拉曼光譜/拉曼效應

拉曼光譜/拉曼效應

拉曼效應

    拉曼效應(Raman effect)1928 年由印度物理學家錢德拉賽卡拉.拉曼爵士 (Sir Chandrasekhara Venkata Raman)所發現,指當光線透過半透明的介質時發生散色光的頻率改變的現象。


    當光線入射或穿透到介質時,絕大多數光子會遵守彈性碰撞的瑞利散射,反射出來的光子擁有和入射光完全相同的能量、頻率和波長。然而會有極小部分的光子在和介質碰撞之後,發生能量損失的非彈性碰撞後激發出和原入射光頻率或波長不同的散色光, 此一效應即為拉曼散射(Raman scattering)。在拉曼散射的過程中,少部分的入射光光子打入介質分子的電子雲中,影響了介質分子因此進入了激發態被激發的分子回歸基態後若比初始能量高,則激發光的光子頻率會相較入射光來的低,此一效應稱為斯托克斯位移(Stokes shit)。如被激發的介質分子回歸基態後比初始能量低,則激發光的光子頻率會相較入射光來的高,此效應稱為反斯托克斯位移(Anti Stokes shit)

 

    入射光和散射光的頻率變化就取決於介質分子本身的特性,而頻率的差別則稱為拉曼位移(Raman shit),一般使用波數(wave number),即為波長倒數來表示,而訊號的強弱則稱為拉曼強度(Raman Intensity)。所以不同介質材料會產生特定頻率散色光, 依照此性質便可以鑑別出介質材料的組成分子(圖 1)。

早期的拉曼檢測技術是使用水銀燈作為單色的激發光源,近年則是雷射光這種具有更加良好的單色性、方向性及高強度的特性作為理想的激發光源,由於近年的雷射光譜卡的微型化,得以在較小的體積內做到去除干擾的能,所以可使用於多種物質混雜樣本的檢測。因為拉曼光譜不會受到水的干擾,相較於傳統的紅外線系統,樣品不需要經過複雜的製備或不用製備就可以檢測含水的樣品 (Alula, 2018)


1 拉曼光譜

拉曼光譜簡介

    拉曼光譜儀依照主要的元件分成三個部分:雷射光源、分光器、偵測器,拉曼光譜通常可分類為:一般型拉曼散射、共振拉曼散射、表面增強拉曼散射。
 

一般型拉曼散射(Conventional Raman Scattering):

通常使用近紅外線當作雷射光源,將檢測物激發到虛態,偵測其前後的能量差異即可得到分子的振動資訊,進而分析出樣品的成分。
 

共振增強拉曼散射(Resonance Enhanced Raman Scattering):

通常使用紫外光和紅外光作為光源,挑選特定的激發光波長,使的激發光的能量和特定的電子躍遷至激發態所需的能量相近,此時的拉曼訊號會因為共振的關係增強102~104 倍。應用於生物分子時,含有螢光成份的發光團光譜可以在不受到周遭蛋白質的干擾下而被觀測到。此外,因為拉曼效應並不會受到水分子的干擾,所以很適合用來分析生化分子。

表面增強拉曼散射(Surface enhanced Raman Scattering):

將樣品的表面覆蓋金屬時,檢測物拉曼訊號可以放大 103~106 倍。以金屬銀的強度最高,其次是金和銅。因為此項的訊號強度最高,可以探測到 ppb(μg/L)之等級的濃度。所以很適合測量藥品、火藥或是低豐度的生物分子的結構變化。
 

    本研究採用的是一般型拉曼散射(Conventional Raman Scattering)。

    因為拉曼散射的碰撞截面很小,因此強度很低,如果使用紫外光或是可見光當作激發光源,會受到發出的螢光干擾而幾乎無法測得,為避免此現象可以使用紅外線當作激發光源,但因為拉曼的強度和檢測波長的 4 次方成反比 : IRaman(1/λ)所以光譜的強度小很多,會需要較長的測量時間(陳等,2017) 。
 

    在有機化學的方面,拉曼光譜主要用來鑑定分子結構和交互作用,可辨識出各類型的官能基。各類型的化學鍵結,化學官能基皆能利用拉曼位移的寬度、波鋒的強弱和特徵形狀來鑑識。無機化合物中的各類型晶型結構,也可透過其中的共價鍵所擁有不同的拉曼活性加以辨別。
 

    由於生物分子中多富含水分,而水的拉曼效應相對微弱且圖譜簡易,因此拉曼光譜可以在很接近自然活性的狀態下,對於天然的生物樣本研究其分子結構及變化。透過表面增強拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)加強拉曼強度後,還可以用於細菌的鑑定和其對抗藥性的篩檢。因為大多數的細菌其 80的質量集中在細胞外膜,所以其生物特性也集中於外殼之表層。透過此一性質便可利用拉曼光譜加以判斷, 進一步還能觀測到受到藥物攻擊時的細菌表皮的化學變化和反應時間(范,2010) 。

紅外光譜和拉曼光譜都是儀器分析中常用的兩種技術,雖然都為振動光譜,但是生成的機制和原理不相同,功能可互補(1)。

 

比較條件

拉曼光譜儀 Raman Spectrometer

紅外光譜儀 IR Spectrometer

水的影響

水可以當做樣品的溶劑使用。

因為水具有強烈的吸收紅外線的能力, 樣品不可以是含

水的溶液。

樣品的前處理

樣品不需要特別前處理,幾乎可以接受所有模式的樣品。

樣品前處理較複雜,氣態樣品較不常見。

                                                                                           表 1 拉曼光譜儀和紅外線光譜儀的比較


    依拉曼光譜的特性,檢測流程簡易且快速,能提供的資訊相對豐富且能補足傳統的
紅外線分析對於水的干擾之特點,在化學、生物材料、高分子聚合物及寶石檢鑑定等有著廣泛的運用。儀器的量測距離從幾毫米到數米皆可,偵測面積從 1um2 dm2 皆可。拉曼光譜中包含了待測物的指紋資訊,具有獨特且可再現的特性,而且和入射光的光波長無關,可以使用各種不同波長的雷射光做激發光源。對於檢測的樣品無論是否可以透光,只要是光線可以照射者皆可進行檢測,例如有機物、無機物、固體、液體、氣體。檢測前的樣品幾乎不需要進行前處理,為一種非侵入、非接觸式的檢測技術。但是需要注意樣品不能是黑色的化合物,且不能有螢光物質,因拉曼訊號會被螢光遮蓋(陳等, 2012)。