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关于拉曼光谱你应该知道的

药事纵横  · 公众号  · 药品  · 2017-09-26 00:04

正文




什么是拉曼光谱?



拉曼光谱是一种无损的分析技术,它是基于光和材料内化学键的相互作用而产生的。拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度以及分子相互作用的详细信息。


拉曼是一种光散射技术。激光光源的高强度入射光被分子散射时,大多数散射光与入射激光具有相同的波长(颜色),不能提供有用的信息,这种散射称为瑞利散射。然而,还有极小一部分(大约1/109)散射光的波长(颜色)与入射光不同,其波长的改变由测试样品(所谓散射物质)的化学结构所决定,这部分散射光称为拉曼散射。


一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成,每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动,其中既包括单一的化学键,例如C-C, C=C, N-O, C-H等,也包括由数个化学键组成的基团的振动,例如苯环的呼吸振动,多聚物长链的振动以及晶格振动等。


拉曼光谱能提供什么信息?

拉曼光谱对于分子键合以及样品的结构非常敏感,因而每种分子或样品都会有其特有的光谱“指纹”。这些“指纹”可以用来进行化学鉴别、形态与相、内压力/应力以及组成成份等方面的研究和分析。


拉曼光谱能够探测材料的化学结构,它提供的信息包括:

  • 化学结构和化学鉴别;

  • 相和形态;

  • 应力;

  • 污染物和杂质;

一般而言,拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹,能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱,通过快速搜索,找到与被分析物质相匹配的光谱数据,即可鉴别被分析物质。

如图所示分别是甲醇(methanol)和乙醇(ethanol)的拉曼光谱, 二者有着显著的区别,可以用于区分这两种液体物质。


当与拉曼成像系统相结合时,可以基于样品的多条拉曼光谱来生成拉曼成像。这些成像可以用于展示不同化学成分、相与形态以及结晶度的分布。

如图所示是一粒药片的拉曼光谱成像,由图中可以看出阿司匹林(红色)、咖啡因(绿色)和扑热息痛(蓝色)成分在药片中的分布情况。


拉曼光谱能够用于分析什么样的样品?

拉曼光谱可以用来分析很多不同类型的样品,通常包括以下种类:

  • 固体、粉末、液体、胶体、软膏、气体;

  • 无机材料、有机材料、生物材料;

  • 纯物质、混和物、溶液;

一般来说,拉曼不适合分析以下样品:

  • 金属及其合金。


目前拉曼光谱应用的典型例子包括:

  • 艺术品和考古——颜料、陶瓷以及宝石的表征与鉴定;

  • 碳材料——碳纳米管的结构与纯度、缺陷/无序度表征;

  • 化学——结构、纯度、反应监控;

  • 地质学——矿物鉴别和分布、包裹体、相变;

  • 生命科学——单个细胞或组织表征,药物、疾病诊断;

  • 药学——药物成分均匀性和组分分布;

  • 半导体——纯度、掺入成分、应力。


Q&A

一、请教哪些样品容易测得拉曼信号?

1. 拉曼光谱的信号非常微弱,大致是瑞利散射的10e-61 ~1 0e-8的级别,普通的设计取得拉曼信号非常困难,所以需要加上较好的陷波滤波片尽量的消减瑞利散射。这样,拉曼信号依然和背景大致相当,甚至更低,还需要考虑光谱仪本身的杂散光阻挡能力,使用何种探测器,样本是否有荧光干扰等等。

2. 最好先确定实验要求:

1)需要自建组合系统

2)使用商业成套设备,可以根据实验要求选择设备等。

3. 用准直透镜收集光本身不会增加光通量,反而会降低光通量。因为准直透镜主要是收集平行光并将其耦合入光纤,其数值孔径反而没有光纤大,当光从四周散射过来时,光纤反而能收集到更大角度上的光。因此不推荐采用准直透镜来收集光。另外如果做拉曼建议还是采用专用的光纤拉曼探头。


二、最近学习拉曼光谱有一点不明白,拉曼光谱采用的是激光,不是单波长光吗,那谱图上怎么会有波长选择范围的呢?

激发光源用单色光-激光,激发出的拉曼信号可能分布在一个很宽的范围内,会同时激发出不同波长的拉曼信号。

1.激发光用的是单色的激光,如常用的488.0nm 514.5nm 785nm 1064nm,正因为激光的单色性好、准直性好、强度强等特点才用它;

2.由于不同的基团与激发光作用后产生不同的拉曼位移,这么频移有个范围,即一般拉曼信号在4000~200cm-1范围内;

3.使用不同的激发光源对于同一个基团而言,产生的拉曼位移位置不会变,只是强度不同而已。激发光源及其功率大小的选择要考虑:是否会损伤(烧掉、降解)样品;能否得到拉曼信号,也就是拉曼信号强弱问题。如RRS就是从选择激发光源来增强拉曼信号的;另外还要避免荧光的干扰,可以用FT-Raman或使用Scissors(SSRS技术)。








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