拉曼光谱技术概述及应用

1、拉曼光谱技术概述和应用名字：杨海源学号：2011201373摘要随着拉曼光谱技术的研究的深入，拉曼光谱在很多领域得到了越来越多的应用。 本文介绍了拉曼光谱测量技术的基本原理和特征，介绍了傅立叶变换拉曼光谱、共焦点显微拉曼光谱、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，拉曼光谱在快速检测、质量控制、无损检测等方面发挥着越来越大的作用。关键字：拉曼光谱、检测和应用ABSTRACTthedeverdeplocationofresearchoframanscattering技术ra

2、manspectrocopyareareincassinicallyemployeindmanfields.thisprepareintrod ndcharacteristicsoframanspectroc ical thereserverdeplocationandapplicationoframanspectroscopy是confocal microprobe Raman， 表面增强激光- Raman photoacousticramanspectroscopyinsolidsummarized.reveertheapplicationoframanspectroscopyinbiog

3、y， food medicine和chemical materials.itwillprovideagreatstepforwardinmanyfieldsassayonrapiddetection，qualitycontrolandnon-destrucKeywords:Raman spectroscopy，检测，应用程序前言1928年印度实验物理学家拉曼发现了与康普顿效应相似的光散射效应，被称为拉曼效应。 简单地说，是在光通过介质时由入射光和分子运动的相互作用引起的光频率的变化。 拉曼获得了1930年的诺贝尔物理学奖，第一次获得这个奖，成为了没有接受过西方教育的亚洲人。 拉曼光谱的第一个光

4、源是会聚的阳光，之后使用了水银弧光灯。 此后几十年内，存在拉曼散射光强度弱、激发光源(水银弧光灯)能量低等困难，很长一段时间都没有成为实用工具。 自从出现了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、共焦点显微拉曼光谱、高温拉曼光谱技术、拉曼光谱和光纤技术并用、固体光声拉曼技术、拉曼光谱和其他光谱并用等技术以来，拉曼光谱的应用范围更广。 目前拉曼光谱广泛应用于材料、化学工业、石油、高分子、生物、环境保护、地质等领域。 具体可用于聚合物的研究、生物高分子的研究、多肽和蛋白质的配置的研究、无机物和金属配合物的研究、在文物考古学中的应用、在宝石鉴定中的应用、公安和法学样品分析中的

5、应用、在无机材料中的应用、在癌症检查中的应用等。 分析测试中并用了拉曼光谱技术和红外光谱技术可以提供更多关于分子结构的信息以更全面地研究分子的振动状态。一、拉曼光谱的发展简史印度物理学家拉曼在1928年用汞灯照射苯液，发现新的辐射光谱：对称地分布在入射光的频率0的两侧，出现频率0-和0 的尖锐边缘带。 这是一种新的分子辐射，称为拉曼散射，是介质的原激发频率。 与此同时，旧索伦茨堡和曼德尔斯塔报告了水晶结晶中发现类似的现象，即光声子引起的拉曼散射，即所谓的联合散射。 但是在1940年拉曼光谱的地位降到了千丈。 主要是拉曼效应弱(入射光强度的约10-6 )，很难观测研究弱的拉曼散射信号，无法测量研

6、究二次以上的高阶拉曼散射效果。 另外，需要测定的样品体积足够大，无色，没有灰尘，没有荧光等。 因此，直到40年代中期，红外技术的进步和商品化使拉曼光谱的应用衰退。 1960年以后，红宝石激光器登场，拉曼散射的研究进入了新的时期。 激光器单色性好，方向性强，功率密度高，可用作激励光源，大幅度提高了激励效率。 成为拉曼光谱的理想光源。 随着探测技术的改进和对被检样品的要求的下降，拉曼光谱在物理、化学、医药、工业等各领域得到广泛应用，研究者的重视提高。70年代中期，激光拉曼探测器的出现给微区的分析带来了活力。 80年代以来，美国Spex和英国Rrin show相继上市，拉曼探针共焦点激光拉曼分光器采

7、用陷波滤波器过滤激发光，抑制了杂散光，入射光功率低，灵敏度大幅度提高。二、拉曼光谱介绍拉曼光谱是散射光谱. 拉曼光谱分析法是根据印度科学家C.V .拉曼发现的拉曼散射效果，分析与入射光频率不同的散射光谱，获得分子振动、旋转的相关信息，应用于分子结构研究的分析方法。1 .拉曼光谱的原理和特征拉曼光谱是散射光谱，拉曼散射是由光照射物质产生的非弹性散射引起的。 单色光束入射光光子和分子相互作用时会发生弹性碰撞和非弹性碰撞，在弹性碰撞过程中光子和分子之间没有能量交换，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。 在非弹性碰撞过程中光子与分子之间发生能量交换，光子不仅改变运动方向，而且把光

8、子的一部分能量传递给分子或分子的振动和旋转能传递给光子来改变光子频率的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，在通常的拉曼实验中检测到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的频率差称为拉曼位移。 拉曼位移是分子的振动和旋转频率，与射线的频率无关，与分子结构有关。 每个物质都有各自的特性拉曼光谱，拉曼光谱的数量、位移值的大小、光谱的强度等与物质分子的振动和旋转能水平有关。2 .拉曼散射的发生光子和样品分子之间的作用可以从能级之间的迁移中分析。 样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射到光子上的能量远远大于振动动能能级转变所需的能量，但还不足以将分子激发为电子能级激发态。

9、 这样，样品分子在吸收光子后，达到伪激发态，也称为伪能状态。 样品分子在准激发态不稳定，回到电子能级的基态。 分子回到电子能级基态的振动能级基态时，光子的能量不变化，发生瑞利散射。 试料分子回到电子能级基态高的振动动能级，即某个振动激发态时，散射的光子能比入射光子能小，其波长比入射光大。 此时，在散射光谱瑞利散射光谱低的频率侧出现拉曼散射光的光谱称为Stokes线。 样品分子在与光子入射作用之前的瞬间成为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的振动能级激发态时，入射光光子作用向准激发态转变后，该分子后退到电子能级基态的振动能级基态，散射光能大于入射光子能，其光谱Stokes线和a

10、nti-Stokes线位于瑞利线的两侧，间距相等。 Stokes线和anti-Stokes线统称为拉曼光谱线。 因为振动能级的间距大，根据波尔兹曼定律，在室温下，分子大部分处于振动能级的基态，因此Stokes线的强度远远强于anti-Stokes线。 拉曼分光器一般只记录Stokes线。3 .拉曼散射光谱的特征(1)拉曼散射光谱的频率根据入射光的频率而不同，但是在同一试料中，同一拉曼散射光谱的位移与入射光的波长无关，仅与试料的振动旋转能级相关。(2)在以频率为变量的拉曼光谱图中，斯托克斯线和反斯托克斯线对称分布在瑞利散射线两侧，这是因为在上述两种情况下分别与得到了一个振动量子的能量还是失去了能

11、量对应。(3)斯托克斯线一般强度比反斯托克斯线大。 这是因为在Boltzmann分布中，处于振动基态的粒子数远远多于处于振动激发态的粒子数。4 .拉曼光谱技术的优势拉曼光谱需要无损伤的定性定量分析，样品不需要准备，样品可以直接通过光纤探头或用玻璃、石英、光纤测量。 该技术的优势主要有以下几点：(1)由于水的拉曼散射微弱，拉曼光谱是研究水溶液中生物样品和化学化合物的理想工具。(2)拉曼能同时复盖50-4000波数的区间，可以分析有机物和无机物。 相反，红外光谱复盖相同区间需要改变光栅、分束器、滤波器和光电检测器。(3)拉曼光谱峰值尖锐，适用于定量研究、数据库检索、差异分析的定性研究。 在化学结构

12、分析中，独立拉曼区间的强度与功能集团的数量相关。(4)激光束的直径在其焦点处通常只有0.2-2毫米，因此通常的拉曼光谱是由少量的样品获得的。 这是拉曼光谱比通常的红外光谱大的优点。 另外，拉曼显微镜的物镜还可以将激光束聚焦在20微米以下，能够分析更小面积的样品。(5)共振拉曼效应用于选择性地增强大的生物分子固有的显色基的振动，这些显色基的拉曼强度选择性地增强到100010000倍。三、拉曼光谱技术的分类和相关原理、优缺点和主要应用领域随着拉曼光谱学、仪器学和激光技术的发展，拉曼光谱技术作为成熟的光谱分析技术，包括傅里叶拉曼光谱法(FT-Raman )、表面增强拉曼光谱法(SERS )、激光共振

13、拉曼光谱法(RRS )、共焦点显微镜拉曼光谱法、光声拉曼技术、高温高压原位拉曼1 .傅立叶变换拉曼光谱技术傅立叶变换拉曼光谱法(FT-Raman )的原理是傅立叶变换技术采集信号，是一种1064nm的激光光源。 来自试料的拉曼散射光通过干涉仪进入检测器，得到干涉图，进行傅立叶变换得到拉曼光谱。 该技术的优点是，对于荧光强、颜色深的样品，能够克服荧光干扰，测量带宽、热效应小，光谱频率精度高，灵敏度高等。 有多径的特点，可以同时测量所有频率。 其缺点是温度漂移，样品的移动对光谱的影响很大。 主要应用领域有样品的结构分析，如蛋白质二次结构分析、染色纤维检测等。2 .表面增强拉曼光谱技术表面增强拉曼散

14、射(SERS )的原理是微量分子吸附在金属胶体粒子或粗金属(银、金、铜等)表面上，样品的拉曼散射强度增加到104106倍。 该技术的优点：检测快，灵敏度高，所需样品浓度低，无破坏性。 其缺点是基础衬里重量的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-天冬氨酸对银膏的吸附研究。3 .激光共振拉曼光谱技术激光共振拉曼光谱技术(RRS )的原理是，激发光波长与分子的电子迁移波长相等时发生共振拉曼散射，激光频率接近或重叠被测分子的某一电子吸收峰值时，信号增强到104106倍。 该技术的优点：灵敏度高、所需样品浓度低、量少等，特别适合生物高分子样品的检测。

15、其缺点是荧光干扰、热效应，要求调整光源。 该技术主要用于低浓度和微量样品检测、药物、生物高分子检测等领域，如色素蛋白质的研究。4 .共焦点显微拉曼光谱技术共焦显微拉曼分光技术通常是指配备有显微系统的拉曼分光器。 其原理是使光源、样本、探针三点共轭聚焦，去除杂散光，将信号增强到104106倍。 该技术的优点是采用低功率激光，转换效率高，检测灵敏度高，时间短，所需样品量少，不需要样品调制，所需样品浓度低，信息量多。 科维中等使用微激光拉曼光谱仪无损检测各种司法文件。 其缺点是被荧光干扰。 该技术主要用于电化学研究，用于宝石中小包裹的测定、检测、司法鉴定等领域。5 .固体光声拉曼技术光声拉曼光谱法是

16、一种通过光声法直接检测样本中通过相干拉曼过程积累的能量的非线性光谱技术。 该技术的优点：灵敏度高，分辨率高，避免了非谐振拉曼散射的影响。 其缺点在于激光有高度。 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insitu拉曼光谱技术的原理在高温下发生理化反应，能得到反应物和产物的结构信息和反应中间体和变化过程的信息。 该技术的优点：空间分辨率高，可以去除杂散光，控制样品的程序温度。 其缺点是热辐射。 主要用于晶体生长、冶金渣、地质岩浆等物质的高温结构等研究领域。四、拉曼光谱技术的应用1 .拉曼光谱技术在生物学领域的应用随着现代科学技术的迅速发展，对核酸

17、、蛋白质、磷脂等生物大分子的研究已经不满足于一般性质的描述，而在分子水平上探讨其具体的化学结构已成为新的研究课题，进一步揭开了生命的奥秘。 例如，利用表面增强拉曼技术解决了生物化学、生物物理和分子生物学方面的许多课题。 例如，氨基酸中的氨基、羧基、苯环等与界面的相互作用、生物分子与金属表面的结合方式、DNA、RNA、卟啉在银溶胶上的吸附状态等。 用通常的方法，很难检测多肽和蛋白质的结构，或者方法太复杂，很难操作。 拉曼光谱提供了关于蛋白质结构的丰富信息。 蛋白质拉曼光谱不仅能反映多肽链的骨架振动，还能反映侧链周围的微小环境的变化。 近年来，拉曼光谱应用于蛋白质和多肽的初级结构、非折叠蛋白质、蛋白质组合的特征描述，基于蛋白质制药的过程监测和质量控制，动脉硬化操作中钙化沉积和红细胞膜