紫外拉曼:应用和优势

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,如果可以完全消除荧光背景呢?

紫外拉曼 正是如此。本文考察了它的优势、它克服的技术难点以及一些引人入胜的应用。在整个过程中,还详细介绍了紫外共振拉曼 (UVRR),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的四次方 (1/λex4),因此为紫外激发提供了一个令人信服的案例。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 强 20 倍以上的信号,或比 785 nm 强 100 倍的信号。然而,在实践中,紫外线拉曼激发还有一个更有说服力的理由:消除背景荧光。

紫外拉曼

许多拉曼活性分子在用激光激发时也显示出荧光,导致较宽的背景,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 或 830 nm)来减少荧光。此外,使用 1064 nm 几乎完全可以消除荧光,尽管一些生物样品在用 1064 nm 拉曼激发时仍然会受到不希望的加热。

或者,使用紫外拉曼激发和捕获荧光窗口以下波长的拉曼光谱是帮助减轻荧光的另一种选择。通常,荧光发生的波长大于 300 nm,因此,通过使用 266 nm 或以下的激发激光,完整的 4000 cm1 覆盖指纹和功能带的光谱范围可以很容易地收集,几乎没有干扰背景。此外,在 UV 范围内使用激发源可能会导致某些样品的拉曼信号大幅共振改善:这种方法被称为共振拉曼光谱。

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。然而,如果激发激光的能量恰好对应于分子内的电子跃迁,则信号可以提高 10 倍2-106:一种称为共振拉曼光谱的方法。

即使是分子电子跃迁附近的激发也可以产生“预共振”,产生 5-10 倍以上的信号。共振拉曼允许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。

紫外拉曼

共振拉曼的另一个优点是更高的选择性,因为信号增强只发生在与激光波长对应的电子跃迁中。这可以使复杂样品基质内的分子有利于激发,或选择性增强来自大分子内特定亚群的信号。

紫外共振拉曼 (UVRR) 利用紫外光与复杂生物分子中的发色团和芳烃的共振来检查蛋白质和核酸的结构和动力学,从折叠到相互作用和环境变化。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产生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

紫外光的短波长对用于拉曼散射的仪器要求更高。虽然选择可能受到限制,但现在商用组件使 UV 拉曼和 UVRR 可用于比以往更广泛的应用。具有更长寿命和更高功率输出的经济实惠、紧凑的紫外激光器导致紫外拉曼系统的尺寸减小。它们包括两个最理想的选择,248.6 nm 的 NeCu 空心阴极金属离子激光器和 266 nm 的四倍二极管泵浦 Nd:YAG 激光器。

推出第一款紧凑型模块化紫外拉曼光谱仪,Wasatch Photonics 的 WP 248。它覆盖 400-3200 cm-1 范围,分辨率为 14 cm-1,设计用于 248.6 nm NeCu 激光器。

推出第一台紧凑型模块化紫外拉曼光谱仪 来自 Wasatch Photonics 的 WP 248.它涵盖了 400-3200 厘米的范围-1 with 14 cm-1 分辨率,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。仅需要约 27 nm 的光谱范围即可生成 4000 cm-1 如果激发激光为 248 nm,则拉曼光谱; 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的对应物更陡峭。

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。这可以通过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脆弱样品(例如生物材料)的潜在损害至关重要。

紫外拉曼的应用

探索 紫外拉曼 已经用于许多应用,只有其中一些利用了紫外共振拉曼的额外好处。在气体测量领域,UV 拉曼测试表明它是一种可行的压力测量技术1 和用于氮的痕量检测2.它也被用于燃烧研究3 用于分析燃料/空气混合4.

作为分析固态材料的工具,它可以更深入地了解电子制造材料的结构、光学和电子特性5.在钻石生长领域,紫外拉曼光谱可以帮助识别和评估在可见拉曼光谱中会强烈显示荧光的杂质6.

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 环境污染物的存在,如致癌多环芳烃。6 事实证明,即使背景的绝对减少也有助于表征强荧光、有色食品样品,包括深色饮料和食用油8.

紫外线拉曼也是安全部队对爆炸威胁和化学战剂进行隔离检测的首选方法。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元件来完成所需的长工作距离。9,10

紫外拉曼

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内特定的、局部感兴趣的片段,例如氨基酸或核酸。这样做时,它改善了仅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。这使得蛋白质结构和折叠的研究变得无价6,以及环境的影响或与其他分子的相互作用。11,12

因此,UVRR 也可以成为生物加工中极其有用的监测工具。13 它甚至被研究用于监测抗生素对特定抗生素/细菌对的作用方式14.

(有关这些应用的更多详细信息,请浏览下面的 UV 拉曼参考列表。)

结论

利用紫外拉曼所需的技术进步,例如紧凑型激光器和新的 WP 248 拉曼光谱仪 促成了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 提供了获得无荧光光谱的机会,并有可能通过 UVRR 改善某些样品的信号,从而补充广泛的光谱 可见光和 NIR 波长现在可用于拉曼光谱.

参考资料和进一步阅读

  1. Gu, Y., 等。 “高达 97 bar 的 H2、N2、O2、CO2、CH4、C2H6 和 C3H8 对窄带 248 纳米激光的振动拉曼散射的压力依赖性。应用物理B 71.6 (2000):865-871。
  2. 哈吉斯,P.J.“通过 KrF 激光激发的自发拉曼光谱对 N 2 进行痕量检测。应用光学 20.1(1981):149-152。
  3. 拉菲乌斯、托马斯等人。 “火焰温度、光衰减和 CO 测量,通过自发拉曼散射在非烟灰样柴油射流中进行。燃烧和火焰 176 (2017): 104-116.
  4. Grady, Nathan R., 等。 “超音速反应流中混合和有限速率化学的拉曼散射测量,在先导倾斜腔上。燃烧和火焰 165 (2016): 310-320.
  5. 刘翔林等。 “单层 WS 2 的深紫外拉曼散射光谱。科学报告 8.1 (2018): 1-10.
  6. Asher、Sanford A.、Calum H. Munro 和 Jinhuan Chi。 “紫外激光器彻底改变了拉曼光谱。激光聚焦世界 33.7 (1997): 99-109.
  7. 德埃利亚、瓦伦蒂娜等。 “用于检测口腔液中可卡因的紫外共振拉曼光谱。” 光谱化学学报 A 部分:分子和生物分子光谱 188 (2018): 338-340.
  8. El-Abassy、Rasha M.、Bernd von der Kammer 和 Arnulf Materny。 “用于表征强荧光饮料的紫外拉曼光谱。LWT-食品科技 64.1 (2015): 56-60.
  9. Nagli, L. 等。 “一些爆炸物的绝对拉曼横截面:紫外线趋势。” 光学材料 30.11 (2008):1747-1754。
  10. Choi,Sun-Kyung,等。 “使用 248 nm 紫外拉曼光谱分析化学战剂的拉曼光谱特性。韩国化学会公报 40.3(2019):279-284。
  11. Chinsky, L. 等。 “聚(l-赖氨酸)、芳香族氨基酸、l-组氨酸和天然和热解折叠核糖核酸酶 A 的共振拉曼光谱。” 拉曼光谱学报 16.4(1985):235-241。
  12. Jakubek、Ryan S. 等。 “用于蛋白质结构和动力学的紫外共振拉曼光谱标记。分析化学中的 TrAC 趋势 103 (2018): 223-229.
  13. 古达克、罗伊斯顿和洛娜·阿什顿。 “深紫外共振拉曼光谱在生物加工中的应用。欧洲药物评论 16.3 (2011): 46-49.
  14. López-Díez、E. Consuelo 等。 “使用拉曼光谱监测抗生素的作用方式:研究阿米卡星对铜绿假单胞菌的亚抑制作用。分析化学 77.9(2005):2901-2906。
  15. Sapers, Haley M., 等。 “使用深紫外拉曼光谱识别原位微生物活动。阿古姆 2017 (2017):B11G-1744。

此信息来源于、审查和改编自 Wasatch Photonics, Inc. 提供的材料。

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