拉曼光譜儀基本原理和典型應用

拉曼光譜儀是一種用于記錄和分析拉曼散射光譜的儀器。它由激勵光源、樣品艙、濾波器、色散系統(tǒng)、探測器和信號處理模塊等多個組件組成。根據(jù)原理的不同，主要分為光柵分光式拉曼光譜儀和傅里葉變換拉曼光譜儀。隨著科學技術(shù)的不斷進步，拉曼光譜儀的性能和功能不斷提升。便攜式拉曼光譜儀具有小型化、便攜性和實時分析的特點，適用于野外和實地應用。片上拉曼光譜儀利用微納加工技術(shù)，將光學元件集成在芯片上，實現(xiàn)了更小型化和高度集成的設(shè)備。拉曼光譜儀在化學成分分析，環(huán)境監(jiān)測，食品檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應用。

01 拉曼光譜儀

1.1瑞利散射

光的散射通常是指人射光與物質(zhì)中的微粒（如分子、粒子或晶格）相互作用后，部分光能被吸收、發(fā)射或轉(zhuǎn)換，并沿不同的方向傳播的過程。其核心是一定頻率的人射光與物質(zhì)相互作用后，分子或原子吸收人射光的能量，進人激發(fā)態(tài)并發(fā)生輻射躍遷，將激發(fā)態(tài)能量以光子的形式釋放出來。彈性散射則是指光與介質(zhì)中的微粒或分子發(fā)生碰撞后，不發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，散射光與人射光頻率相同，即瑞利散射（RayleighScattering）。非彈性散射則是指光與介質(zhì)中的微?；蚍肿影l(fā)生碰撞后，發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，導致散射光的頻率相對于人射光的頻率發(fā)生變化，拉曼散射是非彈性散射中的一種，如圖1所示。在斯托克斯散射過程中，樣品吸收了激發(fā)光的能量，散射光的頻率低于人射光；反斯托克斯散射與之相反，散射光頻率高于人射光頻率。

圖1（a）光與物質(zhì)相互作用示意圖（b）拉曼散射和瑞利散射能級躍遷圖

02 拉曼光譜儀

2.1拉曼光譜分析系統(tǒng)

拉曼光譜分析系統(tǒng)主要由激勵光源、樣品艙、濾波器、色散系統(tǒng)、探測器和信號處理模塊等多個組件組成。激勵光源通常采用單色性好的激光器，用戶可根據(jù)樣品特點選擇激發(fā)波長和功率；濾波器和色散系統(tǒng)是拉曼光譜分析系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，濾波器主要用于濾除激發(fā)光源和瑞利散射光，色散系統(tǒng)的分光能力很大程度決定了儀器的分辨能力；信號處理模塊主要用于數(shù)據(jù)采集、處理和顯示等。根據(jù)色散原理的不同，拉曼光譜儀主要分為光柵分光式拉曼光譜儀和傅里葉變換拉曼光譜儀。

便攜式拉曼光譜儀具有小型化、便攜性和實時分析的特點，適用于野外和實地應用。片上拉曼光譜儀利用微納加工技術(shù)，將光學元件集成在芯片上，實現(xiàn)了更小型化和高度集成的設(shè)備。

圖2 拉曼光譜儀標志性發(fā)展歷程

2.2光柵分光式拉曼光譜儀

光柵分光式拉曼光譜儀利用激光激發(fā)樣品產(chǎn)生拉曼散射，拉曼散射光通過光柵進行分光，光柵將不同波長的光在空間分離開來，分離后的拉曼光譜被傳送到光電探測器進行檢測和記錄。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理和分析，最終得到樣品的拉曼光譜信息，從而實現(xiàn)對樣品的分析和表征。

圖4 光柵分光式拉曼光譜儀：（a）線激發(fā)共聚焦顯微拉曼光譜儀（b）基于超快激光的可調(diào)諧拉曼系統(tǒng)（c）雙波長激光移頻激發(fā)拉曼光譜測試系統(tǒng)

2.3傅里葉變換拉曼光譜儀

傅里葉變換拉曼光譜儀利用干涉原理和傅里葉變換技術(shù)，極大限度地抑制噪音信號，大幅度提高了儀器的信噪比和靈敏度。與傳統(tǒng)的色散型光譜儀相比，它具有高信噪比、高分辨率等優(yōu)點。

圖5 傅里葉變換拉曼光譜儀：（a）改進的空間外差拉曼光譜儀（SHRS）（b）視場擴大空間外差拉曼光譜儀（e）空間外圖5差顯微差分拉曼光譜（SHMDRS）（d）雙折射楔形傅立葉變換拉曼光譜儀

03 拉曼光譜儀典型應用場景

拉曼光譜儀在化學成分分析、環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測等領(lǐng)域廣泛應用。

3.1化學成分分析

拉曼光譜儀通過捕捉樣品的散射光譜，可迅速獲得關(guān)于分子振動和分子結(jié)構(gòu)的詳細信息，這種高分辨率、高靈敏度、高選擇性、快速實時分析能力使得拉曼光譜儀在藥物研發(fā)、生物醫(yī)學和化學反應動力學等領(lǐng)域中成為識別化學成分的不可或缺的工具。

圖7 片上光譜儀：（a）具有硅光子諧振器的超高分辨率片上光譜儀；（b）微環(huán)諧振器輔助傅立葉變換（RAFT）光譜儀，（c）片上硅MEMS計算光譜儀；（d）片上微環(huán)諧振器陣列光譜檢測系統(tǒng)（MRRAS）

3.2環(huán)境檢測

利用拉曼光譜儀（圖9a）對勘探區(qū)的鉆孔樣帶地下約70米深度的氧氣和二氧化碳濃度進行監(jiān)測。通過便攜式拉曼光譜結(jié)合氣溶膠微濃縮技術(shù)對空氣中痕量可吸入結(jié)晶二氧化硅濃度進行測量（圖9b），實現(xiàn)了8~55ng范圍內(nèi)的檢測極限，比標準化X射線衍射和紅外光譜方法低兩到三個數(shù)量級。

圖9 （a）拉曼光譜儀對勘探區(qū)地下氣體檢測；（b）便攜式拉曼光譜儀測量空氣中痕量可吸入結(jié)品二氧化硅濃度；（c）拉曼光譜儀檢測污水中的微塑料；（d）拉曼光譜儀對成都地區(qū)的大氣細顆粒物成分分析

3.3食品安全

在食品安全領(lǐng)域，美國食品藥品監(jiān)督管理局歐洲食品安全局、加拿大食品檢驗局等多個國家和地區(qū)的監(jiān)管機構(gòu)推薦使用拉曼光譜技術(shù)對食品進行成分分析、摻假檢測、有害物質(zhì)檢測等。拉曼光譜儀在藥品檢測中也起到了極大的作用，美國食品藥品監(jiān)督管理局通過其藥品質(zhì)量監(jiān)管計劃（cGMP）認可拉曼光譜作為藥品成分分析和質(zhì)量控制的手段。

圖10 拉曼光譜儀在食品安全監(jiān)測不同場景中的應用：（a）鑒定小麥和高梁籽粒中的真菌感染（b）對玉米粒無創(chuàng)分析（c）對食品加工中產(chǎn)生的果糖桿菌、發(fā)酵乳桿菌等菌類進行了分析鑒定（d）結(jié)核病生物標志物定量檢測（e）臨床診斷登革熱（D）檢測膠質(zhì)瘤細胞外囊泡

04 總結(jié)與展望

拉曼光譜儀作為一種非侵入性、樣品制備簡單、高靈敏度的光譜分析工具，在化學、生物學、材料科學等領(lǐng)域展現(xiàn)出了強大的分析能力。通過激發(fā)樣品并測量其散射光譜，拉曼光譜儀實現(xiàn)了對分子振動和結(jié)構(gòu)信息的非侵入性探測，為研究分子結(jié)構(gòu)、振動和轉(zhuǎn)動信息提供了重要手段。在實時分析和微量物質(zhì)檢測方面，拉曼光譜儀具有顯著優(yōu)勢，為科學研究和工業(yè)應用提供了重要支持。