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拉曼光譜的原理以及應用范圍

2020-09-11 10:50 來源： 思邁奧

       
       拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。

拉曼光譜儀原理：

       當光線照射到分子并且和分子中的電子云及分子鍵結產生相互作用，就會發生拉曼效應。對于自發拉曼效應，光子將分子從基態激發到一個虛擬的能量狀態。當激發態的分子放出一個光子后并返回到一個不同于基態的旋轉或振動狀態。在基態與新狀態間的能量差會使得釋放光子的頻率與激發光線的波長不同。

       如果最終振動狀態的分子比初始狀態時能量高，所激發出來的光子頻率則較低，以確保系統的總能量守衡。這一個頻率的改變被名為Stokes shift。如果最終振動狀態的分子比初始狀態時能量低，所激發出來的光子頻率則較高，這一個頻率的改變被名為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，就是一個非彈性散射的例子。

那么，拉曼光譜到底能應用在哪些領域呢？

1、拉曼光譜在化學研究中的應用

        拉曼光譜學主要用于有機化學中的結構鑒定和分子相互作用。它是紅外光譜學的補充，可以識別特殊的結構特征或特征組。東古阿卜杜勒·拉赫曼位移的大小、強度和形狀是識別化學鍵和官能團的重要依據。拉曼光譜也可以用偏振特性來判斷分子的異構體。

       在化學中，催化劑本身和的拉曼光譜可以提供關于表面物質的結構信息，也可在催化劑制備過程的實時分析。同時，拉曼光譜法是工作電極/溶液界面的結構和性能可進一步研究的基礎上的問題的電化學界面結構，和吸附反應在分子水平和施加到所述電，蝕刻和電鍍技術的一種重要方法。

2、拉曼光譜在高分子材料中的應用

       拉曼光譜學可以提供關于高分子材料結構的許多重要信息。如分子結構與組成、立體規則性、結晶與方向、分子間相互作用以及表面與界面結構等。聚合物的立體化學純度可以擁有屬性拉曼峰的寬度。隨機位置樣品或頭尾混合結構樣品的拉曼峰弱而寬，而高度有序樣品的拉曼峰強而尖銳。

3、拉曼光譜在材料科學研究中的應用

        拉曼光譜是一個強大的工具來研究物質在材料科學中的晶界結構，在相組成接口，以及其他主題可以做很多的工作。包括：

     （1）薄膜結構材料的拉曼光譜研究：拉曼光譜已成為化學氣相沉積（CVD）薄膜的檢測和鑒定方法。拉曼光譜可以用來研究單晶硅、多晶硅、微硅和非晶硅的結構，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構。

     （2）超晶格材料研究:通過測量超晶格中應變層的拉曼頻移，可以計算出應變層的應力。

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

     （4）相結構的拉曼耐火材料。

     （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。

4、拉曼光譜在生物研究中的應用

        拉曼光譜是生物大分子的研究的有力工具，因為水的拉曼光譜很弱，很簡單的光譜，因此拉曼光譜可以改變結構和生物大分子在接近自然的狀態，活動狀態下。

       生物大分子的拉曼光譜可以同時獲得許多有價值的信息

     （1）蛋白質二級結構:-螺旋、-倍、無規卷曲和-回轉

     （2）蛋白質主鏈結構：胺Ⅰ、Ⅲ、CC、CN。

     （3）蛋白質的側鏈構象：兩個苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸側鏈和其微環境變化的星座的形式

     （4）羧基、巰基、S-S、C-S構象變化對構象變化敏感

     （5）生物膜中脂肪酸鏈的旋轉異構化。

     （6）DNA的分子結構和DNA與其他分子的相互作用。

     （7）研究脂質和生物膜，結構，部件等相互作用的。

     （8）為生物膜中蛋白質與脂質的相互作用提供重要信息。

5、拉曼光譜學在中草藥研究中的應用

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

     （1）草藥化學分析

       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構信息。表面增強拉曼光譜（SERS）具有峰形窄、靈敏度高、選擇性好等優點，可以對中草藥的化學成分進行高靈敏度的檢測。將薄層色譜分離技術與SERS指紋圖譜鑒定技術相結合，采用薄層色譜法對中草藥成分進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，對研究有價值的中草藥有著重要的意義。

     （3）穩定性

       可用于中藥材穩定性的預測和中藥材質量的監測。

     （4）中藥的優化

        對于中草藥、中成藥和復方藥的復雜混合體系，不需要分離提取任何成分直接與細菌和細胞相互作用，細菌和細胞光譜由拉曼光譜學收集，無損傷，觀察細菌和細胞損傷程度，研究藥理作用，優化中藥、中成藥和配方。