科學(xué)家是如何通過激光來識別不同的分子和材料的？

你有沒有想過，科學(xué)家是如何通過激光來識別不同的分子和材料的？答案在于一種叫做拉曼散射的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象揭示了物質(zhì)獨特的振動指紋。

拉曼散射是以印度物理學(xué)家C.V.拉曼的名字命名的，他于1928年發(fā)現(xiàn)了拉曼散射，并因此獲得了諾貝爾獎。他在研究水中的光散射時，發(fā)現(xiàn)散射光中除了原來的入射光頻率外，還有一些新的頻率，這些頻率與入射光無關(guān)，而與水分子的振動有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)引起了國際物理界的廣泛關(guān)注，因為它證明了光與物質(zhì)之間存在著一種非彈性碰撞過程，即光子在與分子碰撞時會損失或增加一定量的能量，并導(dǎo)致頻率變化。

總而言之，當(dāng)光與物質(zhì)相互作用并改變能量和方向時，就會發(fā)生這種現(xiàn)象。大多數(shù)散射光與入射光具有相同的能量，但有一小部分散射光的能量略低或略高。這是因為一些光的能量被轉(zhuǎn)移到材料中原子或分子的振動，或者振動轉(zhuǎn)移到光的能量。這種變化反映了分子內(nèi)部的振動模式和能級結(jié)構(gòu)，從而提供了一種探測物質(zhì)本質(zhì)的新方法。

通過測量入射光和散射光之間的能量差，科學(xué)家可以了解材料的振動模式。每種材料都有其特有的振動，這取決于其結(jié)構(gòu)和成分。這些振動可以用來識別未知物質(zhì)，研究它們的性質(zhì)和監(jiān)測它們的變化。

拉曼散射通常是用激光作為光源，用光譜儀作為散射光探測器來完成的。激光束聚焦在樣品上，然后由透鏡收集，將其引導(dǎo)到光譜儀。分光儀根據(jù)散射光的能量將其分離成不同波長的光。所得到的光譜顯示了特定波長的峰值，對應(yīng)于樣品的不同振動模式。

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拉曼散射的一個挑戰(zhàn)是，與其他類型的散射相比（如瑞利散射），拉曼散射非常弱。因此，通常需要靈敏的探測器和強大的激光器來獲得清晰的信號。有時候也會使用一些方法來增強拉曼效應(yīng)，例如使用特殊的材料或結(jié)構(gòu)來放大光與物質(zhì)之間的相互作用，這就是所謂的表面增強拉曼散射（SERS）或共振拉曼散射（RRS）。這些方法可以提高信噪比和靈敏度，使得對微量或低濃度樣品的檢測更加容易。

拉曼散射是一種強大的技術(shù)，可以應(yīng)用于科學(xué)和工程的各個領(lǐng)域。在生物學(xué)領(lǐng)域，拉曼成像技術(shù)可以提供細胞、組織和器官的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和空間信息，用于疾病診斷、生物標記、藥物輸送等。在材料領(lǐng)域，拉曼光譜可以提供聚合物、納米材料、半導(dǎo)體等材料的結(jié)構(gòu)信息，用于材料表征、性能評估、功能設(shè)計等。在醫(yī)藥領(lǐng)域，拉曼光譜分析法可以無損地檢測藥品的成分、純度、晶型等，用于藥品鑒定、質(zhì)量控制、新藥開發(fā)等。甚至在文化遺產(chǎn)方面，拉曼光譜可以對古代文物進行無損或微損的化學(xué)分析，用于鑒定顏料、墨水、玻璃等材料的來源、成分和歷史變化。



拉曼散射是一種神奇的現(xiàn)象，它使我們能夠在最基本的層面上探索物質(zhì)：它的振動。利用光作為探測器，我們可以發(fā)現(xiàn)我們的世界和世界以外隱藏的秘密。





審核編輯：劉清