Введение
Резонансная Раманская спектроскопия (RR spectroscopy или RRS) – это вариант Раманской спектроскопии, в котором энергия падающего фотона близка по энергии к электронному переходу исследуемого соединения или материала. Это сходство в энергии (резонанс) приводит к значительному увеличению интенсивности Раманского рассеяния определенных колебательных мод по сравнению с обычной Раманской спектроскопией. Резонансная Раманская спектроскопия обладает гораздо большей чувствительностью, чем нерезонансная Раманская спектроскопия, что позволяет анализировать соединения со слабой собственной интенсивностью Раманского рассеяния или при очень низких концентрациях. Она также избирательно усиливает только определенные молекулярные колебания (те, которые соответствуют химической группе, претерпевающей электронный переход), что упрощает спектры. Резонансная Раманская спектроскопия использовалась для характеристики неорганических соединений и комплексов, белков, нуклеиновых кислот, пигментов. Рамановски рассеянный свет, содержащий информацию о колебательных переходах, зачастую трудно наблюдать для многих веществ. Резонансная Раманская спектроскопия использует увеличение интенсивности Раманского рассеяния, возникающее при совпадении энергии падающих фотонов с энергией электронного перехода. Если энергия фотона, падающего на образец, равна или близка к энергии электронного перехода в образце, определенные активные в Рамане колебательные моды – те, которые вызывают смещение ядер в том же направлении, что и электронный переход – будут демонстрировать значительно усиленное рассеяние, вплоть до 106 раз по сравнению с нерезонансным Раманом. Резонансное усиление наиболее выражено в случае π–π* переходов и наименее выражено для переходов с участием металла (d–d). Этот метод применялся для изучения динамики возбужденных электронных состояний, связывания кислорода или других газов с гемосодержащими белками и динамики белков. Гиперрезонансная Раманская спектроскопия: возбуждение образца происходит за счет поглощения двух фотонов, а не одного. Такая схема позволяет возбуждать моды, запрещенные в обычной резонансной Раманской спектроскопии, с усилением интенсивности за счет резонанса, а также упрощает сбор рассеянного света. Она особенно полезна для молекул, которые одновременно полярны и поляризуемы. Поверхностно-усиленная резонансная Раманская спектроскопия: гибрид RRS и поверхностно-усиленного Раманского рассеяния. Образец наносят на проводящие наночастицы, а для возбуждения используют лазер, соответствующий поверхностному плазмонному резонансу наночастиц. Если длина волны поверхностного плазмона совпадает с длиной волны электронного перехода в образце, Раманское рассеяние будет значительно усилено по сравнению с обычной RRS. Резонансная Раманская микроскопия: микроскоп используется для фокусировки лазера возбуждения на определенной точке образца, и спектры собираются для множества таких точек. Интенсивность Рамана в различных точках затем может быть собрана в микроскопическое изображение образца. При правильном выборе длины волны возбуждения можно создать микроскопическую карту распределения только интересующего компонента.
Resonance Raman spectroscopy (RR spectroscopy or RRS) is a variant of Raman spectroscopy in which the incident photon energy is close in energy to an electronic transition of a compound or material under examination. This similarity in energy (resonance) leads to greatly increased intensity of the Raman scattering of certain vibrational modes, compared to ordinary Raman spectroscopy. Resonance Raman spectroscopy has much greater sensitivity than non resonance Raman spectroscopy, allowing for the analysis of compounds with inherently weak Raman scattering intensities, or at very low concentrations. It also selectively enhances only certain molecular vibrations (those of the chemical group undergoing the electronic transition), which simplifies spectra. Resonance Raman spectroscopy has been used in the characterization of inorganic compounds and complexes, proteins, nucleic acids, pigments, Raman scattered light, which contains information about vibrational transitions, is therefore difficult to observe for many substances. Resonance Raman spectroscopy takes advantage of an increase in the intensity of Raman scattering when the incident photons match the energy of an electronic transition. If the energy of the photon striking the sample is equal or close to that of an electronic transition in the sample, certain Raman active vibrational modes—those producing nuclear displacement in the same direction as the electronic transition—will exhibit greatly enhanced scattering, up to 106 fold compared to nonresonance Raman. Resonance enhancement is most apparent in the case of π π* transitions and least for metal centered (d–d) transitions. This method has been used to examine the dynamics of excited electronic states, binding of oxygen or other gases to heme containing proteins, and protein dynamics. Resonance hyper Raman spectroscopy: Excitation of the sample occurs by two photon absorption, rather than by absorption of a single photon. This arrangement allows for excitation of modes that are forbidden in ordinary resonance Raman spectroscopy, with intensity enhancement due to resonance, and also simplifies collection of scattered light. It is especially useful for molecules that are both polar and polarizable. Surface enhanced resonance Raman spectroscopy: A hybrid of RRS and surface enhanced Raman scattering. The sample is applied to conducting nanoparticles and a laser matching the surface plasmon resonance of the nanoparticles is used for excitation. If the wavelength of the surface plasmon matches that of an electronic transition in the sample, the Raman scattering will be greatly enhanced compared to ordinary RRS. Resonance Raman microscopy: A microscope is used to focus the excitation laser onto a particular point in the sample, and spectra are collected for many such points. The Raman intensity at different points can then be assembled into a microscopic image of the sample. By appropriate choice of excitation wavelength, a microscopic map of the distribution only of a component of interest can be made.
Приложения
Из-за своей селективности и чувствительности, резонансная Раманская спектроскопия обычно используется для изучения молекулярных колебаний в соединениях, которые в отсутствие резонансного усиления имели бы очень слабые и/или сложные рамановские спектры. Как и обычная Раманская спектроскопия, резонансная Раманская спектроскопия совместима с образцами в воде, которая обладает очень низкой интенсивностью рассеяния и вносит незначительный вклад в спектры. Однако необходимость в лазере возбуждения с длиной волны, соответствующей длине волны электронного перехода в анализируемом веществе, несколько ограничивает область применения метода. Резонансные рамановские спектры других полиеновых пигментов, таких как сфероид и ретиналь, использовались для выявления различий в конформации хромофоров в фотоактивных белках. Резонансная Раманская спектроскопия нашла применение в археологии для идентификации красителей и пигментов в культурных артефактах, а способность РРС различать различные современные чернила и красители используется в криминалистике. Этот метод применялся для изучения связывания газов с гемопротеинами и каталитического цикла различных ферментов. Используя ультрафиолетовое лазерное возбуждение, можно избирательно возбуждать боковые цепи ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин и триптофан) для определения локального окружения и водородных связей, формируемых этими остатками. При использовании ультрафиолетового возбуждения с более короткой длиной волны ("глубокого" УФ) также возможно возбуждать пептидные связи белка для изучения вторичной структуры. Складка и денатурация белков исследовались с помощью глубокой УФ-резонансной Раманской спектроскопии полипептидного остова с длинами волн возбуждения менее 200 нм.
Наноматериалы
Резонансная спектроскопия Рамана также применяется для характеристики структуры и фотофизических свойств наночастиц. Используя лазеры, настроенные на видимые и ближние инфракрасные электронные переходы углеродных нанотрубок, можно усилить вибрационные полосы, чувствительные к структуре нанотрубок.