拉曼光谱技术及其广泛应用

拉曼光谱技术及其在广泛应用

摘要：本文简单介绍了拉曼光谱的原理，常用的拉曼光谱技术，拉曼光谱技术的特征、优越性以及近年来拉曼光谱分析技术在考古、医学、文物、宝石鉴定、林业和法庭科学等领域的最新进展。并对其未来的应用前景进行了展望。

引言：1928 年，印度科学家Raman 发现了拉曼散射效应，拉曼光谱最初用的光源是聚焦的日光，后来使用汞弧灯，由于它强度不太高和单色性差，限制了拉曼光谱的发展，直到使用激光作为激发光源的激光拉曼光谱仪问世以及傅立叶变换技术的出现，拉曼光谱检测灵敏度才大大增加，其应用范围也在不断地扩大。目前，拉曼光谱已广泛应用于考古、医学、文物、宝石鉴定、石油化工、林业和法庭科学等领域。

1 、拉曼光谱原理

光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分.非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为拉曼效应

当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征

2 、常用的拉曼光谱技术常用的拉曼光谱技术主要有：显微共焦拉曼光谱技术、傅里叶变换拉曼光谱技术、共振增强拉曼光谱技术和表面增强拉曼光谱技术。

3、拉曼散射光谱具有以下明显的特征：

a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关；

b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。

c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

4、拉曼光谱技术的优越性

提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外

1、由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合

物的理想工具。

2、拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器

3、拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

4、因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。

5、共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。

5、拉曼光谱技术的应用

5.1 拉曼光谱在考古研究中应用对古代青铜器的腐蚀产物进行分析研究，有利于我们认识古代各国的合金技术及处理工艺, 研究其腐蚀机理，从而探讨古青铜器的保护方案。与传统的鉴别方法如电镜、X 光衍射等分析方法相比较，拉曼光谱被证实是对金属器物做无损检测的一种非常有效的方法。文物中颜料鉴定的目的是为了获得历史、艺术和技术信息。大多颜料由于受环境和气候的影响而发生了退化脱落，甚至有些新出土文物的颜料非常潮湿, 同时有些颜料是混合颜料或多个颜料层叠加，这给颜料的分析带来了困难。拉曼光谱作为现代技术对古颜料进行分析研究，是以光子为探针，可进行原位的无损检测，同时它对样品的结构和成分极为敏感，就像人的指纹一样，各种物质的拉曼谱都有自己的特征，因而成为一种十分有利的无损检测手段。古陶器胎体及釉面的矿物组成和成分分析的研究，对于鉴定古陶器的产地、年代，研究古陶器的烧结工艺技术及发展过程有着重要的意义。显微拉曼光谱技术采用低功率激光器，先进的滤光技术及高效的CCD 技术，具有检测灵敏度高、时间短、样品无需制备等特点，且可对被测样品进行非接触性，非破坏性的测试,快速而准确地实现古陶器的微区组成分析及矿物检定，对进一步研究分析古陶器产地、特征、

研究烧结工艺技术等有一定的意义

5.2 拉曼光谱技术在医学研究中的应用癌症是人类健康最大敌人，几乎人体的所有器官都能发生癌症，全球每年约有万人被癌症夺去生命。因此，早期诊断对于提高病人的生存几率显得尤为重要。拉曼光谱可以在分子水平上揭示癌细胞组织结构与正常细胞组织结构之间的差异，通过一定数量癌变的和正常的器官组织的拉曼光谱的对比研究，从二者差异应能找出反映改变的特征标志光谱。拉曼光谱可以对生物材料样品进行测定而不会改变样品的性状，为此应用这项技术对动物组织和细胞进行研究可用于医学诊断为癌症诊断和机理分析提供重要的信息和数据。这对于癌症的诊断具有重要的临床意义

5.3拉曼光谱可用于分析检测食品中糖类、蛋白质、脂肪、维生素和色素等成分，还可应用于食品工业快速检测、质量控制、无损检测等方面。如奶粉中三聚氰胺的快速检测；水果蔬菜表面农药残余量检测；酒制品的乙醇、含糖量检测，产地及真假鉴别；酱油、果汁等产品的品质、真假鉴定；肉制品中的蛋白质、脂肪、水分等含量分析以及新鲜及冷冻程度、产品种类鉴别；加工过程中对结构变化敏感的各个独立组分的检测。近年来，食品安全成为人们关注的焦点，在食品安全检测及非法添加物检测中，拉曼光谱技术，因其快速，灵敏度高等特性，得到了进一步的发展。2008年爆发的毒奶粉事件曾在食品界引起轩然大波，人们对于食品安全的关注也越来越多。王锭笙等人采用表面增强拉曼光谱，将作为探针分子的三聚氰胺滴加在准备好的增强基底银胶上，使用便携式拉曼光谱仪来进行测试，结果表明银纳米粒子的表面增强作用明显。如果与奶粉中或食品中固相萃取技术结合，则可以实现三聚氰胺的现场实时快速检测。此外，便携式拉曼光谱仪因能快速的辨别出容器内的液体是水、酒精还是汽油，应用于安检的事例也有人报导过!拉曼光谱还在水果、蔬菜农药残留、掺假等检测中发挥着积极作用!便携式拉曼光谱仪成本较低，方便快速，将逐渐成为食品检测中的关键技术之一。5.4 拉曼光谱技术在林业中的应用林木种子的优劣是造林的关键，选用良种是培育壮苗和林木速生、丰产、优质的重要措施。在选种时，先从遗传品质优良的采种母树上采集种子，将种子抛光，能够看到胚、胚乳、白色的糊粉层，在拉曼光谱仪下对种子胚中蛋白质的含量、胚乳中脂类的含量以及碳水化合物的含量与分布进行测定，分析其发芽能力、判断其质量优劣，评定其利用价值，