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| 拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用及研究進展 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2016-01-12 10:10:11 瀏覽次數(shù)： |
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拉曼光譜是一種散射光譜，它是1928年印度物理學(xué)家C.V.Raman發(fā)現(xiàn)的。拉曼光譜作為一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析測試手段而被廣泛應(yīng)用，尤其是60年代以后，激光光源的引入、微弱信號檢測技術(shù)的提高和計算機的應(yīng)用，使拉曼光譜分析在許多應(yīng)用領(lǐng)域取得很大的發(fā)展。目前，拉曼光譜已廣泛應(yīng)用于材料、化工、石油、高分子、生物、環(huán)保、地質(zhì)等領(lǐng)域。就分析測試而言，拉曼光譜和紅外光譜相配合使用可以更加全面地研究分子的振動狀態(tài)，提供更多的分子結(jié)構(gòu)方面的信息。
1 拉曼光譜的應(yīng)用
拉曼光譜是研究分子振動的一種光譜方法，它的原理和機制都與紅外光譜不同，但它提供的結(jié)構(gòu)信息卻是類似的，都是關(guān)于分子內(nèi)部各種簡正振動頻率及有關(guān)振動能級的情況，從而可以用來鑒定分子中存在的官能團。分子偶極矩變化是紅外光譜產(chǎn)生的原因，而拉曼光譜是分子極化率變化誘導(dǎo)的，它的譜線強度取決于相應(yīng)的簡正振動過程中極化率的變化的大小。在分子結(jié)構(gòu)分析中，拉曼光譜與紅外光譜是相互補充的。例如：電荷分布中心對稱的鍵，如C-C、N=N、S-S等，紅外吸收很弱，而拉曼散射卻很強，因此，一些在紅外光譜儀無法檢測的信息在拉曼光譜能很好地表現(xiàn)出來。
拉曼光譜還可測定分子的退偏比，利于弄清分子的對稱性等。這在結(jié)構(gòu)分析中是非常有用的。拉曼的缺點是檢測靈敏度非常低。在電化學(xué)研究中該缺點尤為突出，因為典型的電化學(xué)體系是由固-液兩個凝聚相組成的，表面物種信號往往會被液相里的大量相同物種的信號所掩蓋。
1.1 用于聚合物中的研究
隨著CCD探頭和光纖在FT-拉曼光譜中的應(yīng)用，使信噪比、光譜范圍和精度大大增加。廣義二維FT-拉曼相關(guān)光譜和帶色散儀及多道探測器的近紅外FT-拉曼光譜得到迅速發(fā)展，以及多變量分析法的應(yīng)用使拉曼光譜可應(yīng)用于過程監(jiān)控和定量分析，這使拉曼技術(shù)在高分子科學(xué)中起著越來越重要的作用。
通常用紅外光譜研究含氫鍵的聚合物相容性。無氫鍵的聚合物共混物內(nèi)的特殊相互作用的振動光譜研究很少有報道。最近發(fā)展起來的廣義二維FT-拉曼相關(guān)光譜，通過選擇相關(guān)譜帶可確定各種分子間相互作用以及共混物中特殊相互作用與其相容性的關(guān)系，不僅能提供無氫鍵共混物的組成與共混物的構(gòu)形、特殊相互作用及相容性的關(guān)系的信息，而且還可研究相容性與氫鍵的關(guān)系。
實驗室分析聚合物固化過程常采用DSC，DSC的樣品用量少，樣品薄，使聚合產(chǎn)生的熱快速有效地散失，反應(yīng)控制在假等溫狀態(tài)。然而，工業(yè)上大多數(shù)聚合物和復(fù)合材料都較厚，使聚合產(chǎn)生的熱不能快速散失，這樣厚樣品的DSC分析并不理想，并且DSC是脫線測量，不能進行實時監(jiān)測。光纖拉曼光譜的應(yīng)用解決了這個問題，它能直接監(jiān)測大量聚合物和薄膜的固化反應(yīng)過程。Myrick等設(shè)計了一個新的探針，增大了信噪比，使光纖拉曼光譜能直接實時監(jiān)測固化反應(yīng)，可快速獲取光譜數(shù)據(jù)，進而確定反應(yīng)溫度和化學(xué)結(jié)構(gòu)，并可由多變量技術(shù)快速定量地測定固化百分率。拉曼技術(shù)除用于研究聚合物共混物的相容性、固化過程監(jiān)測，還可用于表面增塑機理、聚合反應(yīng)監(jiān)控聚合物結(jié)晶過程監(jiān)控、聚合物水溶液和凝膠體系中水的結(jié)構(gòu)及分子間、分子內(nèi)相互作用力的研究。
1.2 用于生物大分子的研究
近年來，逐漸用激光拉曼光譜研究各種生物高分子的結(jié)構(gòu)及它們在水溶液中的構(gòu)型隨pH、離子強度、極化溫度的變化情況。在生物體系研究方面，表面增強拉曼散射可直接分析水相生物分子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，且樣品用量少，與其他方法相比有著明顯的優(yōu)勢。科研人員利用表面增強拉曼技術(shù)解決了生物化學(xué)、生物物理和分子生物學(xué)中的許多難題，包括分子的特殊基團(如氨基酸中的氨基、羧基、芳環(huán)等)與界面的相互作用、生物分子與金屬表面的鍵合方式、DNA、RNA、卟啉在銀溶膠上的吸附狀態(tài)等研究。
利用在線拉曼光譜的方法，跟蹤阿司匹林合成反應(yīng)過程的實驗，直接觀測到反應(yīng)過程中體系的拉曼光譜隨時間的變化。用小波變換的方法去除光譜的本底之后，又利用多波長線性回歸的方法對實驗數(shù)據(jù)進行實時的處理，得到了實驗中各組分的相對濃度隨時間的變化。郝雅瓊利用表面增強拉曼散射光譜對半胱氨酸小分子在銀基底表面的吸附方式、作用機理進行了詳細的探討和研究，為利用分子光譜探索含硒酶活性機理和進一步提高酶活性奠定基礎(chǔ)。Vergote利用FT-Raman(和光纖探針連用)探測藥物的合成過程，試驗結(jié)果證明FT-Raman光譜儀是一種成功的檢測手段。
1.3 用于多肽及蛋白質(zhì)的構(gòu)型的研究
用常規(guī)的方法難于檢測多肽及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，或者是方法過于復(fù)雜，不易操作?，F(xiàn)在利用拉曼光譜分析多肽及蛋白質(zhì)的構(gòu)型的研究國內(nèi)外均有報道。國外科研人員以銀膠和銀電極為活性基體的表面增強拉曼光譜與流動注射分析聯(lián)用，成功地獲取到嘌呤和嘧啶類化合物的結(jié)構(gòu)信息。采用光譜電化學(xué)電解池，可檢測到低于10-9mol/L的生物活性物質(zhì)和Fe(II)。余多慰等利用拉曼光譜分析，對酸是否能導(dǎo)致DNA中部分嘌呤、嘧啶的脫落，并分析其原因是否與嘧啶的質(zhì)子化可能強于嘌呤有關(guān)。
1.4 用于無機物及金屬配合物的研究
拉曼光譜可測定某些在紅外光譜中無吸收，而在拉曼出現(xiàn)強偏振線的無機原子團的結(jié)構(gòu)。例如：利用拉曼光譜可以檢測水溶液的汞離子?，F(xiàn)在文獻上也有關(guān)于利用拉曼光譜檢測晶體結(jié)構(gòu)的報道，馮敏等人利用拉曼散射方法對改進Lely法生長的SiC單晶質(zhì)量進行了研究，發(fā)現(xiàn)樣品的結(jié)構(gòu)為6H-SiC，樣品中存在較多的缺陷，有4H-SiC晶型，首次給出了SiC的100-4000cm-1范圍內(nèi)的拉曼光譜。Nakashima也利用拉曼散射研究了SiC晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷。SiC晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷利用X-衍射、電子掃描、離子柱分析以及在磁場中響應(yīng)的光譜也可以檢測出來。程紅艷利用拉曼光譜對C60衍生物研究發(fā)現(xiàn)，C60衍生物的拉曼光譜有了明顯不同，說明有機官能團的出現(xiàn)使得C60分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。Prabakar利用Cd0.6Zn0.4Te多晶體所表現(xiàn)拉曼光譜的性質(zhì)，分析Cd0.6Zn0.4Te多晶體薄膜的結(jié)構(gòu)，拉曼散射實驗表明薄膜的表面被Te腐蝕并且被氧化，其測試結(jié)果與XPS檢測結(jié)果相一致。
2 拉曼光譜技術(shù)
自拉曼效應(yīng)在1928年被發(fā)現(xiàn)以后，30年代拉曼光譜曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段，此時的拉曼光譜儀是以汞弧燈為光源，物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射譜線極其微弱，因此應(yīng)用受到限制，直至60年代激光光源的問世，以及光電訊號轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展才給拉曼光譜帶來新的轉(zhuǎn)機。70年代中期，激光拉曼探針的出現(xiàn)，給微區(qū)分析注入活力。80年代以來，美國Spex公司和英國Rrinshow公司相繼推出了拉曼探針共焦激光拉曼光譜儀，由于采用了凹陷濾波器(notchfilter)來過濾掉激發(fā)光，使雜散光得到抑制，因而不在需要采用雙聯(lián)單色器甚至三聯(lián)單色器，而只需要采用單一單色器，使光源的效率大大提高，這樣入射光的功率可以很低，靈敏度得到很大的提高。Dilor公司推出了多測點在線工業(yè)用拉曼系統(tǒng)，采用的光纖可達200m，從而使拉曼光譜的應(yīng)用范圍更加廣闊。
2.1 傅立葉變換拉曼光譜技術(shù)
傅立葉變換拉曼光譜是上世紀90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，采用傅立葉變換技術(shù)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，F(xiàn)T-Raman在化學(xué)、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)樣品的非破壞性結(jié)構(gòu)分析方面顯示出了巨大的生命力。近幾年來，化學(xué)工作者們對FT-Raman光譜仍在不斷探索。王斌等采用FT-Raman光譜儀對蛋白質(zhì)樣品進行多次掃描，曲線擬合原始光譜圖，以子峰面積表征對應(yīng)二級結(jié)構(gòu)含量，從而對蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)進行定量分析?？梢愿鶕?jù)人體正常組織和病變組織的FT-Raman光譜差異從分子水平鑒別和研究病變的起因。王志國采用近紅外傅立葉變換拉曼光譜技術(shù)直接、準確、快速、無損對27種染色纖維樣品進行了檢驗，同時得到了它們的本底纖維和染料的拉曼譜圖。然后利用計算機譜圖處理程序進行拉曼差譜處理，獲得了染色纖維上染料的拉曼譜圖，由此能夠?qū)崿F(xiàn)對纖維上染料的鑒定。FT-Raman光譜技術(shù)還應(yīng)用在測定家兔體液中的葡萄糖含量、亞麻油的組分、碳酸鈣的固相分析以及共聚物、金屬有機化合物的結(jié)構(gòu)研究等。
2.2 表面增強拉曼光譜技術(shù)
表面增強拉曼散射(SERS)效應(yīng)是指在特殊制備的一些金屬良導(dǎo)體表面或溶膠中，吸附分子的拉曼散射信號比普通拉曼散射(NRS)信號大大增強的現(xiàn)象。表面增強拉曼克服了拉曼光譜靈敏度低的缺點，可以獲得常規(guī)拉曼光譜所不易得到的結(jié)構(gòu)信息，被廣泛用于表面研究、吸附界面表面狀態(tài)研究、生物大小分子的界面取向及構(gòu)型、構(gòu)象研究、結(jié)構(gòu)分析等，可以有效分析化合物在界面的吸附取向、吸附態(tài)的變化、界面信息等。朱知良等利用表面增強拉曼光譜(SERS)研究了L-天冬氨酸在銀溶膠體中的吸附狀態(tài)及其濃度變化對表面增強拉曼散射效應(yīng)的影響，并探討了L-天冬氨酸在銀溶膠表面的吸附作用的特點和規(guī)律。仇立群等人采用高靈敏度的表面增強拉曼光譜(SERS)技術(shù)，以具有強SERS信號的金納米粒子標(biāo)記抗體，以SERS標(biāo)記免疫金溶膠為探針，結(jié)合掃描電鏡技術(shù)，研究免疫球蛋白羊抗小鼠IgG分子與銀基底的相互作用。準確控制并全面了解免疫球蛋白IgG在固相基底表面的吸附，對于醫(yī)學(xué)免疫檢測有極其重要的意義。
2.3 激光共振拉曼光譜
激光共振拉曼光譜(RRS)產(chǎn)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(yīng)中難以出現(xiàn)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，共振拉曼光譜靈敏度高，可用于低濃度和微量樣品檢測，特別適用于生物大分子樣品檢測，可不加處理得到人體體液的拉曼譜圖。用共振拉曼偏振測量技術(shù)，還可得到有關(guān)分子對稱性的信息。RRS在低濃度樣品的檢測和絡(luò)合物結(jié)構(gòu)表征中，發(fā)揮著重要作用。結(jié)合表面增強技術(shù)，靈敏度已達到單分子檢測。近年來，人們發(fā)現(xiàn)許多生物分子的電子吸收位于紫外區(qū)，加強了對生物樣品的紫外共振拉曼研究，利用紫外共振拉曼技術(shù)先后研究了蛋白質(zhì)、核酸、DNA、絲狀病毒粒子等。
2.4 共焦顯微拉曼光譜
在光譜本質(zhì)上，共焦顯微拉曼儀與普通的激光拉曼儀沒有區(qū)別，只是在光路中引進了共焦顯微鏡，從而消除來自樣品的離焦區(qū)域的雜散光，形成空間濾波，保證了探測器到達的散光是激光采樣焦點薄層微區(qū)的信號，可在電化學(xué)體系的電極表面行為和電極溶液截面等方面研究中，可獲得真實的分子水平的信息。顯微共焦拉曼光譜儀測量樣品可以小到1μm的量級，尤其適用于寶石中細小包裹體的測量，使得可以準確了解包裹體的成分、結(jié)構(gòu)、對稱性。祖恩東等人利用共焦顯微拉曼鑒定寶石，與傳統(tǒng)的寶石鑒定法相比，拉曼光譜給出的信息屬于物質(zhì)深層次信息，是物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)的綜合信息，具有更大的可靠性、準確性。喬俊蓮等人利用顯微拉曼光譜儀獲得了酸性紅和酸性黑染料在銀溶膠上的表面增強拉曼光譜，討論了其在銀表面的吸附取向及其強度與濃度的關(guān)系。
2.5 高溫拉曼光譜技術(shù)
為了能揭示熔體的微觀結(jié)構(gòu)，高溫下的物理化學(xué)反應(yīng)，諸如在冶金熔體、地質(zhì)反應(yīng)及晶體生長過程，測試必須在高溫下進行，這樣既能得到反應(yīng)物和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)信息，還可獲取反應(yīng)中間體及其變化過程的信息。常溫下的常規(guī)拉曼光譜，在今天，正經(jīng)受著來自理論研究和生產(chǎn)實踐新的不斷的挑戰(zhàn)。而在高溫下測定拉曼光譜則需專門的技術(shù)。主要問題在于溫度愈高，背景的熱輻射愈強烈，因而需對儀器裝置作必要的改造。現(xiàn)在研制成功的顯微高溫拉曼光譜儀具有所需樣品量少，升溫速率快，空間分辨率高(精度1～2μm)，可選氣體保護，操作和測定簡便等特點。宏觀高溫拉曼光譜儀具有極高的信背和信噪比，可完全消除雜散光的干擾；同時，樣品可程序控溫。目前，高溫拉曼光譜技術(shù)已應(yīng)用于晶體生長、冶金熔渣、地質(zhì)巖漿等物質(zhì)的高溫結(jié)構(gòu)研究，揭示物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的主要手段之一。
2.6 拉曼光譜與光導(dǎo)纖維技術(shù)的聯(lián)用
光導(dǎo)纖維的引入，使拉曼光譜儀用于工業(yè)在線分析以及現(xiàn)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(jié)果。Benoit等將光導(dǎo)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(yīng)用于拉曼光譜儀的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)多個光纖的應(yīng)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(shù)分析了石油染料中的二甲苯異構(gòu)體。近年來，國外將1550nm光纖激光器、EDFA光纖放大器技術(shù)應(yīng)用于拉曼散射型分布光纖溫度傳感器系統(tǒng)，取得了較好的結(jié)果。分布式光纖拉曼光子溫度傳感器已成為光纖傳感技術(shù)和檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。由于它具有獨特的性能，因此已成為工業(yè)過程控制中的一種新的檢測裝置，發(fā)展成一個工業(yè)自動化測量網(wǎng)絡(luò)。
2.7 固體光聲拉曼技術(shù)
光聲拉曼技術(shù)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(shù)。光聲拉曼信號正比于固體介質(zhì)三階拉曼極化率的虛部，與非共振拉曼極化率無關(guān)，因而完全避免了非共振拉曼散射的影響，并且克服了傳統(tǒng)的光學(xué)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(shù))、高分辨率和基本上沒有光學(xué)背景等優(yōu)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(zhì)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(shù)過程，但與之不同，固體介質(zhì)的光聲拉曼效應(yīng)是由相干拉曼增益過程產(chǎn)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(zhì)各向異性結(jié)構(gòu)，三階非線性拉曼極化率張量形式表現(xiàn)出對稱性，因而，情況要復(fù)雜得多，運用平行模型和熱彈性理論，導(dǎo)出固體介質(zhì)樣品中光聲拉曼信號的解析式，對固體中光聲拉曼效應(yīng)的一些特性進行分析。
2.8 拉曼光譜與其它光譜的聯(lián)用
拉曼光譜作為一種提供分子結(jié)構(gòu)信息的分析手段，具有廣泛的應(yīng)用前景，但對于結(jié)構(gòu)極其相似的分子直接進行分析不易做出準確的判斷。早在80年代末90年代初，已有Raman液相色譜聯(lián)用的報道。目前此方面的研究仍不斷深入，進一步拓寬了拉曼光譜分析的應(yīng)用范圍。
氣相色譜(GC)作為一種有效的分離手段應(yīng)用面極廣，將表面增強拉曼技術(shù)作為GC的一種檢測器也已有應(yīng)用，此方法分析了吡啶類化合物，達到滿意的結(jié)果。表面增強拉曼光譜是獲得稀溶液拉曼光譜信息強有力的手段，許多學(xué)者在此方面進行過研究，fateley將薄層色譜與表面增強拉曼技術(shù)相結(jié)合則進一步使混合物的分離和結(jié)構(gòu)測定一次完成。
Futamata將衰減全反射裝置(ATR)用于拉曼光譜，改善了金屬表面吸收物質(zhì)的拉曼光譜強度，提高了方法的靈敏度，此方法的優(yōu)點是通過改變內(nèi)反射晶體的材料和光線的入射角來改變透射深度，以研究不同深度的結(jié)構(gòu)情況。
3 拉曼光譜的應(yīng)用發(fā)展方向
紫外拉曼和共焦顯微拉曼光譜等新的拉曼技術(shù)的出現(xiàn)，解決了拉曼光譜早期存在的一些問題，如熒光干擾、固有的靈敏度低等。近年來隨著納秒、皮秒激光器的出現(xiàn)以及其它光譜技術(shù)的不斷革新，將使時間分辨拉曼光譜在催化中的應(yīng)用成為可能，進一步拓寬了拉曼光譜的應(yīng)用范圍。拉曼光譜學(xué)的研究領(lǐng)域除表面增強拉曼、醫(yī)學(xué)生物、超導(dǎo)體、共振拉曼、礦物、高分子、拉曼理論、高溫、高壓、富烯(Fullerene)、納米材料等外，已出現(xiàn)3個新興熱門領(lǐng)域：用時間分辨拉曼譜學(xué)研究分子微觀動力學(xué)，包括分子振動相位關(guān)聯(lián)的馳豫，分子間能量的轉(zhuǎn)換；蛋白質(zhì)構(gòu)象的研究為人們了解生物分子反應(yīng)過程的機制、自組裝等現(xiàn)象提供了渠道；尤其是拉曼技術(shù)在考古年代的測定、文物真?zhèn)蔚蔫b別、腐蝕機理的研究，在此領(lǐng)域確切無疑的是拉曼技術(shù)在所有化學(xué)、物理技術(shù)中是最為優(yōu)越的。
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