生物活性分子在不同纳米材料界面的光谱行为研究(3)
图1.1 拉曼和瑞利散射的原理图
拉曼光谱是一种采用光子作为探针来揭示分子结构信息却不会引起分子损伤的分析技术。从拉曼光谱的实验数据能够得到关于分子结构、表面过程及界面反应等大量丰富的信息，从而使得拉曼光谱成为一种重要的化学和生物分析技术。拉曼光谱测定可在室温、低温和高温等不同条件下进行，其显著的优点是可实现对气、液、固三相进行原位和定量分析。
当激发光的波长接近或位于散射分子的电子吸收光谱带内时，某些拉曼谱带的强度将大大增强，这种现象称为共振拉曼效应(Resonance Raman Effect)，它是电子态跃迁与振动态相耦合作用的结果。通常，共振拉曼光谱的强度与常规拉曼相比要强4-5倍。与常规拉曼光谱相比，共振拉曼光谱灵敏度相对要高，试样的检测限就降低很多。这一点对生物大分子检测很重要，因为它不但可以增强分子的拉曼信号，而且可以选择性地加强分子结构中具有吸收光的部分的振动模式。这些能够吸收光的部分一般便是分子中有着明显生物学特征的部分，如，化学反应活性中心。利用共振拉曼光谱带与激发线的关系能够获得有关分子振动和电子运动间相互作用的信息。共振拉曼光谱特别适合于研究生物大分子，如，蓝铜蛋白，因为通过共振效应可以获得与大分子发色团相关的振动信息。这种选择性对于研究电子跃迁和发生共振增强的振动之间的理论关系尤为重要。但是，共振过程中的电子跃迁激发很容易产生很强的荧光，这成为共振拉曼光谱应用的一个局限性。[2]
1.1.2 SERS现象及机理
一般而言，因为拉曼信号非常弱，所以，利用常规拉曼光谱很难达到低的检测限。但是，最近20年拉曼技术在很多领域的应用还是在不断地扩大。对于拉曼光谱的这种新产生的兴趣是因为对于吸附在特殊金属表面的分子能够使其得到巨大的拉曼增强。20世纪70年代中期，在通过氧化还原电化学粗糙化处理的银电极上吸附的吡啶单分子膜上发现，其拉曼散射信号得到异常地增强。[3]这种拉曼信号的增强起初被归因于电极表面的粗糙化而产生的高表面密度，后来被确定认为是拉曼散射信号的表面增强的结果即SERS效应。与常规拉曼相比，从吸附分子观测到的拉曼散射信号的增强因子要强几百万倍。这种巨大的拉曼散射增强效应开启了拉曼光谱技术在痕量分析，化学分析，环境监测和生物医学等方面应用的新的可能性。自首次观测到SERS效应之后，便有了对其更为广泛的基础和理论研究。
虽然已经有大量基础研究致力于获得更好的增强机理的解释，但是，我们对SERS的理解还是不完全的。目前，有几个理论模型能够解释与SERS效应有关的各种实验现象。光散射的经典理论提供了对SERS过程的定性理解。一束入射光射到一个偶极振动频率下能散射光的颗粒上便可诱导出一个振动偶极子，μ。[4]该偶极矩一般包含许多不同谐波频率分量。每个分量可以由下面的公式表示：
μ(t)= μm cos(2πνt)
其中，ν表示偶极振动(如散射)频率，μm表示对于给定频率μ中最大诱导偶极距。对于电磁场Einc不是很大时，诱导偶极距可以近似表示为：
μ(t)= P• Einc（t）
其中，P是分子的极化率。极化率是一种张量，可以定性地描述为由于外场的存在而使得分子轨道变形的难易程度。拉曼强度被认为与诱导极化率“的平方成比例，可以得出有两种可能的增强机理。增强效应能够影响：(1)分子极化率，如分子效应；(2)分子所在的电场，如场效应。同时可能发生一些其他增强过程。所以，理论模型主要包含两种类型的增强机理：(1)电磁效应，有时也称为场效应。它是由于在金属表面所出现的电磁共振而产生的效应；(2)化学效应，也被称为分子效应。在这种情况下，分子极化率将受到分子与金属表面间相互作用的影响。
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