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拉曼光譜的原理以及應(yīng)用范圍

2020-09-11 10:50 來源： 思邁奧

       
       拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。

拉曼光譜儀原理：

       當(dāng)光線照射到分子并且和分子中的電子云及分子鍵結(jié)產(chǎn)生相互作用，就會(huì)發(fā)生拉曼效應(yīng)。對(duì)于自發(fā)拉曼效應(yīng)，光子將分子從基態(tài)激發(fā)到一個(gè)虛擬的能量狀態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子放出一個(gè)光子后并返回到一個(gè)不同于基態(tài)的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)狀態(tài)。在基態(tài)與新狀態(tài)間的能量差會(huì)使得釋放光子的頻率與激發(fā)光線的波長(zhǎng)不同。

       如果最終振動(dòng)狀態(tài)的分子比初始狀態(tài)時(shí)能量高，所激發(fā)出來的光子頻率則較低，以確保系統(tǒng)的總能量守衡。這一個(gè)頻率的改變被名為Stokes shift。如果最終振動(dòng)狀態(tài)的分子比初始狀態(tài)時(shí)能量低，所激發(fā)出來的光子頻率則較高，這一個(gè)頻率的改變被名為Anti-Stokes shift。拉曼散射是由于能量透過光子和分子之間的相互作用而傳遞，就是一個(gè)非彈性散射的例子。

那么，拉曼光譜到底能應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢？

1、拉曼光譜在化學(xué)研究中的應(yīng)用

        拉曼光譜學(xué)主要用于有機(jī)化學(xué)中的結(jié)構(gòu)鑒定和分子相互作用。它是紅外光譜學(xué)的補(bǔ)充，可以識(shí)別特殊的結(jié)構(gòu)特征或特征組。東古阿卜杜勒·拉赫曼位移的大小、強(qiáng)度和形狀是識(shí)別化學(xué)鍵和官能團(tuán)的重要依據(jù)。拉曼光譜也可以用偏振特性來判斷分子的異構(gòu)體。

       在化學(xué)中，催化劑本身和的拉曼光譜可以提供關(guān)于表面物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，也可在催化劑制備過程的實(shí)時(shí)分析。同時(shí)，拉曼光譜法是工作電極/溶液界面的結(jié)構(gòu)和性能可進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上的問題的電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)，和吸附反應(yīng)在分子水平和施加到所述電，蝕刻和電鍍技術(shù)的一種重要方法。

2、拉曼光譜在高分子材料中的應(yīng)用

       拉曼光譜學(xué)可以提供關(guān)于高分子材料結(jié)構(gòu)的許多重要信息。如分子結(jié)構(gòu)與組成、立體規(guī)則性、結(jié)晶與方向、分子間相互作用以及表面與界面結(jié)構(gòu)等。聚合物的立體化學(xué)純度可以擁有屬性拉曼峰的寬度。隨機(jī)位置樣品或頭尾混合結(jié)構(gòu)樣品的拉曼峰弱而寬，而高度有序樣品的拉曼峰強(qiáng)而尖銳。

3、拉曼光譜在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用

        拉曼光譜是一個(gè)強(qiáng)大的工具來研究物質(zhì)在材料科學(xué)中的晶界結(jié)構(gòu)，在相組成接口，以及其他主題可以做很多的工作。包括：

     （1）薄膜結(jié)構(gòu)材料的拉曼光譜研究：拉曼光譜已成為化學(xué)氣相沉積（CVD）薄膜的檢測(cè)和鑒定方法。拉曼光譜可以用來研究單晶硅、多晶硅、微硅和非晶硅的結(jié)構(gòu)，以及滲硼非晶硅、氫化非晶硅、金剛石和類金剛石碳等層狀薄膜的結(jié)構(gòu)。

     （2）超晶格材料研究:通過測(cè)量超晶格中應(yīng)變層的拉曼頻移，可以計(jì)算出應(yīng)變層的應(yīng)力。

     （3）半導(dǎo)體材料的研究：拉曼光譜可以測(cè)量離子注入后半導(dǎo)體損傷的分布、半磁半導(dǎo)體的組成、外延層的質(zhì)量以及外延混合物的組分載流子濃度。

     （4）相結(jié)構(gòu)的拉曼耐火材料。

     （5）所有碳分子的拉曼光譜研究。

     （6）納米材料的量子尺寸效應(yīng)。

4、拉曼光譜在生物研究中的應(yīng)用

        拉曼光譜是生物大分子的研究的有力工具，因?yàn)樗睦庾V很弱，很簡(jiǎn)單的光譜，因此拉曼光譜可以改變結(jié)構(gòu)和生物大分子在接近自然的狀態(tài)，活動(dòng)狀態(tài)下。

       生物大分子的拉曼光譜可以同時(shí)獲得許多有價(jià)值的信息

     （1）蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu):-螺旋、-倍、無規(guī)卷曲和-回轉(zhuǎn)

     （2）蛋白質(zhì)主鏈結(jié)構(gòu)：胺Ⅰ、Ⅲ、CC、CN。

     （3）蛋白質(zhì)的側(cè)鏈構(gòu)象：兩個(gè)苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸側(cè)鏈和其微環(huán)境變化的星座的形式

     （4）羧基、巰基、S-S、C-S構(gòu)象變化對(duì)構(gòu)象變化敏感

     （5）生物膜中脂肪酸鏈的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化。

     （6）DNA的分子結(jié)構(gòu)和DNA與其他分子的相互作用。

     （7）研究脂質(zhì)和生物膜，結(jié)構(gòu)，部件等相互作用的。

     （8）為生物膜中蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的相互作用提供重要信息。

5、拉曼光譜學(xué)在中草藥研究中的應(yīng)用

       各種中草藥的拉曼光譜反映了它們所含化學(xué)成分不同而產(chǎn)生的拉曼光譜的差異。拉曼光譜在中藥研究中的應(yīng)用包括：

     （1）草藥化學(xué)分析

       高效薄層色譜法（TLC）能有效地分離中草藥，但不能獲得各成分的結(jié)構(gòu)信息。表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）具有峰形窄、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)中草藥的化學(xué)成分進(jìn)行高靈敏度的檢測(cè)。將薄層色譜分離技術(shù)與SERS指紋圖譜鑒定技術(shù)相結(jié)合，采用薄層色譜法對(duì)中草藥成分進(jìn)行原位分析是一種新的方法。

     （2）中藥的無損鑒定

       拉曼光譜不需要破壞樣品，可用于中草藥樣品的無損鑒別，對(duì)研究有價(jià)值的中草藥有著重要的意義。

     （3）穩(wěn)定性

       可用于中藥材穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)和中藥材質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。

     （4）中藥的優(yōu)化

        對(duì)于中草藥、中成藥和復(fù)方藥的復(fù)雜混合體系，不需要分離提取任何成分直接與細(xì)菌和細(xì)胞相互作用，細(xì)菌和細(xì)胞光譜由拉曼光譜學(xué)收集，無損傷，觀察細(xì)菌和細(xì)胞損傷程度，研究藥理作用，優(yōu)化中藥、中成藥和配方。