一文读懂拉曼光谱（原理及应用）

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拉曼光谱是一种基于拉曼散射效应的分析方法，通过检测物质分子与光相互作用产生的散射光谱，获取物质的化学结构、相态和形态等信息。作为一种无损、快速的检测技术，拉曼光谱在材料科学、化学、生物医学等多个领域都有广泛的应用。

拉曼光谱的原理

拉曼光谱的基本原理是利用激光和物质分子间的相互作用，通过测量样品所产生的散射光谱来获取样品的结构、成分、状态等信息。这种散射光谱可分为两大类：瑞利散射（散射光的频率与散射光的频率相同）和拉曼散射（散射光的频率不同于入射光）。

当分子吸收能量从低能态跃迁较高能态，光子失去部分能量，频率变小，产生斯托克斯散射；当分子失去能量从高能态跃迁到低能态，光子得到一定的能量，频率会增大，就是反斯托克斯散射。斯托克斯散射和反斯托克斯散射统称为拉曼散射，但斯托克斯散射的强度远大于反斯托克斯散射，这是由于室温下分子多处于基态，处于激发态的概率不足１％。因此，拉曼散射主要指的是斯托克斯散射。拉曼光谱图的横坐标为拉曼位移，即散射光与入射光的频率差△v，用波数表示，单位为cm-１，相对强度值为纵坐标。

图1. 瑞利散射和拉曼散射能态分析图

拉曼光谱的特点

优点：

1. 无损检测：对样品无损伤，可在不破坏样品的情况下进行检测；（适用于珍贵文物、生物样品等的分析；文物研究中，可用于鉴定文物的材质、年代等）
2. 操作简便：仪器使用便捷，无需复杂的操作流程；
3. 高特异性：拉曼光谱具有分子指纹特性，能够提供样品的独特信息，用于准确鉴别物质；
4. 高灵敏度：检测灵敏度低至ppt水平，能够检测到微量的物质；
5. 高稳定性：仪器具有良好的稳定性与可靠性，使用方便，维护量少；
6. 分析速度快：通常在2min内即可得到分子结构分析结果；
7. 适用范围广：适用于测定固体、液体、气体等各种形态的样品；
8. 微量分析：样品需求量少，有时只需微量样品即可进行分析。

缺点：

1. 信号微弱：拉曼光的信号强度一般较弱。拉曼散射面积相对较小，导致检测到的信号强度较低，对仪器的灵敏度要求较高；
2. 易受荧光影响：荧光背景会对拉曼光谱产生干扰，影响测量的准确性和可靠性；
3. 仪器成本高：高性能的拉曼光谱仪价格相对较高，在一定程度上限制了其应用；
4. 曲线非线性问题：在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性问题，需要进行复杂的数据处理和校正；
5. 存在污染风险：任何物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，可能引入误差，对分析的结果产生一定的影响。

拉曼光谱的应用

目前拉曼光谱在药物分析、矿物分析、材料分析、食品安全、水质和环境监测、生命科学、刑事侦查等多种领域得到了非常广泛的应用。

1. 药物分析

在药物分析领域，拉曼光谱可以对药物进行质量控制、成分鉴定、药物鉴别。还可以定量测定不同配方中的药物活性成分，提供多晶型筛选等。

2. 矿物分析

拉曼光谱是矿物表征和检测水及有机/无机碳形态的强大工具，通过拉曼光谱可以有效地对行星表面的岩石和土壤中的矿物比例进行量化。还可用于文物颜料鉴定分析、宝石/玉石鉴定等。

3. 材料分析

拉曼光谱可以说是材料分析的权威方法之一，适用于任何材料体系（超导体、半导体、碳材料、纳米材料等），能够提供材料结构方面的许多重要信息，如分子结构与组成、立体规整性、结晶与去向、分子相互作用，以及表面和界面的结构等。

4. 食品安全

拉曼光谱在食品安全领域的应用主要包括食品成分分析、食品掺假检测、微生物检测、农药残留检测、肉制品检测、乳饮品检测、食品添加剂的分析、食品包装材料分析等。

5. 环境监测

在环境监测中，拉曼光谱主要用于水质污染监测、表面污染检测和其他有机污染物。例如，可以实时监测废水中的有机污染物，或追踪大气中的有害气体。

6. 生命科学

拉曼光谱可用于蛋白质、核酸等生物大分子的结构分析，检测细胞内特定分子的浓度变化等。此外，拉曼光谱还可以用于细胞和组织的癌变检测，成为诊断肿瘤方法之一。

7. 刑事科学

拉曼光谱可用于分析犯罪现场的物证。还可对爆炸物、墨迹等的痕迹进行无损检测，为法庭提供科学证据的有力手段。