拉曼光譜的前世今生：拉曼光譜運(yùn)用現(xiàn)狀以及優(yōu)越性

　　拉曼光譜是一種散射光譜。早在30年代，拉曼光譜就曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。后來(lái)隨著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不斷深入，拉曼光譜的弱點(diǎn)(主要是拉曼效應(yīng)太弱)越來(lái)越突出，特別是 40 年代以后，由于紅外光譜的迅速發(fā)展，拉曼光譜的地位更是一落千丈。直到 1960 年激光問(wèn)世并將這種新型光源引入拉曼光譜后，拉曼光譜出現(xiàn)了嶄新的局面。拉曼光譜由于具有與紅外光譜不同的選擇性定則而常常作為紅外光譜的必要補(bǔ)充而配合使用，可以更完整地研究分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，更好底解決結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題。與紅外光譜方法比較，拉曼光譜分析無(wú)需樣品制備、不受樣品水分的干擾、可以獲得骨架結(jié)構(gòu)方面的信息而日益受到重視，特別適合生物體系的研究。近年來(lái)一系列新型拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步顯示它的應(yīng)用潛力。

　　拉曼散射的發(fā)現(xiàn)

　　拉曼散射是印度科學(xué)家 Raman在 1928年發(fā)現(xiàn)的，拉曼光譜因之得名。光和分子相互作用時(shí)引起每個(gè)分子作受迫振動(dòng)從而產(chǎn)生散射光，散射光的頻率和入射光的頻率相同的這種散射稱為瑞利散射，由英國(guó)科學(xué)家瑞利于 1899 年進(jìn)行了研究。但當(dāng)拉曼在他的實(shí)驗(yàn)室里用一個(gè)大透鏡將太陽(yáng)光聚焦到一瓶苯溶液中時(shí)，他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)濾光的陽(yáng)光呈藍(lán)色，但是當(dāng)光束進(jìn)入溶液之后，除了入射的藍(lán)光之外，拉曼還觀察到了很微弱的綠光。拉曼認(rèn)為這是光與分子相互作用而產(chǎn)生的一種新頻率的光譜帶。拉曼因此獲得1930年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為第一個(gè)獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)、并且沒(méi)有接受過(guò)西方教育的亞洲人。

　　拉曼光譜的發(fā)展

　　自拉曼效應(yīng)在 1928 年被發(fā)現(xiàn)以后，30 年代拉曼光譜曾是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。拉曼光譜為研究晶體或分子的結(jié)構(gòu)提供了重要手段，在光譜學(xué)中形成了拉曼光譜學(xué)的一個(gè)分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振動(dòng)的固有頻率，并可決定分子的對(duì)稱性、分子內(nèi)部的作用力等。那時(shí)的拉曼光譜儀是以汞弧燈為光源，物質(zhì)產(chǎn)生的拉曼散射譜線極其微弱，強(qiáng)度大約為瑞利散射的千分之一，對(duì)樣品進(jìn)行拉曼散射研究時(shí)常有較強(qiáng)的熒光及瑞利散射干擾等等，因此它在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里未真正成為一種有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的工具，應(yīng)用受到限制，尤其是紅外光譜的出現(xiàn)，使得拉曼光譜在分子結(jié)構(gòu)分析中的地位一落千丈。直至 60 年代激光光源的問(wèn)世，以及光電訊號(hào)轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展才有力推動(dòng)了拉曼散射的研究及其應(yīng)用。優(yōu)質(zhì)的單色光、高強(qiáng)度的激光的使用極大地提高了包含雙光子過(guò)程的拉曼光譜分辯率和實(shí)用性。此外強(qiáng)激光引起的非線性效應(yīng)導(dǎo)致了新的拉曼散射現(xiàn)象。為了進(jìn)一步提高拉曼散射的強(qiáng)度，人們先后發(fā)展了傅立葉變換拉曼光譜、時(shí)間分辨拉曼光譜等新技術(shù)，使光譜儀的效率和靈敏度得到更大的提高。目前拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。世界上各大儀器廠家相繼推出了激光拉曼光譜儀，拉曼光譜的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓寬。70年代中期，激光拉曼探針的出現(xiàn)，給微區(qū)分析注入活力。80 年代以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，激光拉曼光譜儀在性能方面日臻完善。

　　拉曼散射的經(jīng)典理論

　　當(dāng)物質(zhì)的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。瑞利散射與拉曼散射光的強(qiáng)度都與入射光頻率的四次方成正比。但是瑞利散射光的頻率沒(méi)有變化，而拉曼散射光的頻率則發(fā)生了變化。造成這些現(xiàn)象的原因，從經(jīng)典的理論來(lái)說(shuō)，可以看作是入射光電磁波使原子或分子電極化以后產(chǎn)生的，因?yàn)樵雍头肿佣际强梢员粯O化的，因而產(chǎn)生瑞利散射;又因?yàn)闃O化率隨著分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng))而變化，所以產(chǎn)生拉曼散射。拉曼線是入射光場(chǎng)與分子振動(dòng)相互作用的結(jié)果。利用拉曼光譜可以去研究分子內(nèi)部振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)特性。拉曼譜線的頻率、強(qiáng)度和偏振度可以研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。經(jīng)典理論成功的解釋了分子振動(dòng)的拉曼散射，但是存在不足之處。推導(dǎo)出大公式表明斯托克斯和反斯托克斯線的強(qiáng)度應(yīng)該相等，但是實(shí)驗(yàn)上證明這個(gè)結(jié)果并不正確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是反斯托克斯線比斯托克斯線弱幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)疑團(tuán)只有用量子理論來(lái)解釋。

　　拉曼散射光譜明顯的特征

　　(1)拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對(duì)同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只和樣品的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān);

　　(2)在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對(duì)稱地分布在瑞利散射線兩側(cè)，這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個(gè)振動(dòng)量子的能量。

　　(3)一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強(qiáng)度大。這是由于 Boltzmann 分布，處于振動(dòng)基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。

　　拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性

　　(1)它適于分子骨架的測(cè)定，且無(wú)需制樣。提供快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、且更重要的是無(wú)損傷的定性定量分析，它無(wú)需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過(guò)光纖探頭或者通過(guò)玻璃、石英、和光纖測(cè)量。

　　(2)不受水的干擾。由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。拉曼光譜工作在可見(jiàn)光區(qū)，用拉曼光譜進(jìn)行光譜分析時(shí)，水是有用的溶劑，而對(duì)紅外光譜水是差的溶劑。此外，拉曼光譜測(cè)量所用的器件和樣品池材料可以由玻璃或石英制成，而紅外光譜測(cè)量需要用鹽材料。

　　(3)拉曼一次可以同時(shí)覆蓋 50～4000 cm -1 的區(qū)間，可對(duì)有機(jī)物及無(wú)機(jī)物進(jìn)行分析。相反，用傳統(tǒng)的紅外光譜儀測(cè)量必須使用兩臺(tái)以上儀器才能覆蓋這一區(qū)域。若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測(cè)器。拉曼儀器中用的傳感器都是標(biāo)準(zhǔn)的紫外、可見(jiàn)光器件，檢測(cè)響應(yīng)得非常快，所以拉曼光譜法可用于研究壽命，并可用于跟蹤快速反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

　　(4)因?yàn)橹C波和合頻帶都不是非常強(qiáng)，所以拉曼光譜一般都比紅外光譜簡(jiǎn)單，重疊帶很少見(jiàn)到。拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。

　　(5)拉曼光譜使用的激光光源性質(zhì)使其相當(dāng)易于探測(cè)微量樣品，如表面、薄膜、粉末、溶液、氣體和許多其他類型的樣品。因?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?.2～2 mm，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對(duì)常規(guī)紅外光譜一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)一步聚焦至 20 μm 甚至更小，可分析更小面積的樣品。

　　(6)共振拉曼效應(yīng)可以用來(lái)有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)10-3 ～10-4倍。偏振測(cè)量也給拉曼光譜所得信息增加了一個(gè)額外的因素，這對(duì)帶的認(rèn)定和結(jié)構(gòu)測(cè)定是一個(gè)幫助。拉曼光譜技術(shù)自身的這些優(yōu)點(diǎn)使之成為現(xiàn)代光譜分析中重要的一員。