喇曼光谱仪及其在疾病诊断中的应用

　　1引言

　　喇曼光谱仪在化学、物理学、生物学、医学等诸多领域已得到广泛应用。用喇曼光谱不仅可以鉴别一些物质的种类，还可以测定分子的振动转动频率及定量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况，并以此推断分子的对称性、几何形状、分子中原子的排列、计算热力学函数、研究振动喇曼光谱，从而获得有关分子常数的数据。非极性分子没有吸收或发射的转动和振动光谱，故振动转动能量和对称性等许多信息反映在散射谱中;虽然极性分子通过红外光谱可以获得很多参数，但为了得到更完备的资料，则需要同时观测红外光谱和喇曼光谱。由于红外光谱和喇曼光谱具有不同的选择定则，因而可提供互补数据。目前这两种光谱相互配合已成为有效的分析研究工具。近年来，喇曼光谱仪在疾病诊断方面得到相当广泛的应用。

　　2.喇曼光谱的基本原理

　　当光照射到物质上时会在物质表面发生弹性非弹性散射。散射光中除包括与激发光波长相同的弹性成分(瑞利散射)外，还包括比激发光波长长的和短的非弹性成分，后一现象统称为喇曼效应，如图1所示。这种非弹性散射被称为喇曼散射。由于喇曼散射非常弱，所以直至1928年才被印度物理学家喇曼等发现。当时喇曼发现被特定分子所散射的小部分辐射光与散射分子的结构有关，也显示了量子化振动改变与红外光吸收有相同的形式。1930年，喇曼因此获得诺贝尔物理奖，但直到激光的出现，喇曼光谱才真正得到应用。

　　喇曼光谱的实质是分子振动光谱，是研究分子和光相互作用的散射光的频率，即研究分子的散射光谱。如果分子振动能级跃迁引起了偶极矩变化，则该分子有红外活性，而分子振动能级跃迁引起极化率变化，则该分子有喇受活性。因此，许多对称振动可能没有红外活性，但有喇曼活性。

　　在室温条件下，样品分子处于振动能级的基态，如图2所示。当入射光照射样品时，入射光子与样品分子相互作用，使分子上升到高激发态。在室温下，处于高激发态的分子是不稳定的，它会返回基态，同时散射出一个光子。散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为喇曼线。在喇曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。样品分子吸收光子达到高激发态，它从高激发态回到基态的过程中由于分子振动对能量的消耗，所以产生了放出能量与吸收能量的差，即喇曼位移，它与分子振动能级直接相关。