遷到激發(fā)態(tài),然后在從第一激發(fā)態(tài)往基態(tài)能級(jí)躍遷的過程中形成,但是熒光效率受物質(zhì)粒子自身結(jié)構(gòu)和環(huán)境影響較大,對(duì)于沒有熒光效應(yīng)的物質(zhì)只能采用熒光物標(biāo)記的方法;拉曼光譜是一種非彈性散射的結(jié)果,它形成于人射光中心頻率的兩側(cè),強(qiáng)度比中心頻率的瑞利散射光要弱很多,所以拉曼增強(qiáng)技術(shù)是其應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。}

_{參考文獻(xiàn)：}

_{1.光譜技術(shù)與應(yīng)用，袁波、楊青 主編}

_{內(nèi)容來源：編輯整理}

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