拉曼光譜技術及其廣泛應用

拉曼光譜技術及其在廣泛應用摘要：本文簡單介紹了拉曼光譜的原理，常用的拉曼光譜技術，拉曼光譜技術的特征、優(yōu)越性以及近年來拉曼光譜分析技術在考古、醫(yī)學、文物、寶石鑒定、林業(yè)和法庭科學等領域的最新進展。并對其未來的應用前景進行了展望。引言：1928年，印度科學家Raman發(fā)現(xiàn)了拉曼散射效應，拉曼光譜最初用的光源是聚焦的日光，后來使用汞弧燈，由于它強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世以及傅立葉變換技術的出現(xiàn)，拉曼光譜檢測靈敏度才大大增加，其應用范圍也在不斷地擴大。目前，拉曼光譜已廣泛應用于考古、醫(yī)學、文物、寶石鑒定、石油化工、林業(yè)和法庭科學等領域。1、拉曼光譜原理光照射到物質上發(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)光波長相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分,統(tǒng)稱為拉曼效應當用波長比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時，大部分的光會按原來的方向透射，而一小部分則按不同的角度散射開來，產生散射光。在垂直方向觀察時，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射外，還有一系列對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。由于拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動或轉動能級有關。因此，與紅外吸收光譜類似，對拉曼光譜的研究，也可以得到有關分子振動或轉動的信息。目前拉曼光譜分析技術已廣泛應用于物質的鑒定，分子結構的研究譜線特征2、 常用的拉曼光譜技術常用的拉曼光譜技術主要有：顯微共焦拉曼光譜技術、傅里葉變換拉曼光譜技術、共振增強拉曼光譜技術和表面增強拉曼光譜技術。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，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關，只和樣品的振動轉動能級有關；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稱地分布在瑞利散射線兩側，這是由于在上述兩種情況下分別相應于得到或失去了一個振動量子的能量。一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。4、 拉曼光譜技術的優(yōu)越性提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。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化合物的理想工具。2、 拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。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、濾波器和檢測器3、 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區(qū)間的強度可以和功能集團的數(shù)量相關。4、 因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。5、 共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發(fā)色基團的振動，這些發(fā)色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。5、拉曼光譜技術的應用5.1拉曼光譜在考古研究中應用對古代青銅器的腐蝕產物進行分析研究，有利于我們認識古代各國的合金技術及處理工藝,研究其腐蝕機理，從而探討古青銅器的保護方案。與傳統(tǒng)的鑒別方法如電鏡、X光衍射等分析方法相比較，拉曼光譜被證實是對金屬器物做無損檢測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、藝術和技術信息。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,同時有些顏料是混合顏料或多個顏料層疊加，這給顏料的分析帶來了困難。拉曼光譜作為現(xiàn)代技術對古顏料進行分析研究，是以光子為探針，可進行原位的無損檢測，同時它對樣品的結構和成分極為敏感，就像人的指紋一樣，各種物質的拉曼譜都有自己的特征，因而成為一種十分有利的無損檢測手段。古陶器胎體及釉面的礦物組成和成分分析的研究，對于鑒定古陶器的產地、年代，研究古陶器的燒結工藝技術及發(fā)展過程有著重要的意義。顯微拉曼光譜技術采用低功率激光器，先進的濾光技術及高效的CCD技術，具有檢測靈敏度高、時間短、樣品無需制備等特點，且可對被測樣品進行非接觸性，非破壞性的測試，快速而準確地實現(xiàn)古陶器的微區(qū)組成分析及礦物檢定，對進一步研究分析古陶器產地、特征、研究燒結工藝技術等有一定的意義5.2拉曼光譜技術在醫(yī)學研究中的應用癌癥是人類健康最大敵人，幾乎人體的所有器官都能發(fā)生癌癥，全球每年約有萬人被癌癥奪去生命。因此，早期診斷對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胞組織結構與正常細胞組織結構之間的差異，通過一定數(shù)量癌變的和正常的器官組織的拉曼光譜的對比研究，從二者差異應能找出反映改變的特征標志光譜。拉曼光譜可以對生物材料樣品進行測定而不會改變樣品的性狀，為此應用這項技術對動物組織和細胞進行研究可用于醫(yī)學診斷為癌癥診斷和機理分析提供重要的信息和數(shù)據(jù)。這對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食品中糖類、蛋白質、脂肪、維生素和色素等成分，還可應用于食品工業(yè)快速檢測、質量控制、無損檢測等方面。如奶粉中三聚氤胺的快速檢測；水果蔬菜表面農藥殘余量檢測；酒制品的乙醇、含糖量檢測，產地及真假鑒別；醬油、果汁等產品的品質、真假鑒定；肉制品中的蛋白質、脂肪、水分等含量分析以及新鮮及冷凍程度、產品種類鑒別；加工過程中對結構變化敏感的各個獨立組分的檢測。近年來，食品安全成為人們關注的焦點，在食品安全檢測及非法添加物檢測中，拉曼光譜技術，因其快速，靈敏度高等特性，得到了進一步的發(fā)展。2008年爆發(fā)的毒奶粉事件曾在食品界引起軒然大波，人們對于食品安全的關注也越來越多。王錠笙等人采用表面增強拉曼光譜，將作為探針分子的三聚氤胺滴加在準備好的增強基底銀膠上，使用便攜式拉曼光譜儀來進行測試，結果表明銀納米粒子的表面增強作用明顯。如果與奶粉中或食品中固相萃取技術結合，則可以實現(xiàn)三聚氤胺的現(xiàn)場實時快速檢測。此外，便攜式拉曼光譜儀因能快速的辨別出容器內的液體是水、酒精還是汽油，應用于安檢的事例也有人報導過!拉曼光譜還在水果、蔬菜農藥殘留、摻假等檢測中發(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中的關鍵技術之一。5.4拉曼光譜技術在林業(yè)中的應用林木種子的優(yōu)劣是造林的關鍵，選用良種是培育壯苗和林木速生、豐產、優(yōu)質的重要措施。在選種時，先從遺傳品質優(yōu)良的采種母樹上采集種子，將種子拋光，能夠看到胚、胚乳、白色的糊粉層，在拉曼光譜儀下對種子胚中蛋白質的含量、胚乳中脂類的含量以及碳水化合物的含量與分布進行測定，分析其發(fā)芽能力、判斷其質量優(yōu)劣，評定其利用價值，使育苗和播種的風險減少到最低程度。在經濟植物和藥用植物的開發(fā)利用過程中，常常要檢測不同產地、不同部位有效成分的含量和質量，以提高效用和經濟價值。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且更準確，也更具科學性。用拉曼光譜儀可以測定木材的纖維素、半纖維素和木質素、金屬、SiO2等物質的含量和玻璃化溫度，從而對木材材性進行量化分析。為了改善或改變木材的物理、力學、化學性質和構造特征，目前出現(xiàn)了木材碳化技術和木材改性技術。對經過改性處理的木材進行微結構特征拉曼光譜分析，并和改性前各項指標進行對照，以確定最佳改性工藝，導向最佳材性，發(fā)揮普通木材的最好效益。5.5拉曼光譜技術在物證鑒定中的應用拉曼光譜技術無損樣品的優(yōu)越性使其可廣泛應用于各類理化物證的鑒定中。目前,國內相關報道主要集中在利用顯微拉曼光譜技術分析油墨、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,是生物遺傳的物質基礎。隨著細胞研究工作的深入，許多問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DNA的損傷和影響,通過對作用前后的拉曼光譜分析,可以獲知DNA的脫氧核糖、堿基和整個骨架的轉動和振動以及空間構型變化等重要信息。結束語拉曼光譜分析因其靈敏度高、快速、無損傷及分析效率高的特點而越來越受到關注它將在食品安全檢測醫(yī)藥、材料、環(huán)境保護、考古、寶石鑒定等各個領域越來越受到重視，拉曼技術的應用前景將會越來越廣闊。參考文獻張延會，吳良平，孫真榮.拉曼光譜技術應用進展[J].化學教學，2006,4：32-35.陳寧等.拉曼光譜技術及其在物證鑒定中的應用[J].中國人民公安大學學報（自然科學版），2009，2：1-2.曾祥志等.拉曼光譜在考古研究中的應用[J].贛南師范學院學報，2008,6：32-33.⑷鄧利，黎良財.拉曼光譜技術.在林業(yè)中的應用[J].中國科技信息，2008,15.田高友.拉曼光譜技術在石油化工領域應用進展[J].現(xiàn)代科學儀器.2009，4:131-132.陳寧，等.拉曼光譜技術及其在物證鑒定中的應用[J].中國人民公安大學學報；自然科學版.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