强大的拉曼光谱学

拉曼光谱在 1928 年被发现,现已成为一个强大的分析工具,可以揭示从活细胞到半导体电子材料的任何物质的化学成分和结构。 

2021 年 8 月 10 日,作者:相干公司

光谱学是一种非常有用的技术,通过将光照射在物质上或通过测量物质发出的光,光谱学可帮助我们确定该物质的组成。 而且,我们可以不实际接触样品,也不会对样品造成任何损坏。 因此,在各种各样的科研、生命科学和工业应用中,它是非常实用的测量方法。它甚至能让我们了解到遥远星球的化学成分。

启发性的想法

基本上,大多数光谱学都需要用光照射物质,然后测量返回的光的颜色和光的数量。请记住,光的每种颜色(或波长)包含不同的能量。物质会强烈吸收与其原子、分子或晶格的振动能量相对应的特定颜色的光。因此,查看哪些颜色被吸收可以让我们了解样品中的原子和分子,有时还可以了解它们的排列方式。这种信息通常被称为光谱指纹或化学指纹,因为每种化学物质的这一信息都是唯一的,就像每个人的指纹是唯一的。

在我们周围的世界中,分子的大多数有用指纹都可以在光谱的红外光 (IR) 部分找到。因此,红外光 (IR) 分析非常受化学家欢迎,许多实验室也都采用了这一技术。

虽然它的范围很广,但玻璃和水不能很好地传输红外光。因此您不能轻松地使用这种方法来观察浸入水中的任何物质(例如一个完全充满水的活细胞),也无法观察在水中发生的各种化学或工业过程(例如发酵)。而且,由于您无法使用这种方法穿透玻璃,因此无法分析试管中的样品,您也无法穿透窗口(例如在加工半导体时可能使用的反应室的观察窗)。  

我现在可以清楚地看到

1928 年,一位名叫 Chandrasekhara Raman 的科学家进行了用高净度的可见光照射透明样品的实验。 当然,大部分光直接穿过,透明就是这样。光没有被吸收。 

但他也发现,极少量的光转变为了不同的颜色。事实证明,这是因为这些光被样品中的分子“非弹性散射”,而不是被吸收。最后发现的特别有用的一点是,发生颜色变化的光的特定光谱模式揭示了有关样品的大量信息,其中包括了红外光谱学所能获得的指纹信息。但是,拉曼光谱学使用的是可见光而不是红外光,因此我们可以让光穿过玻璃窗、试管甚至光纤,也可以对与水混合的任何物质进行采样。

就像红外光光谱一样,拉曼位移光能告诉我们样品中含有哪些化学物质以及这些物质的含量。如果您想确定物质中的杂质或者确定是否存在特定分子,这会很有帮助。 

进一步的,拉曼光谱学还能告诉我们很多只有这一技术才能获得的信息。它可以揭示晶体结构的细节,甚至可以区分原子相同、但晶型不同(多晶型)的分子。它可以告诉我们蛋白质是如何折叠的,或者提供固体材料中机械应力的信息等等。   

由弱变强

既然拉曼光谱早在 1928 年就被发现并且非常有用,那为什么您现在才听说它?简单来说,使拉曼光谱学实用且经济高效的技术在过去 25 年左右才真正发展起来。具体来说,在那个时期出现了三项关键技术进步,这些技术进步相结合,使检测和分析极其微弱的拉曼信号变得非常轻松:

 

激光器 拉曼效应很微弱,需要大量单一波长(颜色)的光才能完全观察到。 而这正是激光器所提供的。
体全息光栅 (VHG) 陷波滤波器 要检测微弱的拉曼信号,需要将它与其周围更亮且颜色近乎相同的散射激光分开。 这需要专业滤波器,可以在有效阻挡激光的同时仅允许拉曼位移光通过。   
CCD/CMOS 检测器 过滤后的拉曼光被分散(分成不同的波长),然后通过极为灵敏的 CCD 或 CMOS 检测器(类似于数码相机中使用的传感器类型)进行测量。 这使每种颜色的光能同时被测量。

应用广泛

基于这些技术的商用拉曼仪器现在有多种形式,可服务于种类繁多的应用。内置有拉曼功能的显微镜可以细致观察宝石、活细胞和药物等物质。手持拉曼光谱仪可用于识别有害物质泄漏中的未知液体。拉曼系统可与流通池一起使用,以在线实时监测工业过程中的各种液体和气体。  

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图 1. 低频拉曼光谱不仅能清楚区分不同的活性药物成分 (API),还可以显示其不同的晶型(多晶型),这对于正确给药至关重要。

相干公司支持拉曼光谱学,提供各种激光源、高性能 SureBlock™ 滤波器甚至整套拉曼系统

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