顯微拉曼光譜儀具有不需要大量樣品制備工作等優(yōu)勢,其應用領(lǐng)域甚至已經(jīng)超過(guò)了紅外,并正在開(kāi)拓新的應用方向,比如制藥、生命科學(xué)、爆炸物安測、毒品、文物研究等各個(gè)方面。
1、顯微拉曼光譜儀在化學(xué)研究中的應用:
拉曼光譜在有機化學(xué)方面主要是用作結構鑒定和分子相互作用的手段,它與紅外光譜互為補充,可以鑒別特殊的結構特征或特征基團。拉曼位移的大小、強度及拉曼峰形狀是鑒定化學(xué)鍵、官能團的重要依據。利用偏振特性,拉曼光譜還可以作為分子異構體判斷的依據。在無(wú)機化合物中金屬離子和配位體間的共價(jià)鍵常具有拉曼活性,由此拉曼光譜可提供有關(guān)配位化合物的組成、結構和穩定性等信息。另外,許多無(wú)機化合物具有多種晶型結構,它們具有不同的拉曼活性,因此用拉曼光譜能測定和鑒別紅外光譜無(wú)法完成的無(wú)機化合物的晶型結構。 在催化化學(xué)中,拉曼光譜能夠提供催化劑本身以及表面上物種的結構信息,還可以對催化劑制備過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)研究。同時(shí),激光拉曼光譜是研究電/溶液界面的結構和性能的重要方法,能夠在分子水平上深入研究電化學(xué)界面結構、吸附和反應等基礎問(wèn)題并應用于電催化、腐蝕和電鍍等領(lǐng)域。
2、顯微拉曼光譜儀在高分子材料中的應用:
拉曼光譜可提供聚合物材料結構方面的許多重要信息。如分子結構與組成、立體規整性、結晶與去向、分子相互作用,以及表面和界面的結構等。從拉曼峰的寬度可以表征高分子材料的立體化學(xué)純度。如無(wú)規立場(chǎng)試樣或頭-頭,頭-尾結構混雜的樣品,拉曼峰是弱而寬,而高度有序樣品具有強而尖銳的拉曼峰。 研究?jì)热莅ǎ?/p>
(1)化學(xué)結構和立構性判斷:高分子中的C=C、C-C、S-S、C-S、N-N等骨架對拉曼光譜非常敏感,常用來(lái)研究高分子的化學(xué)組份和結構。
(2)組分定量分析:拉曼散射強度與高分子的濃度成線(xiàn)性關(guān)系,給高分子組分含量分析帶來(lái)方便。
(3)晶相與無(wú)定形相的表征以及聚合物結晶過(guò)程和結晶度的監測。
(4)動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究:伴隨高分子反應的動(dòng)力學(xué)過(guò)程如聚合、裂解、水解和結晶等。相應的拉曼光譜某些特征譜帶會(huì )有強度的改變。
(5)高分子取向研究:高分子鏈的各向異性必然帶來(lái)對光散射的各向異性,測量分子的拉曼帶退偏比可以得到分子構型或構象等方面的重要信息。
(6)聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究。
(7)復合材料應力松弛和應變過(guò)程的監測。
(8)聚合反應過(guò)程和聚合物固化過(guò)程監控。
3、拉曼光譜技術(shù)在材料科學(xué)研究中的應用:
具體顯微拉曼光譜儀應用案例詳見(jiàn):多層石墨烯的拉曼表征
拉曼光譜在材料科學(xué)中是物質(zhì)結構研究的有力工具,在相組成界面、晶界等課題中可以做很多工作。 包括:
(1)薄膜結構材料拉曼研究:拉曼光譜已成CVD(化學(xué)氣相沉積法)制備薄膜的檢測和鑒定手段。拉曼可以研究單、多、微和非晶硅結構以及硼化非晶硅、氫化非晶硅、金剛石、類(lèi)金剛石等層狀薄膜的結構。
(2)超晶格材料研究:可通過(guò)測量超晶格中的應變層的拉曼頻移計算出應變層的應力,根據拉曼峰的對稱(chēng)性,知道晶格的完整性。
(3)半導體材料研究:拉曼光譜可測出經(jīng)離子注入后的半導體損傷分布,可測出半磁半導體的組分,外延層的質(zhì)量,外延層混品的組分載流子濃度。
(4)耐高溫材料的相結構拉曼研究。
(5)全碳分子的拉曼研究。
(6)納米材料的量子尺寸效應研究。
4、拉曼光譜在生物學(xué)研究中的應用:
具體顯微拉曼光譜儀應用案例詳見(jiàn):變異山羊絨纖維二級結構的拉曼光譜分析
拉曼光譜是研究生物大分子的有力手段,由于水的拉曼光譜很弱、譜圖又很簡(jiǎn)單,故拉曼光譜可以在接近自然狀態(tài)、活性狀態(tài)下來(lái)研究生物大分子的結構及其變化。 生物大分子的拉曼光譜可以同時(shí)得到許多寶貴的信息:
(1)蛋白質(zhì)二級結構:α-螺旋、β-折疊、無(wú)規卷曲及β-回轉
(2)蛋白質(zhì)主鏈構像:酰胺Ⅰ、Ⅲ,C-C、C-N伸縮振動(dòng)
(3)蛋白質(zhì)側鏈構像:苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的側鏈和后二者的構像及存在形式隨其微環(huán)境的變化
(4)對構像變化敏感的羧基、巰基、S-S、C-S構像變化
(5)生物膜的脂肪酸碳氫鏈旋轉異構現象。
(6)DNA分子結構以及和DNA與其他分子間的作用。
(7)研究脂類(lèi)和生物膜的相互作用、結構、組分等。
(8)對生物膜中蛋白質(zhì)與脂質(zhì)相互作用提供重要信息。
5、顯微拉曼光譜儀在中草藥研究中的應用:
各種中草藥因所含化學(xué)成分的不同而反映出拉曼光譜的差異,拉曼光譜在中草藥研究中的應用包括:
(1)中草藥化學(xué)成分分析 薄層色譜(TLC)能對中草藥進(jìn)行有效分離但無(wú)法獲得各組份化合物的結構信息,而表面增強拉曼光譜(SERS)具有峰形窄、靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點(diǎn),可對中草藥化學(xué)成分進(jìn)行高靈敏度的檢測。利用TLC的分離技術(shù)和SERS的指紋性鑒定結合,是一種在TLC原位分析中草藥成分的新方法。
(2)中草藥的無(wú)損鑒別 由于拉曼光譜分析,無(wú)需破壞樣品,因此能對中草藥樣品進(jìn)行無(wú)損鑒別,這對名貴中中草藥的研究特別重要。
(3)中草藥的穩定性研究 利用拉曼光譜動(dòng)態(tài)跟蹤中草藥的變質(zhì)過(guò)程,這對中草藥的穩定性預測、監控藥材的質(zhì)量具有直接的指導作用。
(4)中藥的優(yōu)化 對于中草藥及中成藥和復方這一復雜的混合物體系,不需任何成分分離提取直接與細菌和細胞作用,利用拉曼光譜無(wú)損采集細菌和細胞的光譜圖,觀(guān)察細菌和細胞的損傷程度,研究其藥理作用,并進(jìn)行中藥材、中成藥和方劑的優(yōu)化研究。
6、拉曼光譜技術(shù)在寶石研究中的應用
具體應用案例詳見(jiàn):拉曼光譜儀鑒定真假紅珊瑚
拉曼光譜技術(shù)已被成功地應用于寶石學(xué)研究和寶石鑒定領(lǐng)域。拉曼光譜技術(shù)可以準確地鑒定寶石內部的包裹體,提供寶石的成因及產(chǎn)地信息,并且可以有效、快速、無(wú)損和準確地鑒定寶石的類(lèi)別--天然寶石、人工合成寶石和優(yōu)化處理寶石。
(1)拉曼光譜在寶石包裹體研究中的應用 拉曼光譜可以用于寶石包裹體化學(xué)成分的定性、定量檢測,利用拉曼光譜技術(shù)研究礦物內的包裹體特征,可以獲得有關(guān)寶石礦物的成因及產(chǎn)地的信息。
(2)拉曼光譜在寶石鑒定中的應用 拉曼光譜測試的微區可達1-2um,在寶石鑒定中具有明顯的優(yōu)勢,能夠探測寶石微小的雜質(zhì)、顯微內含物和人工摻雜物,且能滿(mǎn)足寶石鑒定的無(wú)損、快速的要求。 另外,拉曼顯微鏡的共聚焦設計(confoal)可以實(shí)現在不破壞樣品的情況下對樣品進(jìn)行不同深度的探測而同時(shí)完全排除其他深度樣品的干擾信息,從而獲得不同深度樣品的真實(shí)信息,這在分析多層材料時(shí)相當有用。共焦顯微拉曼光譜技術(shù)有很好的空間分辨率,從而可以獲得界面過(guò)程中物種分子變化情況、相應的物種分布、物種分子在界面不同區域的吸附取向等。
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