拉曼光譜技術(shù)及其廣泛應(yīng)用

拉曼光譜技術(shù)及其在廣泛應(yīng)用摘要：本文簡(jiǎn)單介紹了拉曼光譜的原理，常用的拉曼光譜技術(shù)，拉曼光譜技術(shù)的特征、優(yōu)越性以及近年來(lái)拉曼光譜分析技術(shù)在考古、醫(yī)學(xué)、文物、寶石鑒定、林業(yè)和法庭科學(xué)等領(lǐng)域的最新進(jìn)展。并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。引言：1928年，印度科學(xué)家Raman發(fā)現(xiàn)了拉曼散射效應(yīng)，拉曼光譜最初用的光源是聚焦的日光，后來(lái)使用汞弧燈，由于它強(qiáng)度不太高和單色性差，限制了拉曼光譜的發(fā)展，直到使用激光作為激發(fā)光源的激光拉曼光譜儀問(wèn)世以及傅立葉變換技術(shù)的出現(xiàn)，拉曼光譜檢測(cè)靈敏度才大大增加，其應(yīng)用范圍也在不斷地?cái)U(kuò)大。目前，拉曼光譜已廣泛應(yīng)用于考古、醫(yī)學(xué)、文物、寶石鑒定、石油化工、林業(yè)和法庭科學(xué)等領(lǐng)域。1、拉曼光譜原理光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射.彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長(zhǎng)相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的和短的成分,統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)當(dāng)用波長(zhǎng)比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時(shí)，大部分的光會(huì)按原來(lái)的方向透射，而一小部分則按不同的角度散射開(kāi)來(lái)，產(chǎn)生散射光。在垂直方向觀察時(shí)，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射外，還有一系列對(duì)稱分布著若干條很弱的與入射光頻率發(fā)生位移的拉曼譜線，這種現(xiàn)象稱為拉曼效應(yīng)。由于拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的長(zhǎng)度直接與試樣分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。因此，與紅外吸收光譜類(lèi)似，對(duì)拉曼光譜的研究，也可以得到有關(guān)分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的信息。目前拉曼光譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的鑒定，分子結(jié)構(gòu)的研究譜線特征2、 常用的拉曼光譜技術(shù)常用的拉曼光譜技術(shù)主要有：顯微共焦拉曼光譜技術(shù)、傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)、共振增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)和表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)。3、 拉曼散射光譜具有以下明顯的特征：拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對(duì)同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只和樣品的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)；在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對(duì)稱地分布在瑞利散射線兩側(cè)，這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個(gè)振動(dòng)量子的能量。一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強(qiáng)度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動(dòng)基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。4、 拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性提供快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、且更重要的是無(wú)損傷的定性定量分析，它無(wú)需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過(guò)光纖探頭或者通過(guò)玻璃、石英、和光纖測(cè)量。此外1、由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。2、 拉曼一次可以同時(shí)覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對(duì)有機(jī)物及無(wú)機(jī)物進(jìn)行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測(cè)器3、 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。4、 因?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對(duì)常規(guī)紅外光譜一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。5、 共振拉曼效應(yīng)可以用來(lái)有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。5、拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用5.1拉曼光譜在考古研究中應(yīng)用對(duì)古代青銅器的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析研究，有利于我們認(rèn)識(shí)古代各國(guó)的合金技術(shù)及處理工藝,研究其腐蝕機(jī)理，從而探討古青銅器的保護(hù)方案。與傳統(tǒng)的鑒別方法如電鏡、X光衍射等分析方法相比較，拉曼光譜被證實(shí)是對(duì)金屬器物做無(wú)損檢測(cè)的一種非常有效的方法。文物中顏料鑒定的目的是為了獲得歷史、藝術(shù)和技術(shù)信息。大多顏料由于受環(huán)境和氣候的影響而發(fā)生了退化脫落，甚至有些新出土文物的顏料非常潮濕,同時(shí)有些顏料是混合顏料或多個(gè)顏料層疊加，這給顏料的分析帶來(lái)了困難。拉曼光譜作為現(xiàn)代技術(shù)對(duì)古顏料進(jìn)行分析研究，是以光子為探針，可進(jìn)行原位的無(wú)損檢測(cè)，同時(shí)它對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)和成分極為敏感，就像人的指紋一樣，各種物質(zhì)的拉曼譜都有自己的特征，因而成為一種十分有利的無(wú)損檢測(cè)手段。古陶器胎體及釉面的礦物組成和成分分析的研究，對(duì)于鑒定古陶器的產(chǎn)地、年代，研究古陶器的燒結(jié)工藝技術(shù)及發(fā)展過(guò)程有著重要的意義。顯微拉曼光譜技術(shù)采用低功率激光器，先進(jìn)的濾光技術(shù)及高效的CCD技術(shù)，具有檢測(cè)靈敏度高、時(shí)間短、樣品無(wú)需制備等特點(diǎn)，且可對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行非接觸性，非破壞性的測(cè)試，快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)古陶器的微區(qū)組成分析及礦物檢定，對(duì)進(jìn)一步研究分析古陶器產(chǎn)地、特征、研究燒結(jié)工藝技術(shù)等有一定的意義5.2拉曼光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用癌癥是人類(lèi)健康最大敵人，幾乎人體的所有器官都能發(fā)生癌癥，全球每年約有萬(wàn)人被癌癥奪去生命。因此，早期診斷對(duì)于提高病人的生存幾率顯得尤為重要。拉曼光譜可以在分子水平上揭示癌細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)與正常細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)之間的差異，通過(guò)一定數(shù)量癌變的和正常的器官組織的拉曼光譜的對(duì)比研究，從二者差異應(yīng)能找出反映改變的特征標(biāo)志光譜。拉曼光譜可以對(duì)生物材料樣品進(jìn)行測(cè)定而不會(huì)改變樣品的性狀，為此應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)動(dòng)物組織和細(xì)胞進(jìn)行研究可用于醫(yī)學(xué)診斷為癌癥診斷和機(jī)理分析提供重要的信息和數(shù)據(jù)。這對(duì)于癌癥的診斷具有重要的臨床意義5.3拉曼光譜可用于分析檢測(cè)食品中糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和色素等成分，還可應(yīng)用于食品工業(yè)快速檢測(cè)、質(zhì)量控制、無(wú)損檢測(cè)等方面。如奶粉中三聚氤胺的快速檢測(cè)；水果蔬菜表面農(nóng)藥殘余量檢測(cè)；酒制品的乙醇、含糖量檢測(cè)，產(chǎn)地及真假鑒別；醬油、果汁等產(chǎn)品的品質(zhì)、真假鑒定；肉制品中的蛋白質(zhì)、脂肪、水分等含量分析以及新鮮及冷凍程度、產(chǎn)品種類(lèi)鑒別；加工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)變化敏感的各個(gè)獨(dú)立組分的檢測(cè)。近年來(lái)，食品安全成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，在食品安全檢測(cè)及非法添加物檢測(cè)中，拉曼光譜技術(shù)，因其快速，靈敏度高等特性，得到了進(jìn)一步的發(fā)展。2008年爆發(fā)的毒奶粉事件曾在食品界引起軒然大波，人們對(duì)于食品安全的關(guān)注也越來(lái)越多。王錠笙等人采用表面增強(qiáng)拉曼光譜，將作為探針?lè)肿拥娜垭嘲返渭釉跍?zhǔn)備好的增強(qiáng)基底銀膠上，使用便攜式拉曼光譜儀來(lái)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明銀納米粒子的表面增強(qiáng)作用明顯。如果與奶粉中或食品中固相萃取技術(shù)結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)三聚氤胺的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)。此外，便攜式拉曼光譜儀因能快速的辨別出容器內(nèi)的液體是水、酒精還是汽油，應(yīng)用于安檢的事例也有人報(bào)導(dǎo)過(guò)!拉曼光譜還在水果、蔬菜農(nóng)藥殘留、摻假等檢測(cè)中發(fā)揮著積極作用!便攜式拉曼光譜儀成本較低，方便快速，將逐漸成為食品檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。5.4拉曼光譜技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用林木種子的優(yōu)劣是造林的關(guān)鍵，選用良種是培育壯苗和林木速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的重要措施。在選種時(shí)，先從遺傳品質(zhì)優(yōu)良的采種母樹(shù)上采集種子，將種子拋光，能夠看到胚、胚乳、白色的糊粉層，在拉曼光譜儀下對(duì)種子胚中蛋白質(zhì)的含量、胚乳中脂類(lèi)的含量以及碳水化合物的含量與分布進(jìn)行測(cè)定，分析其發(fā)芽能力、判斷其質(zhì)量?jī)?yōu)劣，評(píng)定其利用價(jià)值，使育苗和播種的風(fēng)險(xiǎn)減少到最低程度。在經(jīng)濟(jì)植物和藥用植物的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，常常要檢測(cè)不同產(chǎn)地、不同部位有效成分的含量和質(zhì)量，以提高效用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。拉曼光譜法相比傳統(tǒng)的中草藥鑒別方法，更直接、快速,不破壞樣品的原性質(zhì)且更準(zhǔn)確，也更具科學(xué)性。用拉曼光譜儀可以測(cè)定木材的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素、金屬、SiO2等物質(zhì)的含量和玻璃化溫度，從而對(duì)木材材性進(jìn)行量化分析。為了改善或改變木材的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)和構(gòu)造特征，目前出現(xiàn)了木材碳化技術(shù)和木材改性技術(shù)。對(duì)經(jīng)過(guò)改性處理的木材進(jìn)行微結(jié)構(gòu)特征拉曼光譜分析，并和改性前各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)照，以確定最佳改性工藝，導(dǎo)向最佳材性，發(fā)揮普通木材的最好效益。5.5拉曼光譜技術(shù)在物證鑒定中的應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)無(wú)損樣品的優(yōu)越性使其可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)理化物證的鑒定中。目前,國(guó)內(nèi)相關(guān)報(bào)道主要集中在利用顯微拉曼光譜技術(shù)分析油墨、紙張、爆炸物、射擊殘留物、纖維、玻璃、泥土、涂料以及汽油、化妝品等。DNA是生物遺傳信息的載體,是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著細(xì)胞研究工作的深入，許多問(wèn)題更需要在分子水平上去研究。藥物、溫度、紫外線、酸度、Y射線等對(duì)DNA的損傷和影響,通過(guò)對(duì)作用前后的拉曼光譜分析,可以獲知DNA的脫氧核糖、堿基和整個(gè)骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)以及空間構(gòu)型變化等重要信息。結(jié)束語(yǔ)拉曼光譜分析因其靈敏度高、快速、無(wú)損傷及分析效率高的特點(diǎn)而越來(lái)越受到關(guān)注它將在食品安全檢測(cè)醫(yī)藥、材料、環(huán)境保護(hù)、考古、寶石鑒定等各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，拉曼技術(shù)的應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越廣闊。參考文獻(xiàn)張延會(huì)，吳良平，孫真榮.拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展[J].化學(xué)教學(xué)，2006,4：32-35.陳寧等.拉曼光譜技術(shù)及其在物證鑒定中的應(yīng)用[J].中國(guó)人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，2：1-2.曾祥志等.拉曼光譜在考古研究中的應(yīng)用[J].贛南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,6：32-33.⑷鄧?yán)枇钾?cái).拉曼光譜技術(shù).在林業(yè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2008,15.田高友.拉曼光譜技術(shù)在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器.2009，4:131-132.陳寧，等.拉曼光譜技術(shù)及其在物證鑒定中的應(yīng)用[J].中國(guó)人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)；自然科學(xué)版.2009，2：2-3.TaoZH,WangGW,XuXD,etal.MonitoringandrapidquantificationoftotalcarotenoidsinRhodotorulaglutiniscellsusinglasertweezersRamanspectroscopy.FEMSMicrobiologyLetters,2011,314（1）：42-48.BuijtelsPC,Willemse-ErixHF,PetitPL,etal.RapididentificationofmycobacteriabyRamanspectroscopy.JournalofClinicalMicrobiology,2008,46（3