小鼠、小牛血清sers谱及胞嘧啶拉曼谱的实验与理论研究

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1、大连理工大学硕士学位论文光子和分子碰撞过程中，除了被分子吸收以外，还会发生散射。如图1．1所示，光的散射分为两大类：一类属于弹性散射，在弹性散射中，光子和分子之间不发生能量交换，散射光的频率与入射光的频率相同(V散射=V入射)，只是改变了光子的运动方向，即瑞利(Rayleigll)散射。瑞利散射在光谱上给出了一条与入射频率相同的很强散射线，就是瑞利线，其强度大约是入射线的10。5。另一类属于非弹性散射，在非弹性散射中，光子和分子之碰撞时发生了能量交换，这不仅使光子改变了其运动方向，也改变了其能量，散射光的频率和入射光的频率不同1，*射乒

2、'，、甜。非弹性散射包括拉曼散射和布里渊散射，若频率变化O．1～2伽。1之间通常称为布里渊散射，频率变化在10～3500伽．1之间的则被称为拉曼散射。耋<杰振动激发态萋态／、，、ht％一△v)‰hv．hvoIlvohtⅥ+△Ⅵ、，、，、，Th△vIⅦ一△vISt《成es线fIv．+△vl及Sloke线图1．2拉曼散射的能级图F逅．1．2EnergyleveldiagfamforRam觚scattering拉曼散射的基本原理如图1．2所示。当频率为’，。的单色光照射到物体上时，光子与物质的分子发生非弹性碰撞，碰撞的过程伴随着能量的转移，结

3、果不仅光子的方向发生改变，且光子的能量即频率也发生了变化。从能量变化的角度来看拉曼散射其实是入射光子和物质分子的振动和转动能量交换的过程。在拉曼中y散射y入射的散射称为反斯托克斯线。从分子的散射能级图中我们可以看出，处于基态厶的分子受到入射光子^'，。的激发跃迁到受激虚态，受激虚态不稳定，分子很快又跃迁回基态磊，把吸收的能量J}l’，。以光子的形式释放出来，这就是弹性碰撞，即Rayleigll散射；跃迁到激发虚态的分子还可以跃迁到电子基态中的振动激发态E。上，这时分子吸收了部分

4、能量Jll’，，并释放出能量为J}lⅣ。一△’，)的光子，这就是非弹性小鼠、小牛血清的SERS谱和胞嘧啶拉曼谱的实验及理论研究碰撞，所产生的散射光为Stokes带。若分子处于激发态E。上，受能量为^'，。的入射光子激发跃迁至受激虚态，然后很快又跃迁回原来的激发态E。上则放出Rayleigll散射光；处于激发虚态的分子若是跃迁回到基态，则放出能量为J『lⅣ。+△’，)的光子，即为反Stokes线，这是分子失掉了厅’，的能量。由于分子的分布遵守Boltzm觚定律，常温下分子通常都处在振动基态，所以，拉曼散射中以斯托克斯线为主，反斯托克斯线的

5、强度很低，一般很难观察到。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼(Raman)散射光谱。拉曼光谱和吸收光谱的一个很大差异在于，吸收光谱中光子的能量必须等于分子的某两个能级之间的能量差，这样光子才能被分子有效吸收，而拉曼光谱中入射光子的频率和分子跃迁所涉及的能量差之间并没有确定的关系【埘。拉曼光谱是通过测定散射光相对于入射光频率的变化来获取分子内部结构信息的，频率的移动幅度大小取决于分子的能级特征。在实验上，通过不同频率的光线作为激发光，都可观察至IJ拉曼散射线，但频率的差值是相同的，因为分子的振动．转动能级差是不变的。由于分子与入射光的非弹

6、性散射只占很小的比例，所以拉曼谱线的强度很小。瑞利散射强度约为入射光强度的10_5，而拉曼散射谱线的强度约为瑞利谱线强度的10．2，所以拉曼光谱比较难观测。但随着激光技术的发展，有了很高强度的单色光源，为拉曼光谱的应用创造了有利的条件。1．2拉曼散射的经典模型当入射光到达物质表面时，光子的电场直接施力于该分子的电子和原子核，使电子相对原子核发生移动，这种极化了的分子诱导偶极矩P，它正比于电场强度和极化率，P：越(1．1)式中，E为所加电场，口为极化率。入射光束电场E与时间t的关系可Ez乞C0s(2删。f)(1．2)式中，E。为入射光束的

7、电场振幅，'，。为入射光束的频率，将(1．2)代入(1．1)可得P一以。cos(撕。f)(1．3)频率很小的时候，极化率口用泰勒级数展开可得j一口一口。+芒)。Q+高次项(1．4)口。口。+【i)。Q+向伙坝L1·qJ大连理工大学硕士学位论文式中，Q为简正坐标，％为分子在平衡位置时的极化率，喀争。为平衡位置时极化率随简正坐标的变化。Q是时间参数，在谐振子近似下，忽略高次项可得口．口。+f芸)。【Qocos(研肘f)】(1．5)口。％+％)。【Qo咖(研JIf‘”u巧)式中’，M为分子的基频振动，将(1．5)代入(1．3)可得P—croE

8、Cos(研。f)+(鼍)。QoEC0s(研肼唢撕of)(1．6)aL，利用三角函数关系可得P一口。E。(撕。t)+丢当)。Qo乞【cos幼ⅣⅣ+’，。y+cos幼ⅣⅣ一1，。y】(1·7)由经典电动力学理论