拉曼光譜是一種非常強(qiáng)大的材料分析工具，可用于探索研究碳質(zhì)和無(wú)機(jī)材料的特征，提供其物相、功能和缺陷的有用信息等。此外，表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)等技術(shù)已將拉曼分析的應(yīng)用擴(kuò)展到生物和分析領(lǐng)域。拉曼光譜儀的魯棒性和多功能性使得拉曼分析成為非常有前景的解決方案，可以對(duì)各種材料進(jìn)行原位分析。

小編找到了一篇關(guān)于拉曼光譜分析應(yīng)用的綜述文章，《A Comprehensive Review on Raman Spectroscopy Applications》。Chemosensors 2021, 9(9), 262，這篇文章概述了拉曼光譜在不同材料(如碳基材料、生物材料等)中的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了拉曼光譜的理論背景和技術(shù)進(jìn)展。

01、拉曼光譜：原理分析

拉曼光譜是一種非破壞性的光譜技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程監(jiān)控和材料分析。拉曼光譜由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者錢德拉塞卡·文卡塔·拉曼和他的同事克里什那在20世紀(jì)20年代末期發(fā)現(xiàn)。幾乎在同一時(shí)間，格里高利·薩穆伊洛維奇·蘭茲伯格和列昂尼德·曼德?tīng)柺┧吩诙砹_斯獨(dú)立進(jìn)行了相關(guān)研究。然而，拉曼光譜在激光光源問(wèn)世后才得到了廣泛應(yīng)用。這一技術(shù)的確立，為更詳細(xì)地了解材料，特別是石墨等碳質(zhì)材料，開辟了道路。

理論原理：量子力學(xué)視角

電磁輻射通過(guò)吸收、透射和/或散射現(xiàn)象與物質(zhì)相互作用。吸收過(guò)程需要入射光子的能量與兩個(gè)電子能級(jí)之間的能量差相匹配。相反，散射過(guò)程不需要這種匹配，因?yàn)檫@種機(jī)制在光子與晶格或分子相互作用時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致電子云的畸變并改變物質(zhì)的極化，涉及虛態(tài)。然而，虛態(tài)是短暫的，它會(huì)衰減，使電子返回系統(tǒng)的真實(shí)電子能級(jí)，而光子離開系統(tǒng)。如果散射光子的能量與入射光子的能量相匹配且相關(guān)電子返回到與初始狀態(tài)相同的能量狀態(tài)，則散射是彈性的(稱為瑞利散射)。否則，它是非彈性的。在非彈性散射過(guò)程中，光子能量的損失或增益等于初始和最終電子能級(jí)之間的能量差。如果出射光子的能量低于入射光子的能量，則散射為斯托克斯散射;反之，則為反斯托克斯散射。入射光子和出射光子之間的能量差稱為“拉曼位移”。

02、拉曼光譜的廣泛應(yīng)用

拉曼光譜技術(shù)作為一種強(qiáng)大的分析工具，在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

碳基材料

無(wú)機(jī)材料

生物和醫(yī)用材料

化學(xué)和環(huán)境科學(xué)

03、光譜儀的使用

《A Comprehensive Review on Raman Spectroscopy Applications》文中，介紹了拉曼光譜分析的操作方法：

樣品準(zhǔn)備：樣品的適當(dāng)準(zhǔn)備是確保拉曼光譜測(cè)量的前提。例如，對(duì)于固體樣品，需要將其研磨成粉末或者制備成薄片;對(duì)于液體樣品，可以直接放置在顯微鏡載玻片上進(jìn)行測(cè)量。

激光光源：拉曼光譜儀通常使用激光作為光源。常用的激光波長(zhǎng)包括532 nm、633 nm、785 nm等。不同的激光波長(zhǎng)適用于不同的樣品類型，以避免熒光干擾和提高信號(hào)強(qiáng)度。

拉曼散射光的收集：樣品受到激光照射后，散射的拉曼光通過(guò)顯微鏡物鏡收集并傳輸?shù)焦庾V儀中。使用顯微鏡可以精確定位測(cè)量點(diǎn)，并且可以進(jìn)行微區(qū)分析。

光譜儀檢測(cè)：拉曼散射光通過(guò)分光器進(jìn)行色散，將不同波長(zhǎng)的光分離開來(lái)。然后，這些光被檢測(cè)器(如CCD探測(cè)器)記錄下來(lái)，生成拉曼光譜。

數(shù)據(jù)處理和分析：獲取的拉曼光譜需要經(jīng)過(guò)處理和分析，以提取出有用的信息。這包括基線校正、峰值擬合和化學(xué)成分的定量分析。通過(guò)比較拉曼光譜的特征峰，可以識(shí)別和表征樣品的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。

關(guān)鍵參數(shù)校準(zhǔn)：

激光波長(zhǎng)和穩(wěn)定性：確保激光的波長(zhǎng)準(zhǔn)確且穩(wěn)定是拉曼光譜測(cè)量的基礎(chǔ)。激光波長(zhǎng)的偏差會(huì)影響拉曼光譜的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

激光功率：測(cè)量和校準(zhǔn)激光的輸出功率，以確保其在安全和有效的范圍內(nèi)。過(guò)高的功率可能會(huì)損壞樣品，而過(guò)低的功率可能導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度不足。

光譜分辨率：光譜分辨率決定了光譜儀分辨相鄰拉曼峰的能力。通常通過(guò)測(cè)量已知標(biāo)準(zhǔn)樣品的特征峰來(lái)校準(zhǔn)和評(píng)估光譜分辨率。

波數(shù)精度：波數(shù)精度是指光譜儀測(cè)量的拉曼位移的準(zhǔn)確性。通常通過(guò)已知標(biāo)準(zhǔn)樣品的特征峰位置進(jìn)行校準(zhǔn)。

探測(cè)器靈敏度：探測(cè)器的靈敏度影響拉曼信號(hào)的檢測(cè)效率。測(cè)試探測(cè)器在不同波長(zhǎng)和光強(qiáng)下的響應(yīng)，以確保其靈敏度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

信噪比(SNR)：信噪比是評(píng)價(jià)光譜儀性能的重要指標(biāo)。高信噪比表示儀器能夠在較低的背景噪聲下檢測(cè)到微弱的拉曼信號(hào)。

基線穩(wěn)定性：基線穩(wěn)定性是指光譜基線的平穩(wěn)性和一致性。基線漂移會(huì)影響拉曼光譜的定量分析精度。

光譜重復(fù)性：通過(guò)多次測(cè)量同一樣品并比較結(jié)果，評(píng)估光譜儀的重復(fù)性。這對(duì)于確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性和可靠性非常重要。

光譜采集速度：測(cè)試光譜儀在不同測(cè)量條件下的光譜采集速度，以確定其是否能夠滿足快速測(cè)量的需求。

04、數(shù)據(jù)分析

拉曼光譜分析中，測(cè)量得到的數(shù)值代表了材料的各種物理和化學(xué)特性。以下是一些關(guān)鍵測(cè)量數(shù)值及其意義：

拉曼位移

代表意義：拉曼位移表示散射光子相對(duì)于入射光子的頻率變化，通常以波數(shù)(cm?1)為單位。每種化學(xué)鍵和分子振動(dòng)模式都有特定的拉曼位移。

應(yīng)用：通過(guò)分析拉曼位移，可以識(shí)別樣品中的化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)。例如，碳基材料(如石墨烯)的G峰和2D峰位置可以用于確定其層數(shù)和質(zhì)量。

拉曼峰強(qiáng)度

代表意義：拉曼峰強(qiáng)度表示散射光的相對(duì)強(qiáng)度，反映了樣品中相應(yīng)振動(dòng)模式的豐度。

應(yīng)用：峰強(qiáng)度可以用于定量分析樣品中的化學(xué)成分。例如，通過(guò)測(cè)量藥物樣品中活性成分的拉曼峰強(qiáng)度，可以確定其濃度。

峰寬

代表意義：峰寬是指拉曼峰在半峰高處的寬度，通常以波數(shù)(cm?1)為單位。峰寬反映了樣品的結(jié)晶度和應(yīng)力狀態(tài)。

應(yīng)用：在材料科學(xué)中，較窄的峰寬通常表示高結(jié)晶度。例如，通過(guò)分析半導(dǎo)體材料的拉曼峰寬，可以評(píng)估其晶體質(zhì)量。

峰位置

代表意義：拉曼峰的位置是指拉曼位移的具體數(shù)值，它反映了特定分子的振動(dòng)模式。

應(yīng)用：峰位置的微小變化可以揭示樣品中的化學(xué)環(huán)境變化和應(yīng)力。例如，在生物醫(yī)學(xué)中，癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的拉曼峰位置可能有所不同，可以用于早期癌癥診斷。

偏振依賴性

代表意義：偏振依賴性測(cè)量拉曼信號(hào)在不同激光偏振方向上的變化，反映了分子的對(duì)稱性和取向。

應(yīng)用：在材料科學(xué)中，通過(guò)測(cè)量拉曼峰的偏振依賴性，可以研究材料的分子取向和晶體結(jié)構(gòu)。例如，分析聚合物薄膜的偏振依賴性拉曼光譜，可以了解其分子鏈取向。

信噪比

代表意義：信噪比表示有用信號(hào)相對(duì)于背景噪聲的比值。高信噪比表示拉曼信號(hào)清晰可辨。

應(yīng)用：在弱信號(hào)測(cè)量中，高信噪比確保了信號(hào)的可靠檢測(cè)。例如，在生物樣品中，較高的信噪比有助于準(zhǔn)確識(shí)別和定量分析生物分子。

實(shí)際測(cè)量實(shí)例

碳納米管：拉曼位移：G峰 (~1580 cm?1) 和 D峰 (~1350 cm?1)

應(yīng)用：用于評(píng)估碳納米管的結(jié)構(gòu)和缺陷。

石墨烯：拉曼位移：G峰 (~1580 cm?1) 和 2D峰 (~2700 cm?1)

應(yīng)用：用于確定石墨烯的層數(shù)和質(zhì)量。

生物組織：拉曼位移：蛋白質(zhì) (~1000-1700 cm?1) 和 DNA (~780, 1090 cm?1)

應(yīng)用：用于分析細(xì)胞和組織的化學(xué)成分，實(shí)現(xiàn)早期疾病診斷。

通過(guò)對(duì)這些測(cè)量數(shù)值的分析，研究人員可以深入了解材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)特性和物理狀態(tài)，從而應(yīng)用于各種科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中。

04、總結(jié)

綜上所述，通過(guò)學(xué)習(xí)，我們不僅可以深入了解拉曼光譜技術(shù)的原理和應(yīng)用，也了解了前沿技術(shù)的發(fā)展方向和實(shí)際應(yīng)用的具體案例，這些可以為我們的研究和應(yīng)用提供寶貴參考。

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審核編輯 黃宇