干货||一文了解拉曼光谱测试
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一、概述
光谱分类:
发射光谱：原子发射光谱(AES)、原子荧光光谱(AFS发射光谱 )、X射线荧光光谱法(XFS)、分子荧光光谱法(MFS)等。
吸收光谱：紫外-可见光法(UV-Vis)、原子吸收光谱(吸收光谱 AAS)、红外观光谱(IR)、核磁共振(NMR )等。
联合散射：拉曼散射光谱(Raman) 。
二、拉曼光谱原理
瑞利散射:与入射光频率相同的散射强度约为入射光的10-3倍
拉曼散射:与入射光频率不同的散射强度约为入射光的10-6~10-8倍。
斯托克斯线:散射光频率小于入射光频率 ；
反斯托克斯线:散射光频率大于入射光频率；
频率之差△v， 为拉曼位移。
拉曼位移与入射光的频率无关，只与物质分子的振动和转动能级有关，不同物质分子具有不同的振动和转动能级，有特定的拉曼位移，因此拉曼可以用来鉴定物质结构的分析和研究。
三、拉曼光谱特征量
四、拉曼光谱仪的组成
五、拉曼光谱的发展现状
1.傅里叶变换拉曼光谱技术
王斌等利用Fl.Raman光谱仪对蛋白质样品进行多次扫描，再用曲线拟合原始光谱图，并以子峰面积表征对应的二级结构含量然后对蛋白质二级结构进行定量分析同时依据人体正常组织和病变组织的FT-Raman光谱差异在分子水平上鉴别和研究了病变的起因。
2.表面增强拉曼光谱技术
仇立群等将具有强SERS信号的金纳米粒子作为标记抗体，并将 SERS标记的免疫金溶胶作为探针结合扫描电镜技术，对免疫球蛋白羊抗小鼠lgG分子与银基底的相互作用进行了研究由于此项技术能够准确控制并全面了解免疫球蛋白IgG在固相基底表面的吸附作用因而对于医学免疫的检测具有极其重要的意义.
3.激光共振拉曼光谱技术
采用共振拉曼偏振测量技术不加任何处理就可以得到到人体体液的拉曼谱图，许多生物分子的电子吸收带位于紫外区，Wen等在生物样品的紫外共振拉曼光谱方面进行了研究，利用紫外共振拉曼技术先后研究了蛋白质核酸、DNA、丝状病毒粒子、牛细胞色素氧化酶等，并获得了许多关于生物大分子结构方面的信息。
4.共焦显微拉曼光谱技术
康立丽等对采用显微激光共焦拉曼散射光谱扫描系统对活态红细胞进行拉曼光谱(点测定、线扫描、二维扫描)测定及成像的技术与方法进行了研究。
六、拉曼光谱的优缺点
1.优点：
1.使用的激光光源性质使其相当容易分析微量样品。
2.可以对水溶液直接进行测量(水的拉曼光谱很弱)。
3.光谱的测量范围宽，通常为4000~40cm-1。
4.利用共振拉曼和表面增强拉曼可以提高光谱的灵敏度和选择性信号信噪比大大提高，已应用于生物、药物等中痕量物质的检测。
2.缺点：
1.激光照射样品产生的热效应可使相当数量的有机化合物和生物样品发生热分解作用被破坏。
2.拉曼散射光较弱，荧光产生的强背景会造成影响。
3.没有背景测量的绝对强度，易受外界干扰。
4.目前拉曼的标准谱图库还远没红外光谱库丰富。
拉曼光谱技术以其信息丰富、制样简单，水的干扰小等独特优点，在化学、材料、物理、高分子、生物、医药、地质等领域有着广泛的应用。
1.拉曼光谱在化学研究中的应用
拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定和分子相互作用的手段，它与红外光谱互为补充，可以鉴别特殊的结构特征或特征基团。拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是鉴定化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为分子异构体判断的依据。
在无机化合物中金属离子和配位体间的共价键常具有拉曼活性，由此拉曼光谱可提供有关配位化合物的组成、结构和稳定性等信息。另外，许多无机化合物具有多种晶型结构，它们具有不同的拉曼活性，因此用拉曼光谱能测定和鉴别红外光谱无法完成的无机化合物的晶型结构。
在催化化学中，拉曼光谱能够提供催化剂本身以及表面上物种的结构信息，还可以对催化剂制备过程进行实时研究。同时，激光拉曼光谱是研究电极/溶液界面的结构和性能的重要方法，能够在分子水平上深入研究电化学界面结构、吸附和反应等基础问题并应用于电催化、腐蚀和电镀等领域。
2.拉曼光谱在高分子材料研究中的应用
拉曼光谱可提供聚合物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。拉曼峰的宽度可以表征高分子材料的立体化学纯度。如无规立场试样或头头，头-尾结构混杂的样品，拉曼峰是弱而宽的，而高度有序样品具有强而尖锐的拉曼峰。
研究内容包括:
a.化学结构和立构性判断高分子中的C=C、C-CS-SC-SN-N等骨架对拉曼光谱非常敏感，常用来研究高分子的化学组分和结构。
b.组分定量分析拉曼散射强度与高分子的浓度成线性关系，给高分子组分含量分析带来方便。
c.晶相与无定形相的表征以及聚合物结晶过程和结晶度的监测测。
d.动力学过程研究伴随高分子反应的动力学过程如聚合、裂解、水解和结晶等。相应的拉曼光谱某些特征谱带会有强度的改变。
e.高分子取向研究:高分子链的各向异性必然带来对光散射的各向异性，测量分子的拉曼带退偏比可以得到分子构型或构象等方面的重要信息。
f.聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究。
g.复合材料应力松弛和应变过程的监测。
h.聚合反应过程和聚合物固化过程监控。
3.拉曼光谱在材料科学研究中的应用
拉曼光谱在材料科学中是物质结构研究的有力工具，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多工作。包括:
a.薄膜结构材料拉曼研究拉曼光谱已成CVD(化学气相沉积法)制备薄膜的检测和鉴定手段。拉曼可以研究单、多、微和非晶硅结构以及硼化非晶硅、氢化非晶硅、金刚石、类金刚石等层状薄膜的结构。
b.超晶格材料研究可通过测量超晶格中的应变层的拉曼频移计算出应变层的应力，根据拉曼峰的对称性，知道晶格的完整性。
c.半导体材料研究拉曼光谱可测出经离子注入后的半导体损伤分布，可测出半磁半导体的组分，外延层的质量，外延层混品的组分载流子浓度。
d.耐高温材料的相结构拉曼研究。
e.全碳分子的拉曼研究。
f.纳米材料的量子尺寸效应研究。
4.拉曼光谱在生物学研究中的应用
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。
生物大分子的拉曼光谱可以同时得到许多宝贵的信息:
a.蛋白质二级结构:a-螺旋、B-折叠、无规卷曲及B-回转。
b.蛋白质主链构像酰胺I、Ⅲ，C-C、C-N伸缩振动。
c.蛋白质侧链构像苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的侧链和后二者的构像及存在形式随其微环境的变化。
d.对构像变化敏感的羧基、巯基、S-S、C-S构像变化。
e.生物膜的脂肪酸碳氢链旋转异构现象。
f.DNA分子结构以及和DNA与其他分子间的作用。
g.研究脂类和生物膜的相互作用、结构、组分等。
h.对生物膜中蛋白质与脂质相互作用提供重要信息。
5.拉曼光谱在生物医学中的应用
a.利用拉曼光谱进行体内和体外的的医学诊断。
b.研究人体有意摄入的(药物、探测物)和无意感染(病毒、污染物)物质与人体的相互作用。
c.药物成分和结构鉴定。
6.拉曼光谱在中草药研究中的应用
a.中草药化学成分分析
b.中草药的无损鉴别
c.中草药的稳定性研究
d.中药的优化
7.拉曼光谱在宝石研究中的应用
拉曼光谱技术已被成功地应用于宝石学研究和宝石鉴定领域。拉曼光谱技术可以准确地鉴定宝石内部的包裹体，提供宝石的成因及产地信息，并且可以有效、快速、无损和准确地鉴定宝石的类别--天然宝石、人工合成宝石和优化处理宝石。
八.常见测试问题
Q:拉曼测试范围有多大?
A:一般是几微米。
Q：拉曼可测到最小波数可达多少?测试深度有多深?
A:可测到最小波数可达10 cm-1;拉曼一般的采样深度是1.5-2 um，薄膜样品如果膜层厚度小于这个，会出现基底峰。
Q:拉曼数据横纵坐标的含义及单位分别是什么?
A:横坐标表示拉曼频移(cm-1)，纵坐标表示拉曼光强。