熒光對拉曼光譜技術的影響以及應對手段

前言

拉曼光譜技術是一種分析物質結構和成分的非侵入性技術。通過照射樣品并測量其散射光的頻移，可以獲得物質的拉曼光譜圖。這種技術可以用于化學品、生物樣品、納米材料等的快速分析。它具有高靈敏度、無需樣品處理等優(yōu)點，可廣泛應用于材料科學、生命科學、環(huán)境監(jiān)測等領域。

拉曼光譜的應用十分廣泛，但是同時拉曼檢測還會受到許多的限制。當物質收到激發(fā)光照射時，除了待檢測的拉曼散光光外，還有比拉曼光強許多的銳利散射光，同時還有可能存在熒光。

熒光產生機制

拉曼光譜技術背后的物理機制是拉曼散射。當用一定頻率的激發(fā)光照射到樣品時，一部分入射光子與樣品分子之間發(fā)生彈性碰撞，發(fā)出彈性散射光，這種散射沒有能量交換，稱為瑞利散射；有一部分入射光子和樣品分子發(fā)生了非彈性碰撞，產生了能量的轉移，這種散射稱為拉曼散射。

圖1 拉曼散射以及瑞利散射能級圖

除了上述發(fā)生的散射外，物質收到激光照射并吸收某些特征頻率的光子后，可以由基態(tài)躍遷至第一電子激發(fā)態(tài)或高電子激發(fā)態(tài)的不同振轉能級，處于電子激發(fā)態(tài)的分子通過熱振動等弛豫過程降至第一電子激發(fā)態(tài)的zui低能級，然后再由該zui低能級向基態(tài)的各個振轉能級躍遷并發(fā)出熒光。

圖2 熒光散射能級圖

總體來說，拉曼散射發(fā)生的概率很小，所以拉曼光強度遠小于瑞利散射光和熒光的強度。瑞利散射一般比拉曼散射強上千倍，而熒光可達拉曼光強度的十的六次方到八次方倍。但由于瑞利散射光的波長和激發(fā)光波長相同，可以通過窄帶帶組濾光片、長通濾光片或多級單色儀裝置進行濾除。但是熒光光譜范圍很寬，通常是和拉曼光譜重疊在儀器，不能通過濾光片進行抑制，熒光的存在會淹沒拉曼信號，導致拉曼光譜無法檢測。

抑制熒光的方法

1.熒光淬滅劑

熒光猝滅劑是較有效的方法之一，該方法需要在樣品中添加一定的熒光猝滅劑，利用猝滅劑分子與樣品分子之間物理化學反應來降低樣品分子的熒光發(fā)射強度，從而達到抑制熒光的目的。這種方法成本低，操作簡便，但是加入的猝滅劑可能會影響待測樣品的拉曼譜，因而應用范圍受到較大的限制。

2.紅外/紫外光激發(fā)法

由于近紅外波段的光子很少能被樣品分子吸收，基態(tài)電子很難被激發(fā)，因此產生熒光的可能性較小。但由于拉曼散射光的強度與波長的四次方成反比，所以用這種方法得到的拉曼散射強度很弱。785nm激光能有效避免熒光的產生，并且該波段的CCD量子效率比較高，因此用785nm作為拉曼激發(fā)光源越來越受到研究人員的青睞。

紫外光激發(fā)方法是用小于250nm的激光激發(fā)樣品，由于熒光的斯托克斯位移比拉曼位移大得多，因此有熒光物質存在，也能充分區(qū)別熒光和拉曼光。紫外激發(fā)方法的一個較大局限性在于紫外光能量太高，可能導致樣品分解。

總結

熒光對拉曼光譜有干擾作用，往往會覆蓋或掩蓋拉曼散射信號，降低了信號質量。通過背景信號消除技術、時間解析等方法可以減少熒光對拉曼光譜的影響，提高信號的檢測性能。同時，選擇適當的激發(fā)波長和使用拉曼增強劑也可增強拉曼信號，克服熒光干擾，實現準確的拉曼光譜分析。