拉曼光谱原理及应用详解：从生物大分子到纳米材料
拉曼光谱原理及应用详解：从生物大分子到纳米材料
拉曼光谱技术是一种重要的光谱分析方法，广泛应用于材料科学、生物医学等领域。本文将详细介绍拉曼光谱的基本原理及其在不同领域的具体应用，帮助读者全面了解这一技术的特点和优势。
拉曼光谱仪主要适用于科研院所、高等院校物理和化学实验室、生物及医学领域等光学方面，研究物质成分的判定与确认；还可以应用于刑侦及珠宝行业进行毒品的检测及宝石的鉴定。该仪器以其结构简单、操作简便、测量快速高效准确，以低波数测量能力著称；采用共焦光路设计以获得更高分辨率，可对样品表面进行微米级的微区检测，也可用此进行显微影像测量。
下面小GO带领大家对拉曼光谱技术的原理和相关基本应用进行详细了解：
1. 原理
拉曼光谱是一种散射光谱。能量范围50~4000cm-1。当一束频率为ν0的入射光照射到样品时，少部分入射光子与样品分子发生碰撞后向各个方向散射，根据是否发生热量交换，有两种形式：
在拉曼光谱中，如果光子把一部分能量给样品分子，使得到的散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中，可检测频率为ν0-ΔE/h的线，成为斯托克斯（Stokes）线。如果它是红外活性，ΔE/h测量值与激发该振动的红外频率一致。反之，若光子从样品分子中获得能量，在大于入射光频率处接收到散射光线，称为反斯托克斯（Anti-Stokes）线。
根据Boltzmann统计，室温时处于振动激发虚态的几率不足1%，因此Stokes线比Anti-Stokes线强度强很多。所以，在一般的拉曼分析中，都采用Stokes线研究拉曼位移。
下面小GO带领大家来了解拉曼光谱技术在材料分析和表征中的应用。
2. 在生物大分子上的应用
拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。
图1. 植物细胞壁的拉曼光谱成像
通过拉曼光谱Mapping技术可以对人体单个细胞、脂肪分布等微小组织进行某特定区域成像分析。
图2. 单个细胞、脂肪分布等微小组织的拉曼成像
3. 在纳米材料上的应用
利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构分析、键态特征分析、结构相变和定性鉴定等。
图3. SERS技术揭示了Ag单原子层对壳层金属与基底金属原子间界面作用的调控
图4. 不同碳纳米结构的特征拉曼光谱
显微拉曼光谱可以解决碳材料研究中的很多问题。在碳纳米管研究方面，可以表征管径、手性、用于评估结构是否有序以及导电性质。在石墨烯研究方面，拉曼能够快速获得层数、张/压应力等信息，并判定结构的有序性。
图5. 纳米碳管的质量和结构分析
Raman-AFM联用技术表征单壁碳纳米管：硅基底上碳纳米管的AFM形貌图（左上图）可以精确定位和测量纳米管的尺寸，拉曼成像（右上图，10 µm×10 µm、步长250nm）则能表征其化学信息。拉曼光谱（下图）可以看出高质量碳纳米管（红）和无序碳材料（绿）D峰和G峰有明显差异。
图6. Raman-AFM联用技术表征单壁碳纳米管
石墨烯的拉曼成像：G峰强度成像（左上图）和光学图像（左下图）。石墨烯较强的拉曼信号使得其化学成像可以在数秒或数分钟内完成。右边的谱图展示了石墨烯2D峰峰形与层数的关系，即使为一层、两层或三层，都可以快速地辨识出来。
图7. 石墨烯的拉曼成像
4. 在晶体材料上的应用
利用不同波长激光在样品中穿透深度不同，得到各深度层的信息。该样品表面为多晶硅，往深度方向晶化程度降低，逐渐变为非晶硅。在制备非晶硅或多晶硅薄过程中，不同深度处的晶化程度可能不同。
图8. 利用拉曼技术判断非晶硅或多晶硅
在大多数情况下拉曼散射对于材料的晶形和结晶度是很敏感的。一般而言，晶体材料的拉曼光谱拥有尖锐、高强度的拉曼峰，而非晶材料的拉曼峰大多很宽，强度较低。
图9. 晶体（红色）和非晶（蓝色）锆石（zircon）的拉曼光谱
5. 在材料应力测试上的应用
利用拉曼光谱可以对材料的应力大小进行定量分析，如下图所示，研究者可以根据图谱颜色的差距来判断材料中应力的大小和数值。
图10. 拉曼光谱技术在材料应力测试上的应用
6. 在材料微结构上的应用
利用不同波长激光在样品中穿透深度不同，得到各深度层的信息。利用不同颜色的区分来判断材料微观结构的形貌。
图11. 拉曼光谱技术在材料微结构上的应用
7. 小结
随着表面分析技术和材料领域的发展，拉曼光谱技术展现了极大的应用优势，并且随着激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用，拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域。