当激光轻触一幅斑驳古画,光斑在表面闪烁,千年敦煌壁画的矿物成分在光谱仪中“开口诉说”。同一时刻,实验室中另一束激光穿透活体细胞,追踪药物分子在癌细胞中的扩散路径。而在新能源车间,工程师通过实时监测锂电池电极表面信号变化,精准调控着材料的界面反应。这些看似迥异的应用场景背后都有一位无形的“分子侦探”——拉曼光谱技术。 拉曼光谱技术以光为媒介,通过捕捉分子振动引发的光频率偏移(即拉曼位移),将化学键的细微振动转化为独特的分子指纹。配合显微共聚焦系统,它不仅能聚焦至微米级区域消除背景干扰,更实现了无损、原位检测的突破,非破坏性地同步获取目标区域的化学成分、结构变化与空间分布。从破译文物的分子“身世密码”,到追踪药物在细胞内的“旅行轨迹”;从解析催化剂活性位点的动态演变,到实时监测电池材料的相变过程;再到工业质检中药物晶型鉴定、识别食品添加剂的“伪装”,拉曼光谱技术通过跨尺度化学信息解析,为多领域研究提供了高效有力的分析工具。 【应用案例一:深紫外共振增强拉曼技术:生物分子无标记超灵敏检测】深紫外表面增强共振拉曼散射(DUV-SERRS)技术通过结合266 nm深紫外激光激发与等离激元纳米结构基底的共振增强效应,突破了传统SERS技术在生物分子检测中因指纹峰重叠、信号弱等带来的局限。本研究采用266 nm激光驱动的DUV-SERRS系统,结合外延铝纳米孔阵列基底优化局域表面等离激元共振(LSPR),通过激光波长(4.66 eV)与核酸碱基π电子跃迁吸收带的共振匹配,实现寡核苷酸中五类碱基特征峰的106倍信号增强。充分体现了拉曼光谱的无标记、超灵敏(检测限达1 nm单层分子)、低背景干扰等优势。 J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 46, 19282–19286 DOI:10.1021/jacs.1c09762【应用案例二:原位拉曼光谱揭秘磷锂电池性能提升】磷掺杂二氧化钛(TiO2)作为锂离子电池负极材料,因其高安全性和环保性备受关注。研究团队通过原位拉曼光谱技术,实时观测到磷掺杂TiO2在锂化/脱锂过程中的动态结构变化,揭示了其提升电化学性能的关键机制:2%-5%磷掺杂可引发TiO2纳米颗粒的结构重构——微晶尺寸缩小、缺陷密度增加、导电性增强,从而加速锂离子传输并首次在拉曼光谱中观测到LiTiO2新相,实现充放电过程中的可逆双相转变。拉曼光谱凭借其非破坏性和高灵敏度,精准捕捉了材料表面晶相(非锂化相、Li0.5TiO2、LiTiO2)的演变,与XRD互补,为高稳定性负极材料设计提供新路径,推动锂电池性能提升研究。 ACS Omega 2024, 9, 13, 14911–14922 DOI:10.1021/acsomega.3c08122应用案例三:偏振与变温拉曼光谱助力紫磷光电探测器研发】紫磷(VP)作为一种新型二维材料,因其独特的面内方向性特性,成为研发偏振敏感光电探测器的关键材料。研究团队借助偏振拉曼光谱技术,揭示了紫磷的声子振动方向性特征:通过角度分辨拉曼扫描,精准定位材料晶轴方向,并发现其电子迁移率在不同方向差异显著(比值达2.7),为优化器件性能提供关键数据支撑。同时,结合变温拉曼分析,团队观察到紫磷在低温下的振动模式变化,进一步验证其热稳定性,指导器件散热设计。偏振拉曼及变温拉曼为高性能偏振敏感光电探测器研发提供了重要的技术支持。 Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2314838 DOI:10.1002/adfm.202314838【应用案例四:基于FT-Raman的药物晶型无损鉴别】药物晶型差异直接影响药物的溶解度、稳定性和药效,其精准分析是药物研发的关键。傅立叶变换拉曼光谱(FT-Raman)在地氯雷他定(DL)检测中展现显著优势:其采用1064 nm长波激光,有效抑制荧光干扰(常规拉曼因532/633/785 nm短波激发易受荧光影响),并借助傅里叶变换技术将信噪比提升3-5倍,清晰区分DL分子中C-H…N氢键(3327 cm-1)与N(2)-H伸缩振动(3304 cm⁻¹)的微弱峰。此外,样品无需经过研磨、压片等预处理,直接检测避免了晶型破坏,可实现无损、高灵敏的晶型鉴别。这些特性使FT-Raman成为复杂药物晶型分析的理想工具。 Spectroscopy and Spectral Analysis,2024,44(3):751-755 DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0751-05显微共聚焦拉曼光谱实验室配套设备:一、全波长高性能激光拉曼光谱实验系统 生产商:英国Renishaw型号:invia Qontor基本参数:1. 激发波长:266 nm 、325 nm、532 nm、633 nm、785 nm、1064 nm;2. 光谱范围:10~4000 cm-1@532 nm;<1600 nm的PL检测3. 成像扫描范围: X≥ 112 mm, Y ≥ 76 mm4. 偏振:0~360°全自动可调(400-1000 nm)5. 测试温度:room temp. to 1000℃二、傅立叶变换拉曼光谱仪 生产商:德国Bruker型号:MultiRAM基本参数:1. 光谱范围:3600~50 cm-12. 激光器波长:1064 nm (功率1 mW~500 mW连续可调)3. 分辨率:优于0.5 cm-14. 波数精度:优于0.1 cm-15. 检测器:液氮致冷Ge检测器能力支持与选型建议:1. Renishaw invia Qontor显微共聚焦拉曼光谱仪配备了从深紫外到近红外的多激光及双探测器系统,多波长选择可有效避免荧光干扰;配备PL附件,双探测器配置可实现1600 nm 以内的PL光谱检测;配备532 nm激光的超低波数滤光片,能研究低至10 cm-1的拉曼特征,可解析晶体声子振动、碳材料低频振动等关键信息;支持0-360°全自动全角度偏振测量,能够获取材料各向异性信息;并设有手套箱,适用于无水、无氧、无尘的超纯环境样品检测。2. MultiRAM傅里叶变换拉曼光谱仪采用1064 nm近红外激光器,结合近红外激发与干涉仪技术,有效消除荧光背景,谱图采集速度快。适用于强荧光干扰的样品,如药物晶型、高分子材料分析。 天津大学大型仪器平台谱仪中心预约请联系:宋莹 15822010905实验室地点:天津大学北洋园校区58教C区一层(110室)