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拉曼光谱——缘起一趟海上航行

时间:2022-03-21 来源:上海玮驰仪器有限公司 阅读:309

拉曼光谱——缘起一趟海上航行

 

1921年夏,我到欧洲的航行使我有机会第一次看到地中海的美丽的蓝色乳光,这种现象似乎很像是由于阳光被水分子散射引起的。为了检测这种解释,最好是找到光在液体中漫射所遵循的规律。”

——摘自印度物理学家拉曼在诺贝尔奖领奖仪式上的演讲

拉曼光谱——缘起一趟海上航行

 

看看,看看,别人看海是看到的光散射;而我看海看到的是海里那条美人鱼

 

拉曼散射的发现

1928年,印度科学家拉曼(C.V.Raman,1888-1970)观察到一个现象:当光穿过透明介质,部分被散射的光发生频率改变,这一现象被称之为拉曼散射[1]。C.V.Raman也因为这一发现获得了1930年诺贝尔物理学奖。

拉曼光谱——缘起一趟海上航行

 

基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)发现,光从样品中散射是由于光与样品分子发生弹性碰撞(瑞利散射)或非弹性碰撞(拉曼散射)。瑞利散射光具有与入射激光相同的波长,但拉曼散射光以不同的波长从样品返回,该波长对应于样品中分子键的振动频率,因此对散射光谱进行分析可得到的分子振动、转动的信息,并应用于分子结构分析研究,称为拉曼光谱(RamanSpectra)。拉曼光谱是一种散射光谱,是光与物质分子、原子相互作用的一种形式。

 

从弱到强逆袭的拉曼

虽然拉曼的发现获得诺贝尔奖,在上世纪30、40年代受到广泛重视,也曾是研究分子结构的主要手段,但由于当时拉曼信号太弱,无法满足样品测试的苛刻要求而无法广泛应用。60年代,随着激光光源的发展,特别是大名鼎鼎的表面增强拉曼散射光谱(SERS)技术的出现,拉曼逆袭成为高灵敏度仪器,并得到广泛应用。SERS技术有灵敏度高,水干扰小,检测快速,抗光漂白和谱峰窄的优点[2,3]。

 

拉曼技术应用

由于透射性好,拉曼可以透过包装,测定任何对激光透明的介质,如玻璃,塑料或溶于水的样品。药厂、化工厂用拉曼来做原料或库管样品的检验,那可是便携拉曼的看家本领。这类应用的共性就是检测的成分简单,含量较高,不用HPLC分离,不用制样,透过包装就快速检测。除了应用于物质组成检测或成分鉴定外,拉曼光谱还可以用于测试物质张力和应力,晶体对称性和取向,晶体质量,物质总量,物质官能团的等信息。

拉曼光谱——缘起一趟海上航行

 

拉曼谱图的构成和特征

拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成,每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应一种特定的分子键振动,其中既包括单一的化学键,例如C-C,C=C, N-O,C-H等,也包括由数个化学键组成的基团的振动,例如苯环的呼吸振动,多聚物长链的振动以及晶格振动等,每种分子或样品都有其特定的拉曼光谱“指纹”。

基于样品的“指纹图谱”,建立数据库,在遇到未知样品的时候,进行拉曼谱图比对和分析、匹配,从而获得未知样品的组成或成分等信息。

拉曼光谱——缘起一趟海上航行

 

 

拉曼光谱仪在制药界为何能够普及

  • 首先从光谱的通性来看,样品制备简单或无需制备;
  • 不受样品物质形态的影响;对样品无损伤、快速分析,维护成本低,使用简单;
  • 分辨率高,特异性好(这点同红外类似);
  • 适合水样,能够透过玻璃、塑封袋,直接检测,使用SERS后还可大幅提升灵敏度;

便携(手持拉曼)是近年来发展最快的拉曼品种。不怕水、透过包装、贴近样品快速测试的特性最早用于制药业。各大公司都不断收购拉曼技术,目前已经开始昂首进军到单细胞检测等前沿领域[4]。

 

TruScan™RM手持式拉曼分析仪

AhuraScientific公司于2005年推出功能强大的小型手持式拉曼光谱仪TruScan,后被ThermoFisher Scientific收购,于2011年推出下一代手持式原料鉴定分析仪手持拉曼TruScanTMRM[5],用于快速药品定性和定量检测,原辅料质量控制,原料鉴定和剂型识别、药品的真伪鉴别、API含量定量等等,同时还可以用于过程分析(PAT),如蒸馏在线终点测定、反应监测以及粉末混合操作测试。非专业操作员即可以使用该分析仪,快速准确地物料检测。

拉曼光谱——缘起一趟海上航行

 

TruScanTMRM手持式拉曼分析仪有一个可用的FactoryLibrary,有超过4,300种有机/工业溶剂、有毒化学品、药品、家用化学品等样品。使用FactoryLibrary为未知原料提供了附加信息。

此外,TruScanTMRM手持式拉曼分析仪还可以安装有TruTools,允许使用者自定义创建定性和定量方法,使用者能够在工厂的任何地点进行高级化学计量分析[6]。

TruScanTMRM手持式拉曼分析仪适用性(固体,液体,啫喱液体,糊状物)。

拉曼光谱——缘起一趟海上航行

 

产品特点

  • 体积小,重量轻至900g,防震抗摔耐化学腐蚀;
  • 全身密闭设计,无风扇及开放的接口,易于清洁防止交叉污染,符合GMP清洁要求;
  • 统计学概率p算法,保证鉴别结果的准确和有效;
  • 可选配TruTools软件包,进行高精度定性以及定量分析,全球唯一;
  • 内置4000多种方法库;
  • 符合USP<1120>、EP<2.2.48>、中国药典GMP、FDA 21CFR part 11;账户权限管理,详尽的审计追踪记录;
  • 集成了条形码扫描器,可扫描一维及二维码。

 

参考文献

  1. Raman,C.V&Krishnan,K.S. A new type of secondary radiation. Nature 121,501-502(1928).
  2. Albrecht M G, Creighton J A. Anomalously intense Raman spectra of pyridine at a silver electrode. J Am Chem Soc, 1977, 99: 5215-5217.
  3. Jeanmaire D L, Van Duyne R P. Surface raman spectroelectrochemistry. J Electroanal Chem Interfacial Electrochem, 1977, 84: 1-20.
  4. Lee, K.S., Palatinszky, M., Pereira, F.C. et al. An automated Raman-based platform for the sorting of live cells by functional properties. Nat Microbiol, 2019, 4, 1035-1048.
  5. 赛默飞世尔科技推出下一代手持式原料鉴定分析仪, 2011.03.https://m.antpedia.com/news/index.php/131917.html
  6. 用于制药材料验证的TruScan RM手持式拉曼分析仪常见问题解答.https://www.thermofisher.cn/cn/zh/home/industrial/spectroscopy-elemental-isotope-analysis/portable-analysis-material-id/portable-pharmaceutical-qa-qc-manufacturing-solutions/truscan-rm-handheld-raman-analyzer-pharmaceutical-material-Identification-faqs.html