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紫外拉曼:应用和优势

2022-8-7 09:31| 发布者: 光执事| 查看: 646| 评论: 0

摘要: 在考虑拉曼光谱的激发波长时,信号强度和荧光背景之间的折衷通常是驱动因素。但是如果荧光背景可以完全消除呢? 紫外拉曼有助于实现这一点。这篇文章探讨了它的优势、它所克服的技术难题以及一些引人入胜的应用。在 ...

在考虑拉曼光谱的激发波长时,信号强度和荧光背景之间的折衷通常是驱动因素。但是如果荧光背景可以完全消除呢?

紫外拉曼有助于实现这一点。这篇文章探讨了它的优势、它所克服的技术难题以及一些引人入胜的应用。在整个过程中,UV 共振拉曼 (UVRR) 也很详细,这种方法可以在适当的情况下产生显着的信号增强和改进的分析特异性。


避免荧光窗口

拉曼散射的有效效率与激发波长相反,为四次方 ,因此为紫外激发提供了令人信服的案例。从理论上讲,这意味着用 248 nm 的紫外光激发可以产生比 532 nm 20 倍以上的信号,或比 785 nm 100 倍的信号。然而,在实践中,紫外拉曼激发有一个更有说服力的原因:消除背景荧光。



许多拉曼活性分子在被激光激发时也会表现出荧光,从而导致宽背景,通常比拉曼信号增强几个数量级。当使用可见光时,这种广泛的发射可能会与完整的拉曼光谱会聚。这可能会降低拉曼光谱的信噪比或使其完全模糊。


当分子结构复杂时,荧光背景最大。这在有机化合物和生物样品中观察到,但如果样品中存在荧光杂质,也会发生这种情况。


可以通过使用更长的波长(如 785 830 nm)来减少荧光。此外,使用 1064 nm 几乎可以完全消除荧光,尽管一些生物样品在用 1064 nm 拉曼激发时仍会经历不希望的加热。


或者,使用紫外拉曼激发和捕获低于荧光窗口波长的拉曼光谱是帮助减轻荧光的另一种选择。通常,荧光发生在波长超过 300 nm 处,因此,通过使用 266 nm 或以下的激发激光,可以很容易地收集覆盖指纹和功能带的完整 4000 cm 1光谱范围,几乎没有干扰背景。此外,在紫外范围内使用激发源可能会导致某些样品的拉曼信号的共振大幅改善:这种方法称为共振拉曼光谱。


紫外共振拉曼 (UVRR)

传统的拉曼散射是一种极其微弱的现象,无论使用何种激发波长,都会在一定程度上发生这种现象。然而,如果激发激光的能量恰好与被检查的分子内的电子跃迁相对应,则信号可以提高 100到1000000倍一种称为共振拉曼光谱的方法。


即使在分子电子跃迁附近的激发也可以产生预共振,产生 5-10 倍的信号。共振拉曼能够以更高的信噪比进行快速测量,并允许测量降低的浓度甚至痕量检测。



共振拉曼的另一个优点是更大的选择性,因为信号增强只发生在与激光波长相对应的电子跃迁中。这可以使复杂样品基质中的分子得到有利的激发,或选择性地增强来自大分子中特定亚组的信号。


紫外共振拉曼光谱 (UVRR) 利用紫外光与复杂生物分子中的发色团和芳香族化合物的共振来检查蛋白质和核酸的结构和动力学,从折叠到环境中的相互作用和改变。波长的选择解决了发生共振的特定结构,选择性地放大其信号以生成相对简单的拉曼光谱,尽管样品很复杂。


紫外拉曼仪器的进展

紫外光的短波长需要更多用于拉曼散射的仪器。虽然选择可能会受到限制,但现在市售的组件使 UV 拉曼和 UVRR 可用于比以往更广泛的应用。价格实惠、结构紧凑的紫外激光器具有更长的使用寿命和功率输出,从而缩小了紫外拉曼系统的尺寸。它们包括两个最理想的选择,248.6 nm NeCu 空心阴极金属离子激光器和 266 nm 的四倍频二极管泵浦 Nd:YAG 激光器。


推出第一台紧凑型模块化紫外拉曼光谱仪,Wasatch Photonics WP 248。它覆盖 400-3200 cm -1的范围,分辨率为 14 cm -1 ,设计用于 248.6 nm NeCu 激光器。图片来源:Wasatch Photonics, Inc.


在检测方面,所使用的光谱仪必须具有高分辨率和高通量。如果激发激光为 248 nm,则只需要 ~27 nm 的光谱范围即可产生 4000 cm -1的拉曼光谱;0.1 nm 分辨率等于 16 cm -1。这要求用于抑制瑞利散射的长通滤波器比其可见对应物要陡峭得多。


因此,为了在合理的测量时间内获得足够的信号,考虑到紫外光谱范围较窄,光谱仪需要极高的通量。这可以使用高效的光学器件、高数值孔径输入和灵敏的检测器来实现。紫外拉曼的灵敏检测对于保持较短的曝光时间和显着减少对精细样品(例如生物材料)的潜在损害至关重要。


紫外拉曼的应用

已经对许多应用进行了紫外拉曼的探索,其中只有一些利用了紫外共振拉曼的额外优势。在气体测量领域,紫外拉曼测试表明它是一种可行的压力测量技术1和氮的痕量检测2。它还被用于燃烧研究3和燃料/空气混合分析4


作为一种分析固态材料的工具,它可以更深入地了解为电子产品制造的材料的结构、光学和电子特性5。在钻石生长领域,紫外拉曼可以帮助识别和评估会强烈显示出可见拉曼6荧光的杂质。


荧光背景的抑制与信号的共振增强相结合,为紫外拉曼光谱仪提供了对复杂样品中分析物进行痕量检测的优势。这些范围从检测唾液中的可卡因7到环境污染物(如致癌 PAH)的存在6。即使是背景的完全减少也已证明有助于表征强荧光、有色食品样品,包括深色饮料和食用油8


紫外拉曼光谱也是安全部队对爆炸威胁和化学战剂进行防区外检测的首选方法。应该注意的是,这不是研究级光谱仪的应用,因为这些系统需要高功率激光器和非常特殊的光学器件来实现所需的长工作距离9,10



然而,紫外共振拉曼作为探测生物系统中分子结构和动力学的可行方法已经产生了最大的影响。它允许特定激发大分子(例如氨基酸或核酸)内特定的局部目标片段。在这样做的过程中,它只改善了来自该子结构的信号,以从高度复杂的样品中提供相对干净的拉曼光谱。这使得它对蛋白质结构和折叠6的研究,以及环境的影响或与其他分子的相互作用的研究变得无价11,12。因此,UVRR 也可以成为生物加工中非常有用的监测工具13。它甚至被研究用于监测特定抗生素/细菌对的抗生素作用模式14

(有关这些应用的更多详细信息,请浏览下面的紫外拉曼参考列表。)


结论

利用紫外拉曼所需的技术(例如紧凑型激光器和新的WP 248 拉曼光谱仪)的进步有助于这种强大的技术变得越来越可用。此外,现在 UVRR 比以往任何时候都更适用于从材料分析和痕量检测到生物结构和动力学研究的广泛应用。
 在您的拉曼仪器套件中加入 UV 提供了获取无荧光光谱的机会,并有可能通过 UVRR 改善某些样品的信号,从而补充了现在可用于拉曼光谱的广谱可见光和 NIR 波长。


参考文献和延伸阅读

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