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随着拉曼光谱仪技术的变革发展,拉曼在多个行业领域应用广泛

发布时间:2019/10/30 点击量:

  拉曼光谱技术以其信息丰富,制样简单,水的干扰小等独特的优点,在化学、材料、物理、高分子、生物、医药、地质等领域有广泛的应用。

随着拉曼光谱仪技术的变革发展,拉曼在多个行业领域应用广泛

  (1)化学与材料科学

  拉曼光谱在化学和材料科学上的应用,主要是分子定性、定量和结构分析以及物质物理化学性质的测定上。已有的应用包括:化合物的结构和某些官能团的确定、聚合物和有机化合物的测试、电化学研究和腐蚀研究、化学反应中催化剂作用的研究、对半导体芯片上微小复杂结构的应力及污染或缺陷的鉴定、金刚石镀膜和复合材料的测试、超导体测试、晶体的振动和结构、碳纳米管的生长和不同条件下特性的变化等等。由于具有结构信息丰富、可实现无损探测等突出优点,拉曼光谱在化学和材料科学上的应用受到越来越广泛的重视和研究。

  (2)医药学

  拉曼光谱在医学和药学上的应用主要有以下几个方面:一是利用拉曼光谱进行体内和体外的医学诊断;二是研究人体内部的和由外部吸收的外部试剂,其中包括有意摄入的(如药物和探测物)和无意感染的(如病毒和污染物)物质与人体的相互作用;三是药物成分和结构鉴定。由于检测上的非侵入性和非破坏性,最近十几年内,拉曼光谱在医药学上的发展十分迅速。拉曼光谱对白内障、硅肺、动脉粥样硬化等疾病的诊断已见报道,在癌症诊断方面的巨大潜力尤其受到众多研究者的重视。拉曼光谱具有很强的分辨相似分子(药物及其代谢物)的能力,对药材和药物有效组分成分、浓度和细微结构的无损分析和鉴定非常有效,特别是最近表面增强拉曼光谱的发展使探测药物及其它有意义的化学物质的药理特性成为可能。

  (3)生物科学

  构成生物最基本的特性是核酸、蛋白质及其酶和生物膜。每种活的组织中都包含多种核酸和蛋白质,研究这些分子的组成、构成和分子间的相互作用,对于揭示生物机体的特殊内能、疾病的产生、药物的治疗等都是很重要的步骤。由于拉曼光谱对模拟生物活动的自然环境--在水溶液中的研究具有独特的优势,只要采用适当的手段(如旋转样品技术)克服荧光干扰,利用拉曼光谱可以得到很多有用的结构信息。一方面生物高分子中的烯键、炔键、硫桥键、碳-碳键在拉曼光谱上的信号很强,且拉曼光谱的偏振和退偏度的测定对分子结构的探测具有指导意义,另一方面,由于本身具有激光光源光束小,样品用量小的特点,因此拉曼光谱被越来越广泛地应用于研究各种生物高分子的结构及它们在水溶液中受外界环境(温度、离子强度、PH 等)的影响。用拉曼光谱研究生物分子,从简单的氨基酸、糖、核苷酸、匀聚多肽、匀聚核苷酸、类胡萝卜素、类叶红素、卵磷脂、脑磷脂等类脂和维生素 B12 到复杂的酶、金属蛋白、胰岛素、激素、核酸、DNA、RNA、tRNA、叶绿素和视紫素、甚至眼球晶状体、视网膜等晶体组织也进行了拉曼光谱的考察,几乎遍及了这个分子生物领域。

  (4)法庭和鉴定科学

  在法庭鉴定领域,拉曼光谱大有用武之地,尤其是激光共焦显微拉曼光谱仪的出现,给法庭的物证鉴定提供了重要的设备。拉曼光谱可以分析固体和液体状的爆炸物及微量的枪击残留物,可以探测和分析违禁药品,甚至混在粉末物质中的微量毒品,麻醉品粉末也可被检测出来。由于解决了油漆涂层组分的难点,在分析交通事故物证方面发挥了重要作用。利用显微拉曼光谱还可以对各种碳素笔的微量笔迹进行拉曼光谱研究。另外,利用红外光谱和拉曼光谱的互补特性,采用双谱对微量物证同时分析并加以对比,还可以增加鉴定的可靠性。

  (5)工业生产监测和控制

  工业生产中,产品质量的控制是一个重要环节,同时生产工程往往强调连续性,拉曼光谱的无损、不接触式的探测和快速的分析方法尤其符合工业生产的实际需要,因此在商品检测,生产流程监控中起到了重要作用。如金刚石镀膜生产中,拉曼光谱可以快速分析金刚石的纯度、均匀性结晶化程度及内部应力,因此主要的金刚石镀膜生产厂或实验室都利用快速拉曼分析资料的反馈迅速调整制造过程,使得金刚石薄膜的质量得到大幅度改善。其它利用拉曼光谱进行工业生产监测和控制的领域还有半导体芯片生长、聚合物生产、类钻石碳的质量检测、计算机硬盘表面镀膜质量的检测等。

  (6)环境保护

  在环境保护方面,拉曼光谱的应用主要是对大气和水中的污染物实现分析和检测。利用拉曼散射的雷达激光系统,使用大功率的脉冲激光照射污染区域上空,用接收望远镜观察拉曼散射,根据探测到的特征峰及其强度可以确定污染大气中的污染物及其浓度。对中污染物的检测,拉曼光谱有其独特的优势,特别是诸多新的拉曼光谱技术以及计算机辅助分析方法迅速发展起来以后,拉曼光谱在水质分析中实现定量和实时检测正逐渐成为可能,并有望从传统分析方法中获得重要的一席之位。

  (7)地质考古

  在地质上,拉曼光谱可以对矿石从成分和结构上进行分析;在宝石鉴定上,宝石伪造者在有缺陷的宝石中填入特别的、折射率相当的树脂或玻璃,使得在正常检测(在显微镜)下无法看出瑕疵,然而拉曼系统能在数秒内根据光谱和影像清楚地显示出瑕疵处及其填充物。在考古上,拉曼光谱可以对古代工艺品进行无损鉴定和分析,也可以对工艺品原始材料的拉曼光谱分析,依其拉曼峰找出吻合的材料来对其进行修复,重现原来的色彩和样貌。拉曼光谱分析法可提供快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析,拉曼谱线的数目、拉曼位移和谱线强度等参量提供了被散射分子及晶体结构的有关信息,揭示原子的空间排列和相互作用。拉曼光谱分析法无需样品准备,样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英和光纤测量。由于水的拉曼散射很微弱,拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。拉曼一次可以同时覆盖 50~4000 波数的区间,可对有机物及无机物进行分析。拉曼光谱谱峰清晰尖锐,适合定量研究、数据库搜索以及运用差异分析进行定性研究。
       在化学结构分析中,独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。紫外拉曼和共焦显微拉曼光谱等新拉曼技术的出现,解决了拉曼光谱荧光干扰大、固有的灵敏度低等问题。拉曼光谱技术与光导纤维技术以及其他光谱、色谱技术的联用使得拉曼光谱技术的应用范围日益扩大。近年来随着计算机软件技术、硅纳米线材料和纳秒、皮秒激光器其他光谱新技术的不断革新,使拉曼光谱的应用范围得到了进一步的拓宽。
      目前,拉曼技术在应用方面有几个热门:是在生物学方面,可实现生物体的无损细胞水平的研究,这对于器官病变的诊断、DNA的遗传变异研究和某些细胞成分及结构的分析是具有十分重要的临床学意义的;是在考古学和古生物学化石研究方面的应用,运用拉曼技术可对不同年代的文物、不同进化过程的化石作出分子学水平的鉴定,为考古学和进化论科学的研究作出有力的辅证;三是在天文学和地壳岩层的研究领域,通过对行星陨石及地壳不同层次岩层的成分分析,可对不同行星上的地况地貌和地壳的演化过程作出推断;最后,在过程分析方面,现代拉曼光谱技术已不仅仅局限于物质的静态研究,可实现动态过程的在线观察,比如高温高压状态下物质的分子间、分子内结构变化及晶型的转变,药物生产过程中的在线监测等。相信随着科学技术的进一步发展,拉曼技术的科研前景将会越来越广阔。

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