分子结构与低频拉曼光谱

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网络研讨会:拉曼光谱-临床诊断的新曙光

拉曼光谱已成为测量和识别化学成分和分子结构的极有价值的工具。传统的拉曼光谱应用主要集bob综合app官网登录中在距离激发激光线200 - 4000 cm-1的斯托克斯信号上。低频拉曼区域(<10 cm-1 - 200 cm-1)传统上是为专用仪器保留的，这是由于基于滤光片的拉曼光谱仪通常使用的光学元件的限制。

简介

拉曼光谱作为一种分析工具的重要性是基于探测分子独特的振动和旋转模式的能力。拉曼探测到的跃迁频率一般在200 - 4000厘米之间^－1．

低频拉曼区(<10 cm-1 - 200 cm-1)探测分子结构的低能振动和旋转模式与太赫兹光谱(300 GHz - 6 THz)相同。许多材料表现出强烈的、唯一可识别的超低频拉曼光谱，作为其低能振动和旋转模式的特征。利用低频拉曼信号的一些应用实例如下bob综合app官网登录:

• 具有多态结构的化合物的鉴别，如活性药物成分和有机半导体
• 半导体分析:先进的半导体器件在多层超晶格结构的折叠声模和剪切模的低频区域[2]有很强的信号。
• 分析大分子、复杂分子(如含有重原子或放射性同位素的化合物)的低能振动模式[3]。
• 光抽运气体电池[4]旋转和振动温度的测量。

由于现有的滤光片的限制，获得这些低频信号(<200 cm-1)以前是困难和昂贵的。

实验设置

建立了一台能够测量激光线<10 cm-1信号的低频拉曼光谱仪，并用于测量l -胱氨酸(图1)。该系统基于Ondax SureBlock超窄带滤波器和Andor摄谱仪与通常用于访问这些低频跃迁的三级光谱仪相比，它更紧凑、经济且更容易使用。Ondax SureBlock滤光片的高性能使传统可见光或近红外激光仅使用低杂散光、高色散单级摄谱仪即可访问拉曼光谱的低频区域。该组合系统的优点是能够同时测量低频斯托克斯信号和反斯托克斯信号，而不牺牲测量2000 cm-1或更多的传统拉曼位移的能力。

图2:低频拉曼光谱仪示意图。来自785 nm或532 nm激励源的准直光通过ASE抑制滤波器和匹配的90/10分束器(Ondax Incorporated)滤波和重定向后聚焦到样品上。在用两个Ondax SureBlock超窄带notch滤波器去除瑞利散射后，合成的拉曼信号由聚焦物镜和耦合到Andor Shamrock 303i或Shamrock 500i的光纤收集。散射光是由牛顿DU920P-BRDD或iDus DU420A-OE检测到的。

低频拉曼光谱仪(图2)由532 nm或785 nm波长稳定激光器组成，使用窄带ASE抑制滤波器去除ASE。匹配的90/10分束器将光束重定向到聚焦在感兴趣的样品上的物镜上。后向散射信号被物镜重新准直，在返回路径上，90/10分束器在反射90%的瑞利散射光的同时发射拉曼信号。两个Ondax SureBlock超窄带缺口滤波器，每个具有光密度(od) > 4，用于阻挡剩余的瑞利散射光，估计总光密度约为9。过滤后的拉曼信号被光纤耦合到光谱仪(Shamrock 303i或500i)上，并连接到背光深损耗牛顿CCD探测器(DU920P-BRDD)或开电极iDus CCD探测器(DU420A-OE)上。典型的60秒积分时间被用来捕捉拉曼光谱。

为了说明区分不同多态结构的能力，用低频拉曼光谱仪测量了三种不同形式的卡马西平(一种常用的抗惊厥药物)(图3)。20 - 60 cm-1区域显示了三种不同形式之间的明显区别，几乎没有信号重叠，尽管这三种形式具有相同的化学成分，在拉曼光谱的“指纹”区域几乎没有区别。这种和类似的低频拉曼测量可用于药物的开发和生产以及其他化合物的合成，不仅可以识别和验证制剂的纯度，而且还可以确保制备的配方符合FDA标准。

参考文献

1. Ranzieri, P.， Girlando, A.， Tavazzi, S.， Campione, M.， Raimondo, L.， Bilotti, I.， Brillante, A.， Della Valle, R. G.和Venuti, E.， α-四硫噻吩的多态性和声子动力学。化学生理学，Vol 10, 657-663 (2009)
2. 谭培华，韩文平，赵文杰，吴志辉，张凯，王宏，王彦峰，Bonini, N.， Marzari, N.， Savini, G.， Lombardo, A.， Ferrari, a.c.，多层石墨烯的剪切模式。(cond-mat arXiv: 1106.1146 v1。mes-hall](2011)。
3. Pakhomov, P.， Khizhnyak, S.， Galitsyn, V.， Rogova, E.， Hartmann, B.和Tshmel, A.，低频拉曼光谱在超高分子量聚乙烯研究中的应用。大分子研讨会，Vol 305, 63-72 (2011)
4. 沃尔特，d.k.，格里菲斯，W.M.和Happer, W.，高密度自旋交换光泵浦电池的能量传输。理论物理。启。，第86卷，3264-3267 (2001)