拉曼光谱技术概述及应用

拉曼光谱技术概述及应用姓名:杨海源学号:2011201373摘要随着人们对拉曼光谱技术研究的深入,拉曼光谱在许多领域中得到越来越多的应用。本文介绍了拉曼光谱检测技术的基本原理及特点，介绍了傅立叶变换拉曼光谱、共焦显微拉曼光谱、表面增强激光拉曼光谱、固体光声拉曼光谱的原理及其应用。综述了拉曼光谱在食品检测中的应用。主要介绍了拉曼光谱在生物、医药、材料化学、食品领域的应用。在许多领域快速检测、质量控制、无损检测等方面，拉曼光谱必将发挥越来越大的作用。关键词:拉曼光谱，检测,应用ABSTRACTWiththedevelopmentofresearchofRamanscatteringtechnology,RamanspectroscopyareincreasinglyemployedinManyFields.Thispaperintroducesthebasicprincipleandcharacteristicsoframanspectroscopyanalyticaltechnology,TheresearchdevelopmentandapplicationofRamanspectroscopyinmanyyeildswerediscussed.TheprincipleandapplicationofFT-Raman，confocalmicroprobeRaman,surface-Enhancelaser-Raman，photoacousticRamanspectroscopyinsolidweresummarized.ReviewetheapplicationofRamanspectroscopyinbiology，food，medicineandchemicalmaterials.Itwillprovideagreatstepforwardinmanyfieldsassayonrapiddetection,qualitycontrolandnon-destructiondetection.Keywords：Ramanspectroscopy,detection,application前言1928年印度实验物理学家拉曼发现了光的一种类似于康普顿效应的光散射效应，称为拉曼效应。简单地说就是光通过介质时由于入射光与分子运动之间相互作用而引起的光频率改变。拉曼因此获得1930年的诺贝尔物理学奖，成为第一个获得这一奖项并且没有接受过西方教育的亚洲人。拉曼光谱最初用的光源是聚焦的日光，后来使用汞弧灯。在随后的几十年内，由于拉曼散射光的强度很弱，激发光源（汞弧灯）的能量低等困难，它在相当长一段时间里未能真正成为一种有实际应用价值的工具。自从傅立叶变换拉曼光谱技术、表面增强拉曼光谱技术、激光共振拉曼光谱、共焦显微拉曼光谱、高温拉曼光谱技术、拉曼光谱与光导纤维技术的联用、固体光声拉曼技术、拉曼光谱与其它光谱的联用等技术的出现，才使得拉曼光谱的应用范围更加广阔。目前拉曼光谱已广泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域。具体来说，可用于聚合物的研究、生物大分子的研究、多肽及蛋白质的构型的研究、无机物及金属配合物的研究、以及在文物考古中的应用、宝石鉴定中的应用、公安与法学样品分析中的应用、无机材料中的应用矿床学中的应用、癌症检测中的应用等。就分析测试而言，拉曼光谱技术和红外光谱技术相配合使用可以为更加全面地研究分子的振动状态提供更多的分子结构方面的信息。一、拉曼光谱的发展简史印度物理学家拉曼于1928年用水银灯照射苯液体,发现了新的辐射谱线:在入射光频率ω0的两边出现呈对称分布的,频率为ω0-ω和ω0+ω的明锐边带,这是属于一种新的分子辐射,称为拉曼散射,其中ω是介质的元激发频率。与此同时,前苏联兰茨堡格和曼德尔斯塔报导在石英晶体中发现了类似的现象,即由光学声子引起的拉曼散射,称之谓并合散射。然而到1940年,拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱(约为入射光强的10-6),人们难以观测研究较弱的拉曼散射信号,更谈不上测量研究二级以上的高阶拉曼散射效应。并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期,红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。1960年以后,红宝石激光器的出现,使得拉曼散射的研究进入了一个全新的时期。由于激光器的单色性好,方向性强,功率密度高,用它作为激发光源,大大提高了激发效率。成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低,目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用,越来越受研究者的重视。70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注人活力。80年代以来,美国Spex公司和英国Rrinshow公司相继推出,拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪,由于采用了凹陷滤波器(notchfilter)来过滤掉激发光,使杂散光得到抑制,这样入射光的功率可以很低,灵敏度得到很大的提高。二、拉曼光谱简介拉曼光谱（Ramanspectra），是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。1.拉曼光谱原理及特征拉曼光谱是一种散射光谱，拉曼散射是光照射到物质上发生的非弹性散射所产生的。单色光束的入射光光子与分子相互作用时可发生弹性碰撞和非弹性碰撞，在弹性碰撞过程中，光子与分子间没有能量交换，光子只改变运动方向而不改变频率，这种散射过程称为瑞利散射。而在非弹性碰撞过程中,光子与分子之间发生能量交换，光子不仅仅改变运动方向，同时光子的一部分能量传递给分子，或者分子的振动和转动能量传递给光子，从而改变了光子的频率，这种散射过程称为拉曼散射。拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，通常的拉曼实验检测到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的频率之差值称为拉曼位移。拉曼位移就是分子振动或转动频率，它与入射线频率无关，而与分子结构有关。每一种物质有自己的特征拉曼光谱，拉曼谱线的数目、位移值的大小和谱带的强度等都与物质分子振动和转动能级有关。2.拉曼散射的产生光子和样品分子之间的作用可以从能级之间的跃迁来分析。样品分子处于电子能级和振动能级的基态,入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量,但又不足以将分子激发到电子能级激发态。这样,样品分子吸收光子后到达一种准激发状态,又称为虚能态。样品分子在准激发态时是不稳定的,它将回到电子能级的基态。若分子回到电子能级基态中的振动能级基态,则光子的能量未发生改变,发生瑞利散射。如果样品分子回到电子能级基态中的较高振动能级即某些振动激发态,则散射的光子能量小于入射光子的能量,其波长大于入射光。这时散射光谱的瑞利散射谱线较低频率侧将出现一根拉曼散射光的谱线,称为Stokes线。如果样品分子在与入射光子作用前的瞬间不是处于电子能级基态的最低振动能级,而是处于电子能级基态中的某个振动能级激发态,则入射光光子作用使之跃迁到准激发态后,该分子退激回到电子能级基态的振动能级基态,这样散射光能量大于入射光子能量,其谱线位于瑞利谱线的高频侧,称为anti-Stokes线。Stokes线和anti-Stokes线位于瑞利谱线两侧,间距相等。Stokes线和anti-Stokes线统称为拉曼谱线。由于振动能级间距还是比较大的,因此,根据波尔兹曼定律,在室温下,分子绝大多数处于振动能级基态,所以Stokes线的强度远远强于anti-Stokes线。拉曼光谱仪一般记录的都只是Stokes线。3.拉曼散射光谱的特征(1)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。(2)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。(3)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拉曼光谱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。其该技术的优越性主要有以下几点:（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。三．拉曼光谱技术分类及相关原理、优缺点及主要应用领域随着拉曼光谱学、仪器学、激光技术的发展，拉曼光谱技术作为一种成熟的光谱分析技术，已发展了多种不同的分析技术，如傅里叶拉曼光谱（FT－Raman）、表面增强拉曼光谱（SERS）、激光共振拉曼光谱（RRS）、共焦显微拉曼光谱、光声拉曼技术、高温高压原位拉曼光谱技术。1.傅里叶变换拉曼光谱技术傅立叶变换拉曼光谱（FT－Raman）原理是傅里叶变换技术采集信号，1064nm的激光光源。来自试样的拉曼散射光通过干涉仪进入探测器，获得一干涉图，随后进行傅里叶变换得到拉曼光谱。该技术优点：针对荧光强、颜色深的样品更适用、克服了荧光干扰，测量波段宽、热效应小、光谱频率精度高及灵敏度高等。且具有多通路的特点，能同时测定所有频率。其缺点是温度漂移，试样移动对光谱影响大。主要应用领域于样品的结构分析，如蛋白质二级结构分析，染色纤维检验等。2.表面增强拉曼光谱技术表面增强拉曼散射（SERS）原理是衡痕量分子吸附于金属胶粒和粗糙金属(如银、金、铜等)表面作用下,试样的拉曼散射强度会增加104～106倍。该技术优点：检测快速、灵敏度高，所需样品浓度低、无破坏性。其缺点是基衬重线性和稳定性难以控制。该技术主要用于分子的理化研究，病理分析，药物分析等研究领域，如Ｌ-天冬氨酸在银胶中的吸附研究。3.激光共振拉曼光谱技术激光共振拉曼光谱技术（RRS）原理是当激发光波长与分子的电子跃迁波长相等时将发生共振拉曼散射，激光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，信号增强104～106倍。该技术优点：灵敏度高，所需样品浓度低、量少等，特别适用于生物大分子试样检测。其缺点是荧光干扰，热效应，要求光源可调。该技术主要用于低浓度和微量样品检测，药物、生物大分子检测等领域，如色素蛋白的研究。4.共聚焦显微拉曼光谱技术共聚焦显微拉曼光谱技术通常是指装备有显微镜系统的拉曼光谱仪。其原理是使光源、样品、探测器三点共轭聚焦，消除杂散光，信号增强104～106倍。该技术优点：采用了低功率激光器、高转换效率、检测灵敏度高、时间短、所需样品量少、样品无需制备、所需样品浓度低，信息量大。柯惟中等采用显微激光拉曼谱仪对各类司法文件作了无损检测。其缺点是受荧光干扰。该技术主要用于电化学研究，宝石中细小包裹体的测量、检测、司法鉴定等领域。5.固体光声拉曼技术光声拉曼光谱术是通过光声方法来直接探测样品中因相干拉曼过程而存储的能量的一种非线性光谱技术。该技术优点：灵敏度高，分辨率高，避免了非共振拉曼散射的影响。其缺点是要求激光具有高度。该技术主要用于气体、液体、固体介质的特性分析领域。6.高温高压原位拉曼光谱技术高温高压原位拉曼光谱技术原理是高温下发生理化反应，得到反应物和产物的结构信息以及反应中间体和