拉曼光譜的研究進展和應用

　　拉曼光譜的研究進展和應用

　　摘要

　　本文簡單介紹了拉曼光譜的一些技術分類，比如表面增強拉曼光譜技術、尖端增強拉曼光譜技術、殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜技術、相干反斯托克斯拉曼光譜技術。另外，還簡單介紹了拉曼光譜的一些領域的應用，比如心血管疾病診斷、食物安全檢測、藥物分析、微/納米加工等。

　　1拉曼光譜技術

　　1.1表面增強拉曼光譜技術（SERS）

　　表面增強拉曼光譜（Surface-enhanced Raman spectroscopy）是一種通過吸附在粗糙金屬表面上的分子或等離子體磁性二氧化硅納米管等納米結構增強拉曼散射的表面敏感技術，其增強因子可高達1010-1011，這意味著該技術可以檢測單個分子。

　　根據目前最普遍接受的觀點,SERS的增強主要來源于局域表面等離激元共振(Localized surface plasmon resonance, LSPR)效應,這也被稱為SERS的電磁場增強機理。 該機理認為,若激發光的波長滿足金屬中導帶電子的共振頻率的要求,則在具有一定納米結構的金屬表面可以激發表面等離激元共振,金屬表面周圍由于諧振相互作用會產生較強的局域光電場,進而增強處于局域光電場中的分子的拉曼信號。

　　表面增強拉曼光譜具有的分析納米尺度混合物的組成的能力，使其應用于環境分析、藥學、材料科學、藝術和考古研究、法醫學、藥物和爆炸物檢測、食品質量分析和單藻類細胞的檢測。表面增強拉曼光譜與等離子體傳感結合，可用于生物分子相互作用的高靈敏度的定量檢測。

　　1.2尖端增強拉曼光譜技術（TERS）

　　TERS是基于SERS理論的一種非接觸模式,是SERS應用拓展的一大突破。與傳統SERS相比,TERS最大的優點在于它具有極高的空間分辨率,并且具有很高的靈敏度。作為一項聯用技術,TERS能同時獲得材料的表面形貌及表面物種的光譜信息,對于實現固-氣界面或固-液界面納米尺度分辨率的原位表征具有獨特的優勢。由于具有高靈敏度和高空間分辨率的特點,TERS被廣泛應用于納米科學、表面科學、催化化學和生物體系等各個方面。

　　1.3殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜(SHINERS)技術

　　殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜(Shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy, SHINERS)技術是基于SERS基礎上研究出來的新一代技術。他在具有極高SERS活性的Au或Ag納米粒子表面包覆一層極薄致密的惰性殼層(如SiO2、Al2O3等),制備出核殼結構的納米粒子。SHINERS進行拉曼檢測時,由于Au或Ag納米粒子產生的極強電磁場具有長程增強的特性,只需將SHINERS粒子鋪撒在待測樣品表面即可獲取待測物質增強的拉曼信號。這種模式下,每一個核殼結構的納米粒子均可以充當增強針尖的作用,相當于激光光斑范圍內有上千個針尖同時在增強信號,因此具有極高的表面檢測靈敏度。

　　與傳統SERS的接觸模式相比,SHINERS有著以下幾個方面的突出優點:首先,傳統SERS中使用的裸露納米粒子和外界化學環境直接接觸吸附雜質,導致最終得到的拉曼信號受到較多干擾,殼層隔絕納米粒子能有效避免物種在納米粒子表面的吸附；其次,除了外界環境,裸露的納米粒子還可能與金屬基底以及樣品分子間存在著電荷轉移或電子作用,SHINERS能有效避免這一點帶來的信號干擾；而且,SHINERS由于納米粒子受到惰性殼層的保護,其化學穩定性和使用壽命得到了極大的改善,其應用范圍也得以進一步拓展。目前，SHINERS的準確性和便捷性使得它能在食品安全、藥品檢測、公共安全等領域實現廣泛應用。

　　1.4相干反斯托克斯拉曼光譜技術（CARS）

　　相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS) 技術是一種可以在無外援性標記的情況下，根據物質分子的振動或者轉動特性獲取待測樣品的分子組成和分布信息, 因此具有良好的化學特異性。同時, CARS所采用的近紅外激發波長對細胞組織的光損傷較小, 對于長時間的活體研究更為有利；除此之外, CARS 還具有高靈敏度、高空間分辨率、高數據獲取速率等優點，在生物和醫學研究領域有著廣泛的應用前景。此外，CARS技術與微弱信號探測技術、光學顯微技術相結合，不僅可以對樣品進行光譜研究,還可以對樣品內的微細結構進行顯微成像。

　　2拉曼光譜技術的應用

　　2.1心血管疾病

　　無創傷和無標記的振動光譜和顯微鏡方法已經在臨床診斷中展現出巨大的應用潛力。拉曼光譜是由分子鍵的旋轉和振動模式引起的非彈性光散射。相關研究已經表明，拉曼光譜可以表征出不同疾病中生物組織變化的化學特征，并且該技術可以用于幾種疾病的無標記監測和臨床診斷，這其中就包括心血管疾病研究。

　　在最近的一項研究中，一組研究人員制作出了SERS肌紅蛋白傳感器。該傳感器采用Ag NPT/ITO作為基板，檢測出肌紅蛋白的靈敏度為10ng/mL。此外，科學家們還提出了一種無標記定量體積拉曼成像顯微鏡，用于識別心臟干細胞在孔板或固定支架上單個細胞的變化。他們組裝了一臺共焦拉曼光譜儀，當激光束通過顯微鏡透鏡聚焦在細胞上時，就得到了細胞在不同振動模式的單變量成像。通過這項技術，就可以檢測細胞的分化和血管化過程。 與傳統獨立拉曼光譜儀相比，這項技術具有更高的分辨率。

　　2.2藥物分析

　　毫無疑問的是，藥物分析是制藥研究領域不可或缺的一部分。 隨著各類藥物的迅速增加和發展，如何使用儀器分析和化學分析進行快速，簡便，高效，精確的定性和定量研究一直是藥物分析的重點。由于水的拉曼信號非常微弱且簡單，所以拉曼光譜非常適合于注射水溶液的檢測。同時，由于拉曼光譜檢測幾乎不需要特殊的樣品制備，這特別適用于檢測難以研磨的高硬度樣品和一些揮發性物質。

　　2.3食品檢測

　　食品安全已成為發達國家和發展中國家的重要公共衛生問題之一。然而，由于食源性病原體污染引起的食源性疾病經常發生，嚴重危害著人類的安全和健康。更重要的是，傳統技術例如PCR和酶聯免疫吸附試驗，雖然檢測結果是準確、有效的，但它們的檢測過程既復雜又耗時。由于表面增強拉曼散射（SERS）對樣品的敏感，快速和非破壞性損傷檢測，被認為是一種強大檢測技術。目前，SERS在食品安全檢測中具有廣泛的應用。

　　3 結束和展望

　　經過幾十年的發展，拉曼光譜技術已經取得了巨大的進步，在不同領域中得到了廣泛的應用。隨著激光技術的不斷發展，拉曼光譜將應用到更多的學科中去，拉曼光譜技術具有廣闊和光明的前景。