HOOKE微课堂丨拉曼“光”科普

拉曼效应的发现源于一位年轻的印度科学家对蓝色海水的好奇。1921年夏天，在地中海航行的一艘客轮上，一位名叫C.V.Raman的印度学者在甲板上用随身携带的简便光学仪器对海面进行观测，面对深蓝色的大海，他十分着迷，一心想要知道海水颜色的来源。就像牛顿想弄明白苹果为什么会掉在地上一样，C.V.Raman通过一套自己搭建的光学系统来分析海水颜色，并得出了海水是由于分子对光的散射才呈现蓝色的结论。

1928年2月28日，C.V.Raman用单色光作为光源，做了一个意义重大的实验，他发现每一条入射谱线都有相应的散射线。一般情况，散射线的频率比入射线低，偶尔也观察到比入射线频率高的散射线，但强度更弱。之后，人们把这种新发现的现象称为拉曼效应。C.V.Raman也因此获得了1930年的诺贝尔物理奖。

Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970

神奇的光散射

那究竟什么是拉曼散射效应呢？当一束单色光入射到物质上时，入射光的光子会与物质中的分子发生碰撞，此时出现两种情况：一部分光子与分子碰撞时，能量没有发生改变，散射光的颜色不发生变化，叫做瑞利散射；而另一部分光子与分子碰撞时发生了能量交换，光子吸收分子的能量或者转移一部分能量给分子，这种情况下入射光经过物质后散射光的颜色就发生变化。

拉曼效应原理

而这部分能量变化恰恰可以体现物质的结构特点，拉曼光谱通过显示峰强、峰宽以及位置等信息，提供被测物质的分子结构特征，从而用来鉴定物质的成分组成与含量等。就像每个人有自己独一无二的指纹一样，每种分子也有独一无二的特征曲线，所以才把拉曼光谱称为“分子指纹”。

不同材料的“拉曼指纹”

由于拉曼效应信号十分微弱，自其被C.V.Raman发现以来，经历了很长一段沉默期。直到二十世纪六十年代激光技术的发展，才使拉曼技术重获新生。

现今，拉曼光谱技术在材料分析、化合物鉴定方面的应用已非常成熟。得益于其信息丰富、无损、快速等特点，拉曼技术在宝石鉴定、考古、地质分析、法医、食品安全、药剂学、环境污染物监测、兴奋剂/爆炸物检测等领域都有广泛应用。

拉曼光谱在材料学领域的应用

近年来，随着激光与探测技术的进一步发展，拉曼技术越来越多的被用于生物医学研究中。由于样品用量少，前处理方法简单，拉曼适用于原位或近原位检测，从而得到最真实的样品信息；且生物分子大多处在水溶液环境中，而水的拉曼散射很弱，几乎没有干扰，可以在不损伤细胞的前提下实时动态地监测细胞的变化。因此，拉曼技术为生命科学及医学的各个分支领域研究提供了有力工具。

比如，我们都知道，癌症是人类健康最大的敌人。有文献报道，拉曼技术能够精确鉴别肿瘤与癌旁组织，准确描绘肿瘤边界；且可以在癌症初期实现诊断，大大提高患者的生存几率。

拉曼光谱在生物医学领域的应用

随着研究的持续深入与拉曼设备的不断发展，拉曼光谱在疾病监测、肿瘤边缘标记、干细胞监测、微生物鉴别、细胞生长代谢、药物代谢等领域将极具应用前景。

参考文献：Popp, Jürgen, Krafft C ,Schmitt M, et al. Label-Free Molecular Imaging of Biological Cells and Tissues by Linear and Nonlinear Raman Spectroscopic Approaches[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2016.