拉曼光譜技術綜述

　　　【摘要】本文從拉曼散射原理出發，介紹了拉曼技術的特征，以及拉曼技術的優勢和不足，從激光技術和納米技術出發介紹了當前拉曼技術的廣泛發展和應用。綜述了近年來了曼技術的主要的分析技術。涉及拉曼光譜技術的發展簡史，發展現狀和最新研究進展等方面。

　　1、拉曼光譜的發展簡史

　　印度物理學家拉曼于1928年用水銀燈照射苯液體,發現了新的輻射譜線:在入射光頻率ω0的兩邊出現呈對稱分布的,頻率為ω0-ω和ω0+ω的明銳邊帶,這是屬于一種新的分子輻射,稱為拉曼散射,其中ω是介質的元激發頻率。與此同時,前蘇聯蘭茨堡格和曼德爾斯塔報導在石英晶體中發現了類似的現象,即由光學聲子引起的拉曼散射,稱之謂并合散射。然而到1940年,拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因為拉曼效應太弱(約為入射光強的 ),人們難以觀測研究較弱的拉曼散射信號,更談不上測量研究二級以上的高階拉曼散射效應。并要求被測樣品的體積必須足夠大、無色、無塵埃、無熒光等等。所以到40年代中期,紅外技術的進步和商品化更使拉曼光譜的應用一度衰落。1960年以后,紅寶石激光器的出現,使得拉曼散射的研究進入了一個全新的時期。由于激光器的單色性好,方向性強,功率密度高,用它作為激發光源,大大提高了激發效率。成為拉曼光譜的理想光源。隨探測技術的改進和對被測樣品要求的降低,目前在物理、化學、醫藥、工業等各個領域拉曼光譜得到了廣泛的應用,越來越受研究者的重視。

　　70年代中期,激光拉曼探針的出現,給微區分析注人活力。80年代以來,美國Spex公司和英國Rrin show公司相繼推出,拉曼探針共焦激光拉曼光譜儀,由于采用了凹陷濾波器(notch filter)來過濾掉激發光,使雜散光得到抑制,這樣入射光的功率可以很低,靈敏度得到很大的提高。Di l o公司推出了多測點在線工業用拉曼系統,采用的光纖可達200m,從而使拉曼光譜的應用范圍更加廣闊。

　　2、拉曼光譜簡介：

　　拉曼光譜（Raman spectra），是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。

　　3、拉曼光譜原理 ：

　　3.1、瑞利散射與拉曼散射

　　當一束激發光的光子與作為散射中心的分子發生相互作用時,大部分光子僅是改變了方向,發生散射,而光的頻率仍與激發光源一致,這種散射稱為瑞利散射。但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向,而且也改變了光波的頻率,這種散射稱為拉曼散射。其散射光的強度約占總散射光強度的10^-6～10^-10。拉曼散射的產生原因是光子與分子之間發生了能量交換改變了光子的能量。

　　3.2、拉曼散射的產生

　　光子和樣品分子之間的作用可以從能級之間的躍遷來分析。樣品分子處于電子能級和振動能級的基態,入射光子的能量遠大于振動能級躍遷所需要的能量,但又不足以將分子激發到電子能級激發態。這樣,樣品分子吸收光子后到達一種準激發狀態,又稱為虛能態。樣品分子在準激發態時是不穩定的,它將回到電子能級的基態。若分子回到電子能級基態中的振動能級基態,則光子的能量未發生改變,發生瑞利散射。如果樣品分子回到電子能級基態中的較高振動能級即某些振動激發態,則散射的光子能量小于入射光子的能量,其波長大于入射光。這時散射光譜的瑞利散射譜線較低頻率側將出現一根拉曼散射光的譜線,稱為St okes線。如果樣品分子在與入射光子作用前的瞬間不是處于電子能級基態的最低振動能級,而是處于電子能級基態中的某個振動能級激發態,則入射光光子作用使之躍遷到準激發態后,該分子退激回到電子能級基態的振動能級基態,這樣散射光能量大于入射光子能量,其譜線位于瑞利譜線的高頻側,稱為antiStokes線。Stokes線和anti-Stokes線位于瑞利譜線兩側,間距相等。Stokes線和anti-Stokes線統稱為拉曼譜線。由于振動能級間距還是比較大的,因此,根據波爾茲曼定律,在室溫下,分子絕大多數處于振動能級基態,所以Stokes線的強度遠遠強于anti-Stokes線。拉曼光譜儀一般記錄的都只是Stokes線。

　　3.3、拉曼散射光譜的特征

　　1.拉曼散射譜線的波數雖然隨入射光的波數而不同，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；

　　2. 在以波數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。

　　3. 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，處于振動基態上的粒子數遠大于處于振動激發態上的粒子數。

　　實驗做出的譜圖(以波長為單位)

　　標準的譜圖(以波數為單位)

　　3.4、通過的結構分析解釋光譜：

　　分子為四面體結構，一個碳原子在中心，四個氯原子在四面體的四個頂點。當四面體繞其自身的一軸旋轉一定角度，或記性反演(r—-r)、或旋轉加反演之后，分子的幾何構形不變的操作稱為對稱操作，其旋轉軸成為對稱軸。CCI4有13個對稱軸，有案可查4個對稱操作。我們知道，N個原子構成的分子有（3N—6）個內部振動自由度。因此分子可以有9個(3×5—6)自由度，或稱為9個獨立的簡正振動。根據分子的對稱性，這9種簡正振動可歸納成下列四類：

　　第一類，只有一種振動方式，4個氯原子沿與C原子的聯線方向作伸縮振動，記作v1，表示非簡并振動。

　　第二類，有兩種振動方式，相鄰兩對CI原子在與C原子聯線方向上，或在該聯線垂直方向上同時作反向運動，記作v2，表示二重簡并振動。

　　第三類，有三種振動方式，4個CI與C原子作反向運動，記作v3，表示三重簡并振動。

　　第四類，有三種振動方式，相鄰的一對CI原子作伸張運動，另一對作壓縮運動，記作v4，表示另一種三重簡并振動。

　　上面所說的“簡并”，是指在同一類振動中，雖然包含不同的振動方式但具有相同的能量，它們在拉曼光譜中對應同一條譜線。因此，分子振動拉曼光譜應有4個基本譜線，根據實驗中測得各譜線的相對強度依次為v1>v2>v3>v4。

　　4、拉曼光譜技術的優越性

　　拉曼光譜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波數的區間，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、數據庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區間的強度可以和功能集團的數量相關。

　　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紅外光譜一個很大的優勢。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色基團的振動，這些發色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1,000到10,000倍。

　　5、拉曼技術的發展

　　5.1拉曼光譜技術的發展得益于以下兩種技術的高速發展：

　　激光技術

　　非線性拉曼光譜技術已經在生命科學領域研究中發揮它的獨特和重要作用。高質量的超快激光器還推動了另一個極具前途的表面光譜技術，就是合頻（SFG）技術的發展，它作為具有獨特的界面選擇性的非線性光譜方法，已經在界面和表面科學、材料乃至生命領域研究中發揮著越來越重要的作用。

　　納米科技

　　第二個重要方面就是納米科技的迅猛發展，它使得基于納米結構的表面增強拉曼光譜（SERS）和針尖增強拉曼光譜（TERS）在超高靈敏度檢測方面取得了長足的進步，推動拉曼光譜成為迄今很少的、可達到單分子檢測水平的技術。現在不論是拉曼光譜刊物，還是拉曼光譜會議，SERS都是一個最受關注的內容。在近幾屆的國際拉曼光譜會議上，SERS分會都是最大的分會。近幾年，有關SERS的論文數量也呈顯著的上升趨勢。SERS和TERS不僅僅在表面科學研究領域，而且在生命科學領域將具有很大的發展潛力，由此可以為研究各類重要的生命科學體系和解決基本問題作出貢獻。拉曼光譜相對于紅外光譜，其優勢之一體現在用拉曼研究水溶液中比較方便，而生命科學的許多研究往往需要的水溶液環境。共振拉曼、表面增強拉曼和非線性拉曼光譜以及它們的聯用將成為生命科學前沿領域具有重要價值的研究方法，因為21世紀是生命科學的世紀，我以為也是納米技術和激光技術的世紀。

　　5.2分析技術

　　5.2.1幾種重要的拉曼光譜分析技術

　　1、單道檢測的拉曼光譜分析技術

　　拉曼光譜

　　2、以CCD為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術

　　3、采用傅立葉變換技術的FT-Raman光譜分析技術

　　4、共振拉曼光譜分析技術

　　5、表面增強拉曼效應分析技術

　　5.2.2拉曼光譜用于分析的優點和缺點

　　【優點】

　　拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進行前處理，也沒有樣品的制備過程，避免了一些誤差的產生，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短，靈敏度高等優點。

　　【不足】

　　1、拉曼散射面積

　　2、不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統參數等因素的影響

　　3、熒光現象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾

　　4、在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現曲線的非線性的問題

　　5、任何一物質的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結果產生一定的影響。

　　6、拉曼光譜技術的應用

　　激光拉曼光譜法的應用有以下幾種：在有機化學上的應用，在高聚物上的應用，在生物方面上的應用，在表面和薄膜方面的應用。

　　【有機化學】拉曼光譜在有機化學方面主要是用作結構鑒定的手段，拉曼位移的大小、強度及拉曼峰形狀是碇化學鍵、官能團的重要依據。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為順反式結構判斷的依據。

　　【高聚物】拉曼光譜可以提供關于碳鏈或環的結構信息。在確定異構體（單休異構、位置異構、幾何異構和空間立現異構等）的研究中拉曼光譜可以發揮其獨特作用。電活性聚合物如聚毗咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光譜為工具，在高聚物的工業生產方面，如對受擠壓線性聚乙烯的形態、高強度纖維中緊束分子的觀測，以及聚乙烯磨損碎片結晶度的測量等研究中都彩了拉曼光譜。

　　【生物】拉曼光譜是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光譜很弱、譜圖又很簡單，故拉曼光譜可以在接近自然狀態、活性狀態下來研究生物大分子的結構及其變化。拉曼光譜在蛋白質二級結構的研究、DNA和致癌物分子間的作用、視紫紅質在光循環中的結構變化、動脈硬化操作中的鈣化沉積和紅細胞膜的等研究中的應用均有文獻報道。

　　【表面和薄膜】拉曼光譜在材料的研究方面，在相組成界面、晶界等課題中可以做很多例作。

　　最近，對于拉曼光譜在金剛石和類金剛石薄膜的研究工作中的應用，國內外學者的興趣有增無減。

　　拉曼光譜已成CVD（化學氣相沉積法）制備薄膜的檢測和鑒定手段。

　　另外，LB膜的拉曼光譜研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光譜研究都已見報道。

　　（盡管拉曼散射很弱，拉曼光譜通常不夠靈敏，但利用共振或表面增強拉曼技術就可以大大加強拉曼光譜的靈敏度。表面增強拉曼光譜學（SERS）已成為拉曼光譜研究中活躍的一個領域。）

　　7、拉曼光譜技術研究方向

　　7.1表面增強拉曼光譜技術

　　自1974年Fleischmann等人發現吸附在粗糙化的Ag電極表現的吡啶分子具有巨大的拉曼散射現象，加之活性載體表面選擇吸附分子對熒光發射的抑制，使激光拉曼光譜分析的信噪比大大提高，這種表面增強效應被稱為表面增強拉曼散射(SERS)。SERS技術是一種新的表面測試技術，可以在分子水平上研究材料分子的結構信息。

拉曼光譜

　　7.2高溫拉曼光譜技術

　　高溫激光拉曼技術被用于冶金、玻璃、地質化學、晶體生長等領域，用它來研究固體的高溫相變過程，熔體的鍵合結構等。然而這些測試需在高溫下進行，必須對常規拉曼儀進行技術改造。

　　7.3共振拉曼光譜技術

　　激光共振拉曼光譜(RRS)產生激光頻率與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度可達到正常拉曼譜帶的104～106倍，并觀察到正常拉曼效應中難以出現的、其強度可與基頻相比擬的泛音及組合振動光譜。與正常拉曼光譜相比，共振拉曼光譜靈敏充高，結合表面增強技術，靈敏度已達到單分子檢測 。

　　7.4共焦顯微拉曼光譜技術

　　顯微拉曼光譜技術是將拉曼光譜分析技術與顯微分析技術結合起來的一種應用技術。與其他傳統技術相比，更易于直接獲得大量有價值信息，共聚焦顯微拉曼光譜不僅具有常規拉曼光譜的特點，還有自己的獨特優勢。輔以高倍光學顯微鏡，具有微觀、原位、多相態、穩定性好、空間分辨率高等特點，可實現逐點掃描，獲得高分辨率的三維圖像，近幾年共聚焦顯微拉曼光譜在腫瘤檢測、文物考古、公安法學等領域有著廣泛的應用。

　　7.5傅立葉變換拉曼光譜技術

　　傅立葉變換拉曼光譜是上世紀90年代發展起來的新技術，1987年，Perkin Elmer公司推出第一臺近紅外激發傅立葉變換拉曼光譜(NIR FT—R)儀，采用傅立葉變換技術對信號進行收集，多次累加來提高信噪比，并用1064mm的近紅外激光照射樣品，大大減弱了熒光背景。從此，Fr—Raman在化學、生物學和生物醫學樣品的非破壞性結構分析方面顯示出了巨大的生命力。

　　7.6拉曼光譜與光導纖維技術的聯用

　　光導纖維的引入,使拉曼光譜儀用于工業在線分析以及現場遙測分析成為可能。Huy 等使用兩個10m長、100μm 直徑的光纖,激光波長為514. 5nm ,對苯/ 庚烷混合物進行分析,獲得非常好的結果。Benoit 等將光導纖維傳感器用于拉曼光譜儀, 使得液體樣品的拉曼信號增強了50 倍。Cooney 等人比較單個光纖與多個光纖應用于拉曼光譜儀的結果,發現多個光纖的應用將改善收集拉曼光的有效性。Cooper 等利用光纖遙控拉曼技術分析了石油染料中的二甲苯異構體。近年來,國外將1550nm 光纖激光器、EDFA 光纖放大器技術應用于拉曼散射型分布光纖溫度傳感器系統,取得了較好的結果。分布式光纖拉曼光子溫度傳感器已成為光纖傳感技術和檢測技術的發展趨勢。由于它具有獨特的性能,因此已成為工業過程控制中的一種新的檢測裝置,發展成一個工業自動化測量網絡。

　　7.7固體光聲拉曼技術

　　光聲拉曼技術是通過光聲方法來直接探測樣品中因相干拉曼過程而存儲能量的一種非線性光存儲技術。光聲拉曼信號正比于固體介質三階拉曼極化率的虛部,與非共振拉曼極化率無關,因而完全避免了非共振拉曼散射的影響,并且克服了傳統的光學法受瑞利散射,布里淵散射干擾的缺點,具有高靈敏度(能探測到10  -6cm -1的拉曼系數) 、高分辨率和基本上沒有光學背景等優點。在氣體、液體樣品的檢測分析中獲得了理想的效果。由于不像相干斯托克斯拉曼過程那樣有比較嚴格的相位匹配角要求,因而它也很適合用于研究固體介質特性。Barrett 等人從理論上分析了氣體樣品中的光聲拉曼光譜技術過程,但與之不同,固體介質的光聲拉曼效應是由相干拉曼增益過程產生的局部熱能耦合到樣品本身的振動模式的熱彈過程,對于介質各向異性結構,三階非線性拉曼極化率張量形式表現出對稱性,因而,情況要復雜得多,運用平行模型和熱彈性理論,導出固體介質樣品中光聲拉曼信號的解析式,對固體中光聲拉曼效應的一些特性進行分析。

　　7.8拉曼光譜與其他儀器聯用技術

　　近兩年，實現拉曼與其它多種微區分析測試儀器的聯用，其中有：拉曼與掃描電鏡聯用(Raman—SEM)；拉曼與原子力顯微鏡/近場光學顯微鏡聯用(Raman—AFM/NSOM)；拉曼與紅外聯用(Raman—iR)；拉曼與激光掃描共聚焦顯微鏡聯用(Raman— CLSM)，這些聯用的著眼點是微區的原位檢測。通過聯用可以獲得更多的信息，并提高可靠度。[1]

　　8、結束語

　　拉曼光譜技術己廣泛應用于醫藥、文物、寶石鑒定和法庭科學等領域。對文物樣品的無損分析研究。使文物的鑒定、年代的測定及文物的恢復和保存的方法更安全可靠；對爆炸物、毒品、墨跡等的痕跡無損檢測為法庭提供科學證據的有力手段：對寶石的光譜分析研究認識各地寶石中的包含物差異性。并使寶石的鑒別與評價有了科學依據。近年來該技術在細胞和組織的癌變方面的檢測也取得了很大的進展，隨著分析方法完善和研究病例的增多以及對于病變組織差異性的規律性認識深化。拉曼光譜發展成診斷腫瘤方法的可行性將得到確認．總之，隨著激光技術的發展和檢測裝置的改進。拉曼光譜技術在當代工業生產和科學研究中必將得到越來越廣泛的應用。