拉曼光谱的原理以及应用范围

2020-09-11 10:50 来源： 思迈奥

       
       拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。

拉曼光谱仪原理：

       当光线照射到分子并且和分子中的电子云及分子键结产生相互作用，就会发生拉曼效应。对于自发拉曼效应，光子将分子从基态激发到一个虚拟的能量状态。当激发态的分子放出一个光子后并返回到一个不同于基态的旋转或振动状态。在基态与新状态间的能量差会使得释放光子的频率与激发光线的波长不同。

       如果最终振动状态的分子比初始状态时能量高，所激发出来的光子频率则较低，以确保系统的总能量守衡。这一个频率的改变被名为Stokes shift。如果最终振动状态的分子比初始状态时能量低，所激发出来的光子频率则较高，这一个频率的改变被名为Anti-Stokes shift。拉曼散射是由于能量透过光子和分子之间的相互作用而传递，就是一个非弹性散射的例子。

那么，拉曼光谱到底能应用在哪些领域呢？

1、拉曼光谱在化学研究中的应用

        拉曼光谱学主要用于有机化学中的结构鉴定和分子相互作用。它是红外光谱学的补充，可以识别特殊的结构特征或特征组。东古阿卜杜勒·拉赫曼位移的大小、强度和形状是识别化学键和官能团的重要依据。拉曼光谱也可以用偏振特性来判断分子的异构体。

       在化学中，催化剂本身和的拉曼光谱可以提供关于表面物质的结构信息，也可在催化剂制备过程的实时分析。同时，拉曼光谱法是工作电极/溶液界面的结构和性能可进一步研究的基础上的问题的电化学界面结构，和吸附反应在分子水平和施加到所述电，蚀刻和电镀技术的一种重要方法。

2、拉曼光谱在高分子材料中的应用

       拉曼光谱学可以提供关于高分子材料结构的许多重要信息。如分子结构与组成、立体规则性、结晶与方向、分子间相互作用以及表面与界面结构等。聚合物的立体化学纯度可以拥有属性拉曼峰的宽度。随机位置样品或头尾混合结构样品的拉曼峰弱而宽，而高度有序样品的拉曼峰强而尖锐。

3、拉曼光谱在材料科学研究中的应用

        拉曼光谱是一个强大的工具来研究物质在材料科学中的晶界结构，在相组成接口，以及其他主题可以做很多的工作。包括：

     （1）薄膜结构材料的拉曼光谱研究：拉曼光谱已成为化学气相沉积（CVD）薄膜的检测和鉴定方法。拉曼光谱可以用来研究单晶硅、多晶硅、微硅和非晶硅的结构，以及渗硼非晶硅、氢化非晶硅、金刚石和类金刚石碳等层状薄膜的结构。

     （2）超晶格材料研究:通过测量超晶格中应变层的拉曼频移，可以计算出应变层的应力。

     （3）半导体材料的研究：拉曼光谱可以测量离子注入后半导体损伤的分布、半磁半导体的组成、外延层的质量以及外延混合物的组分载流子浓度。

     （4）相结构的拉曼耐火材料。

     （5）所有碳分子的拉曼光谱研究。

     （6）纳米材料的量子尺寸效应。

4、拉曼光谱在生物研究中的应用

        拉曼光谱是生物大分子的研究的有力工具，因为水的拉曼光谱很弱，很简单的光谱，因此拉曼光谱可以改变结构和生物大分子在接近自然的状态，活动状态下。

       生物大分子的拉曼光谱可以同时获得许多有价值的信息

     （1）蛋白质二级结构:-螺旋、-倍、无规卷曲和-回转

     （2）蛋白质主链结构：胺Ⅰ、Ⅲ、CC、CN。

     （3）蛋白质的侧链构象：两个苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸侧链和其微环境变化的星座的形式

     （4）羧基、巯基、S-S、C-S构象变化对构象变化敏感

     （5）生物膜中脂肪酸链的旋转异构化。

     （6）DNA的分子结构和DNA与其他分子的相互作用。

     （7）研究脂质和生物膜，结构，部件等相互作用的。

     （8）为生物膜中蛋白质与脂质的相互作用提供重要信息。

5、拉曼光谱学在中草药研究中的应用

       各种中草药的拉曼光谱反映了它们所含化学成分不同而产生的拉曼光谱的差异。拉曼光谱在中药研究中的应用包括：

     （1）草药化学分析

       高效薄层色谱法（TLC）能有效地分离中草药，但不能获得各成分的结构信息。表面增强拉曼光谱（SERS）具有峰形窄、灵敏度高、选择性好等优点，可以对中草药的化学成分进行高灵敏度的检测。将薄层色谱分离技术与SERS指纹图谱鉴定技术相结合，采用薄层色谱法对中草药成分进行原位分析是一种新的方法。

     （2）中药的无损鉴定

       拉曼光谱不需要破坏样品，可用于中草药样品的无损鉴别，对研究有价值的中草药有着重要的意义。

     （3）稳定性

       可用于中药材稳定性的预测和中药材质量的监测。

     （4）中药的优化

        对于中草药、中成药和复方药的复杂混合体系，不需要分离提取任何成分直接与细菌和细胞相互作用，细菌和细胞光谱由拉曼光谱学收集，无损伤，观察细菌和细胞损伤程度，研究药理作用，优化中药、中成药和配方。