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拉曼光谱（Raman spectra），又称为拉曼效应（Raman effect），是一种散射光谱，它是对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼效应由印度科学家C. V Raman首次发现，从此，获得并分析拉曼光谱（Raman spectrum）的拉曼光谱术（Raman spectroscopy）也随之逐渐深入发展起来。拉曼光谱术是一种非破坏性检测技术，几乎无需样品的准备，用少量的样品就能获得足够的拉曼信号，适用于物质的各种物理态。早期的拉曼光谱，由于其可获得基于化学键的分子振动信息，广泛应用于物质结构的检测。而随着激光技术、弱信号检测技术、计算机分析软件及仪器本身的快速发展，拉曼光谱学的应用获得了突破性的进展，其应用范围，从单纯的物理、化学领域，迅速扩展至材料、环保、考古、地质、生物医学等各个学科分支。
1921年夏天，印度学者拉曼在客轮“纳昆达”号上，应用简便的光学仪器俯身对海面进行观测。他对海水的深蓝色入迷，一心要追究海水颜色的来源。此时的他代表了印度的最高学府——加尔各答大学，到牛津参加英联邦的大学会议以及英国皇家学会进行讲学，当时的拉曼才33岁。他上学的马德拉斯大学，面对本加尔海湾，每天都可以看到海湾里变幻的海水色彩，所以对拉曼来说，海水的蓝色并没有什么稀罕。事实上，他早在16岁（1904年）时，就已熟悉著名物理学家瑞利用分子散射中散射光强与波长四次方成反比的定律（也叫瑞利定律）对蔚蓝色天空所作的解释。可能是由于从小就养成的对自然科学刨根问底的个性，还是由于研究光散射问题时查阅文献中的深入思考，他注意到瑞利的一段话值得商榷，瑞利说：“深海的蓝色并不是海水的颜色，只不过是天空蓝色被海水反射所致。”瑞利对海水蓝色的论述一直是拉曼关心的问题。他决心进行实地考察。于是，拉曼在启程去英国时，行装里准备了一套实验装置：几个尼科尔棱镜、小望远镜、狭缝，还有一片光栅。望远镜两头装上尼科尔棱镜当起偏器和检偏器，随时都可以进行实验。他用尼科尔棱镜观察沿布儒斯特角从海面反射的光线，即可消去来自天空的蓝光。这样看到的光应该就是海水自身的颜色。结果证明，由此看到的是比天空还更深的蓝色。他又用光栅分析海水的颜色，发现海水光谱的最大值比天空光谱的最大值更偏蓝。可见，海水的颜色并非由天空颜色引起的，而是海水本身的一种性质。拉曼认为这一定是起因于水分子对光的散射。他在回程的轮船上写了两篇论文，讨论这一现象，论文在中途停靠时先后寄往英国，发表在伦敦的两家杂志上。1924年拉曼到美国访问，正值不久前A. H.康普顿发现X射线散射后波长变长的效应，而怀疑者正在挑起一场争论，拉曼从康普顿的发现得到了重要启示。1928年，拉曼采用单色光作光源，他从目测分光镜看散射光，看到在蓝光和绿光的区域里，有两根以上的尖锐亮线。每一条入射谱线都有相应的变散射线。一般情况，变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，但强度更弱些。C. V.拉曼发现，当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，在入射光频率ω 0 的两边出现呈对称分布的，频率为ω 0 -ω和ω 0 +ω的明锐边带，其称这种新的分子辐射为拉曼散射。同年，在前苏联研究者也在石英晶体中发现了由光学声子引起的拉曼散射，他们称之为并合散射。同时，法国以及美国的科学家也证实了拉曼的研究结果。然而，由于拉曼效应太弱，其强度约为入射光强的10 -6 ，在1940年，拉曼光谱地位受到撼动。研究者难以观测研究较弱的拉曼散射信号，更不用说研究高阶的拉曼散射效应。而且其检测的样品的入选条件苛刻也限制它的发展，比如被测样品要求体积要足够大，而且要无色、无尘埃、无荧光等等。40年代中期红外技术的进展和商品化也大大地冲击了拉曼光谱的地位。直到20世纪60年代，红宝石激光器的出现以及广电讯号转换器件的发展，使得拉曼光谱的研究迎来了曙光。激光器具有单色性好、方向性强，功率密度高的特点，用它作为激发光源可以大大提高激发效率，这也使其成为拉曼光谱的理想光源。70年代中期，激光拉曼探针的出现，给微区分析注入了活力。到了80年代，美国Spex公司和英国Rrinshow公司相继推出拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪。该光谱仪采用了凹陷滤波器来过滤激发光，使杂带受到抑制，因而不需要采用双联单色器，使光源的效率大大地提高，这样入射光的功率可以达到很低，灵敏度得到了很大的提高。同时，Dilo公司推出了多测点工业用拉曼系统，其采用的光纤可达200m，从而使拉曼光谱的应用范围更加广阔。
拉曼光谱技术最近几年发展很快，已大量出现在许多研究领域，它涉及材料、石油、化工、环保生物、医学、地质等，特别是在考古、文物保护等领域的应用。
1.显微拉曼光谱技术
显微拉曼光谱技术，具有检测灵敏度高、时间短、所需样品量小、样品无需制备等优点。因其采用了低功率激光器，高转换效率的全息CCD（charge coupled de-vice）技术以及共焦技术，克服了传统拉曼仪所需大功率激光器，灵敏度低等缺点。近年来，显微拉曼技术成为检测分析领域里一种颇受青睐的手段。显微拉曼光谱能给出物质结构的深层次信息，反映出不同环境状况下物质的内部结构变化。拉曼显微光谱是以光子为探针的无损无接触的测量，它可以获得在分子水平上样品的振动谱。同时，显微拉曼光谱还可对微加工技术的质量进行有效的检测。有研究采用显微拉曼技术对准分子激光微加工技术进行了在线检查，并在有机玻璃和光刻胶制成的齿轮上分别进行了探索。他们发现，显微拉曼散射技术是一种新的检测微加工质量的有效手段。
2.傅立叶变换拉曼光谱技术
傅立叶变换拉曼光谱是20世纪90年代发展起来的新技术，其具有测量波段宽、热效应小、检测精度及灵敏度高等优点，而且具有多通路的特点，能同时测定所有频率。拉曼光谱最大的干扰因素是荧光现象，它是阻碍拉曼光谱仪灵敏度的一个障碍。而荧光大都集中在可见区，所以采用1064nm近红外激光光源激发的傅立叶拉曼光谱仪几乎可以彻底克服荧光干扰。近年来，人们开始将近红外激光光源引进了傅立叶变换拉曼光谱分析技术及其仪器中。有研究者对甲状腺正常组织和甲状腺癌组织的傅立叶变换拉曼光谱进行了初步分析。他们通过实验得到了甲状腺癌变组织样品和甲状腺正常组织样品的拉曼光谱，通过比较正常组织和癌变组织拉曼光谱中的特征峰，可以很容易地将二者加以区分。
3.表面增强拉曼光谱技术（surface enhanced Raman scattering，SERS）
1974年，Fleischmann等在粗糙化的Ag电极表面发现，吸附在其上面的吡啶分子具有巨大的拉曼散射现象，再加上活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制，使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，这种表面增强效应被称为表面增强拉曼散射。表面增强拉曼散射（SERS）效应是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中，吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射（NRS）信号大大增强的现象。SERS技术是一种新颖的表面测试手段，它可以在分子水平上对材料分子的结构信息进行分析，如银纳米粒子，银胶体粒子上的联喹啉等。目前研究主要集中在探讨表面增强的理论模型、寻找新的体系和实验方法以及开展表面增强拉曼光谱的应用研究。作为一门分析测试技术，今后一段时间内，SERS的研究仍将集中在提高SERS稳定性、重视性和拓展分析应用范围。有研究者利用SERS研究了L-天冬氨酸在银溶胶体中的吸附状态及其浓度变化对表面增强拉曼散射效应的影响，并探讨了L-天冬氨酸在银溶胶表面的吸附作用的特点和规律。也有团队采用高灵敏度的SERS技术，以具有强SERS信号的金纳米粒子标记抗体，以SERS标记免疫金溶胶为探针，结合扫描电镜技术，研究免疫球蛋白羊抗小鼠IgG分子与银基底的相互作用。准确控制并全面了解免疫球蛋白IgG在固相基底表面的吸附，这对于医学免疫检测来说具有极其重要的意义。
4.激光共振拉曼光谱
激光技术的兴起使拉曼光谱成为激光分析中最活跃的研究领域之一，共振拉曼光谱是建立在共振拉曼效应基础上的一种激光拉曼光谱法。当产生激光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的10 4 ～10 6 倍，并且可以观察到正常拉曼效应中难以出现的泛音及组合振动光谱，其强度可与基频相比拟的，这就是所谓的激光共振拉曼光谱。与正常拉曼光谱相比，共振拉曼光谱灵敏度高，适应于低浓度和微量样品检测，特别是对于生物大分子样品检测，还可以针对复杂分子的不同色团选择性地共振激发，而相互间不受影响。在不加处理的情况下，可以得到人体体液的拉曼谱图。用共振拉曼偏振测量技术，还可得到有关分子对称性的信息。激光共振拉曼光谱在低浓度样品的检测和络合物结构表征中，发挥着重要作用。结合表面增强技术，灵敏度可以达到单分子检测。近年来，由于核酸和蛋白质的电子吸收带在深紫外260～280nm，因而，谱线在这附近的深紫外共振拉曼光谱更为人们所重视。有研究者通过共振激发核酸色团来研究药物与核酸作用的精确位置；以及通过共振激发蛋白色团来研究蛋白的二级结构以及蛋白质与物质的相互作用。也有研究者通过对细胞色素C的共振拉曼旋光活性及表面增强共振拉曼旋光活性的分析，发现其共振拉曼旋光谱图中的峰和表面增强拉曼旋光谱图中的峰基本上可一一对应，其微小的差别是由于蛋白质在银胶表面的物理特性波动产生的。激光共振拉曼光谱的发现为生物技术领域的基础研究和应用开辟广阔的前景。
5.光声拉曼技术
光声拉曼光谱技术是通过光声方法来检测受激拉曼增益的，与非共振拉曼极化率无关，因而完全避免了非共振拉曼散射的影响，并且克服了传统光学方法受瑞利散射、布里渊散射干扰的缺点。光声拉曼光谱术（PARS）是通过光声方法来直接探测样品中因相干拉曼过程而存储的能量的一种非线性光谱技术，由于其灵敏度高、高分辨率和基本上没有光学背景等优点，在气体、液体样品的检测分析中均可取得理想的效果，其谱线近似为洛仑兹线。由于不像相干反斯托克斯拉曼（CARS）过程那样有比较严格的相位匹配角要求，因而它也很适合用于研究固体介质的特性。与气体，液体不同，固体介质中的PARS效应是由相干拉曼增益过程产生的局部热能耦合到样品本身的振动模式的热弹过程，对于介质各向异性结构，三阶非线性拉曼极化率张量形式表现出一定的对称性，因而，情况要比气液样品复杂得多。由于光声拉曼信号并非来自样品对光的直接吸收，而是基于通过相干拉曼放大过程使分子产生具有拉曼活性的受激跃迁，并且光谱跃迁的发生取决于分子极化率的变化而非其固有偶极矩的变化，使得PARS技术成为研究对红外不具活性的光学声子的有效手段。而且，由于光声拉曼光谱探测频率等于两光束的频率差，因而利用它可以在可见光区研究分子的振动特性，如观测分析分子晶体中的谱线频率比分子内部振动的频率小得多的分子间相对振动谱线，并且比使用红外光谱方法要方便简单。光声效应与调制频率有关，改变调制频率可获得样品表面不同深度的信息，所以光声拉曼光谱分析是提供表面不同深度结构信息的无损探测方法。目前，光声拉曼技术主要用于研究矿石内部化学结构及分子内部的多相动力学过程和监测气体的浓度及压力变化趋势。
6.高温高压原位拉曼光谱技术
通过高温高压原位拉曼光谱技术能够得到熔体的微观结构及其在高温高压下的物理化学反应的反应物和产物的结构信息，而且它还可以获取反应中间体及其变化过程的信息。显微高温拉曼谱仪所需样品量少，升温速率快，空间分辨率高（精度1～2Lm），可选气体保护，而且操作和测定都很简便。宏观高温拉曼光谱仪具有极高的信背和信噪比，可完全消除杂散光的干扰，同时，样品可程序控温。目前，高温拉曼光谱技术已应用于晶体生长、冶金熔渣、地质岩浆、矿产等物质的高温结构研究，是研究物质分子结构的主要手段之一。有研究者运用激光拉曼光谱仪，利用水热金刚石压腔装置对高温高压条件下石膏-水体系中的石膏脱水相变进行拉曼光谱研究。他们在压力-温度曲线变化条件下通过系列实验对相变的过程进行了原位光谱分析。研究发现，与人们已知的无水条件下石膏分两步脱水的过程不同，高压下石膏在饱和水环境下倾向于一次性的脱去所有结晶水而形成无水石膏。而且他们通过整理实验数据得到石膏和无水石膏的转折温度和平衡压力间的关系式。也有研究者以金刚石作为顶砧，通过顶砧压腔装置对干酪根在水中的变化进行了拉曼光谱的原位分析。他们发现，温度从最高温度下降时，拉曼光谱图显示干酪根降解生成了有机小分子。高温高压拉曼实现了用常规方法难以进行的高温高压下的原位测定，反映出物质在高温、高压的连续梯度变化条件下的化学结构变化过程。
7.拉曼光谱与其他仪器联用技术
近两年，实现拉曼与其他多种微区分析测试仪器的联用，其中包括拉曼与扫描电镜联用（Raman-SEM）、拉曼与原子力显微镜/近场光学显微镜联用（Raman-AFM/NSOM）、拉曼与红外联用（Raman-FTIR）、拉曼与激光扫描共聚焦显微镜联用（Raman-CLSM），这些联用的着眼点是通过联用可以获得微区的原位检测的更多信息，并提高可靠度。因此，国外的一些研究单位已经开始关注拉曼光谱仪和这些不同仪器的联用。这无疑开拓新的发展方向，推动科学研究工作向更深更广的方面发展。有研究者使用两个激光波长为514. 5nm的光纤，对苯/庚烷混合物进行分析，获得非常好的结果。也有研究者将光导纤维传感器用于拉曼光谱仪，使得液体样品的拉曼信号增强了50倍。
在消化道内镜诊断中，普通白光（white-light reflectance，WLR）内镜成像是空腔脏器上皮局部病损体内诊断的标准方法，然而这一技术的局限性在于其诊断灵敏度不高，无法探测恶性肿瘤早期的消化道黏膜细微结构的变化。过去的十年间，自体荧光显像（autofluorescence imaging，AFI）技术可探及内源性荧光团，显著提高了内镜下早期肿瘤性病损诊断的灵敏性，而窄带成像（narrowband imaging，NBI）技术增强了内镜下检测异常黏膜的细微改变及肿瘤新生物微血管形态及纹理改变的可视化效果，提升了上皮内瘤变的体内组织病理学诊断水平。而拉曼光谱仪利用独特的分子振动技术，可探测组织的生物化学及生物分子结构和构成，在分子水平鉴别组织病理学类型，精确诊断癌前及肿瘤组织。然而其拉曼散射穿透的深度却有限，使得该技术应用于临床成为一个极大的挑战。因此，将拉曼光应用于内镜中便成为一个将其优越性充分应用于临床诊治的理想方法。
将拉曼光谱引入内镜中，可以揭示胃-食管交界处，包括贲门、胃窦、胃体等部位的微妙的解剖学变化和重要的生物化学差异。拉曼内镜指导下的体内成像技术可以区分胃部的良、恶性溃疡病灶，其灵敏度和特异性均可达到90%以上。利用近红外拉曼光谱仪对胃部组织进行光学诊断，可鉴别与幽门螺杆菌感染及肠上皮化生等引起的非肿瘤性病变相关性胃癌，显示出正常组织、幽门螺杆菌感染组织和肠上皮化生组织在光谱学中有显著差异，可在分子水平对胃的幽门螺杆菌感染和肠上皮化生进行早期诊断。基于生物分子的光谱特诊的光学评价，近红外拉曼光谱仪鉴别诊断胃异型增生和正常胃组织，具有快速诊断胃异型增生的潜力。联合近红外激发自体荧光和拉曼光谱仪改进临床胃镜检查方法，进行体内胃癌的诊断，可提取胃恶性肿瘤具有的独特的光谱诊断相关信息。近红外拉曼光谱这一光学技术对于诊断胃肠道组织良恶性病变极具前景。同时，也有研究者应用近红外拉曼显微光谱学进行体外实验，成像出人结肠正常组织和腺癌组织间的差异，并用多元统计分析明确分子的构成和脂类、蛋白质、黏液和胶原在正常组织和恶性组织中的分布。在小鼠体内应用基于拉曼光谱的纳米金微粒采集特异性的细胞和分子图像，或进行拉曼结肠镜检，可以灵敏的检测到异型增生的病灶，同时也避免了拉曼光穿透深度的限制，使拉曼光谱学在未来极具潜能转化为临床内镜成像的工具，而纳米金微粒有望成为诊治肠道疾病的载体。应用近红外拉曼光谱仪结合支撑向量机，可对不同组织病理学分组的结肠组织进行多类别分类。Andrea Molckovsky等为了评估近红外拉曼光谱仪在结肠中鉴别腺瘤和增生性息肉的潜能，对54例组织标本进行体外拉曼光谱分析，其中20例为增生，34例为腺瘤，其敏感性达91%、特异性达95%、准确率达93%；而体内实验显示，10例腺瘤样本与9例增生性息肉进行区分，敏感性高达100%，特异性和准确性分别达到89% 和95%。
1.拉曼在无机材料中的应用进展
拉曼光谱法是研究物质结构的重要方法，在研究低维纳米材料中是首选的方法之一。利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构分析、键态特征分析和定性鉴定等。纳米材料中的晶界结构比较复杂，与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及热处理过程等因素均有密切的关系，拉曼频率特征可提供有价值的结构信息。拉曼散射光谱可以用来研究薄膜的内应力。薄膜拉曼散射特征峰的频率、强度和半高宽与材料的组分、晶粒完整度、晶粒大小以及于衬底的晶格常数和热胀系数匹配等因素有关。硅、金刚石等四面体配位晶体，当形成薄膜受到压应力时，拉曼散射峰向波数增大的方向移动，相反当受到张应力时，拉曼散射峰向低波数的方向移动。研究者运用微拉曼光谱法测量化学腐蚀多孔硅薄膜结构的残余应力，发现随着孔隙率的增加，多孔硅表面的拉伸应力逐渐增大。提示不同孔隙率的多孔硅薄膜表面的微观孔穴结构与残余应力的分布之间的紧密联系。也有研究者通过对DL-丙氨酸晶体粉末的拉曼光谱研究，和相同条件下D-和L-丙氨酸晶体粉末的拉曼光谱比较，获得了有关DL-丙氨酸晶体中氢键作用和分子构象的信息。他们通过对DL-丙氨酸晶体的全谱分析谱，对各谱峰的波数进行了标记，而且参考了L-丙氨酸晶体的拉曼光谱对大多数谱峰进行了指认。
2.拉曼在有机化学的应用进展
拉曼光谱可为有机化合物作结构进行鉴定。拉曼位移的大小、强度及拉曼谱峰的形态可以帮助确定化学键、官能团。拉曼光谱还可监测药品的合成生产过程，从而从生产源头上控制药品的质量。有研究者通过自行研制的拉曼光谱测量系统对阿司匹林的合成过程进行了实时跟踪检测，得到在反应过程中不同时刻的拉曼光谱。从而确定阿司匹林的合成过程中是否有中间体的出现。这对于研究化学反应过程具有潜在的应用价值。也有学者用傅立叶变换红外光谱法和拉曼光谱分析法分别进行亚胺培南的光谱检测，发现其红外光谱的特征吸收峰在拉曼光谱上基本可找到相应的特征峰，化合物的结构特征官能团均能在拉曼光谱找到与其相对应的峰图。比较亚胺培南样品的傅立叶变换红外光谱和拉曼光谱的谱图，可以发现，拉曼光谱图所反映的分子结构的信息更丰富，对红外非活性的振动形式在拉曼光谱中也能得到信息反映，且光谱图结构信息量大，检测到的分子吸收谱带尖锐、清晰，某些化学键在红外光谱中为弱吸收谱带，特征性不强，而在拉曼光谱中为强吸收，指纹性更特征，可以反映出结构上的细微差别，对于分子结构的确定起着重要作用。
除此之外，由于实验的温度、压力范围广及可实时、原位观测等特点，使用拉曼光谱这种非破坏性的分析技术应用于水合物研究有效地解决了由于水合物不稳定而难于测试的问题。但对于多组分复杂气体水合物，由于其不同组分在C—H键伸缩振动区发生重叠，如果仅仅通过拉曼光谱数据进行判断，就很难准确判别水合物结构类型和计算其孔穴占有率。这种情况下，需要联合其他测试技术，才能准确获得水合物结构信息。除此之外，如何采用拉曼光谱研究水合物生成诱导时间以解决观察法晶核出现点判断不准的问题、如何借助拉曼光谱数据建立水合物生成或分解的微观动力学模型，以及水合物标准拉曼图谱库的建立和深海原位水合物探测灵敏度的提高方面的研究，将是今后进一步将拉曼光谱应用于研究水合物研究方向。
3.拉曼光谱在生物医学领域的应用进展
拉曼光谱可以应用于细菌菌种的鉴定。1999年，Efrima和Bronk首次报道了细菌的表明增强拉曼散射光谱，他们发现革兰阳性菌和革兰阴性菌细胞膜表面的光谱存在差异。随后，Christian Schuster等利用拜季林斯基梭菌证实了共焦拉曼光谱与显微镜结合使用不仅可以确定细菌细胞中的化学组成成分，还可以检测到同一个培养基中细胞化学成分的不同。应用拉曼光谱技术可以获得生物大分子的结构，如果结合这些大分子的拉曼光谱图与数学分析方法就可以分辨出细菌的种类。拉曼光谱以其快速、准确的优点逐渐在细菌分类鉴定方面得到了应用。但由于其他非振动源所引起的光谱变化，比如在琼脂培养基中，细菌的不同生长时期以及菌落的不同等，均可使拉曼光谱的条带发生变化，而且有时会出现许多条带的折叠现象。随着研究的不断深入，这些问题都将逐步得到改善。随着拉曼光谱软硬件技术的提高以及图谱数据库的建立和完善，微生物分类技术的变革也将被大大推动。
激光拉曼光谱是一种无损、快速、灵敏度高而且能够进行原位分析的光谱检测方法，由于技术的发展以及显微拉曼、共振拉曼光谱和近红外拉曼的应用，从而大大地降低了荧光对结果的影响，再加上水的拉曼特性很小，使拉曼技术在生物医学领域得以推广和应用。在组织细胞发生癌变后，其组分如氨基酸、脂类、碳水化合物都会相应的发生一定的改变，这些变化都有可能成为具有特征的拉曼标志光谱。通过分析正常组织细胞与癌变组织细胞的拉曼光谱，可以得到癌变后组织内生物分子结构及其含量的变化，从而在细胞和分子水平上来对疾病进行诊断，为肿瘤的早期诊断及其癌变机制的分析提供重要的理论基础。除此之外，癌变组织细胞的代谢产物也会发生变化，从而引起血液、尿液等体液的改变。通过对比分析正常与癌变后体液的拉曼光谱，也可以丰富肿瘤诊断的策略。有研究者采用拉曼光谱技术和多变量分析技术对肺组织中的生育酚及其氧化产物进行了准确测定和定位，实现了活体组织的无损测试。Bemhard Schrader等通过研究发现1064nm的拉曼谱线可在临床上实现分子水平的对病变组织包括癌变组织的无损识别。同时，拉曼光谱分析法还可用于临床上对血红蛋白含氧量进行监测。增强拉曼光谱可在细胞、组织学水平灵敏地探测到包括CEA、HER2、EGFR、PLCç1等肿瘤标记物。手持式拉曼光谱笔（spectropen）结合近红外造影剂，用于外科手术中恶性肿瘤切缘及前哨淋巴结的检测，为术中实时肿瘤检测和手术成像，及评估腋窝淋巴结转移提供了新的可行性方法。拉曼光谱可区别乳腺癌中的软组织和钙化灶，明确钙化的成分和类型进而区别乳腺良性和恶性病变；还可用于诊断膀胱移行细胞癌和前列腺腺癌。在皮肤癌和头颈部肿瘤中，拉曼光谱可用于鉴别基底细胞癌、鳞状细胞癌、红肿的瘢痕组织和正常组织，并通过外周血液循环检测肿瘤细胞。
拉曼光谱的经典理论即拉曼散射理论。拉曼散射是光照射到物质上发生的非弹性散射所产生的。光子的散射是个吸收和再发射的复合过程，散射物质会从入射光子吸收部分能量，或把自身的部分能量加到入射光子身上去，再发射的光子便与原光子不相干，且形成新的谱结构。单色光束的入射光光子与分子相互作用时可发生弹性碰撞和非弹性碰撞，在弹性碰撞过程中，光子与分子间没有能量交换，光子只改变运动方向而不改变频率即v = v o ，这种散射过程称为瑞利散射。而在非弹性碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不仅仅改变运动方向，同时光子的一部分能量传递给分子，或者分子的振动和转动能量传递给光子，从而改变了光子的频率，这种散射过程称为拉曼散射。光子和样品分子之间的作用可以从能级之间的跃迁来分析。样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。这样，样品分子吸收光子后到达一种准激发状态，又称为虚能态。样品分子在准激发态时是不稳定的，它将回到电子能级的基态。拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，v＜v o 称为斯托克斯散射，v＞v o 称为反斯托克斯线。光通常的拉曼实验检测到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的频率之差值称为拉曼位移。拉曼位移就是分子振动或转动频率，它与入射线频率无关，而与分子结构有关。每一种物质有自己的特征拉曼光谱，拉曼谱线的数目、位移值的大小和谱带的强度等都与物质分子振动和转动能级有关。
拉曼效应也可以用经典电磁理论给予解释，且能说明强度和偏振等现象。分子在激发光的交变场作用下发生感生极化，也就是正负电中心从相合变为相离，成为电偶极子。外加交变电磁场作用于分子内的原子核和核外电子，可以使分子电荷分布的形状发生畸变，产生诱导偶极矩。极化率是分子在外加交变电磁场作用下产生诱导偶极矩大小的一种度量。极化率高，表明分子电荷分布容易发生变化。如果分子的振动过程中分子极化率也发生变化，则分子能对电磁波产生拉曼散射，称分子有拉曼活性。有红外活性的分子振动过程中有偶极矩的变化，而有拉曼活性的分子振动时伴随着分子极化率的改变。因此，具有固有偶极矩的极化基团，一般有明显的红外活性，而非极化基团没有明显的红外活性。一般分子或基团多数是没有对称中心的，因而很多基团常常同时具有红外和拉曼活性。当然，具体到某个基团的某个振动，红外活性和拉曼活性强弱可能有所不同。有的基团如乙烯分子的扭曲振动，则既无红外活性又无拉曼活性。感生电偶极子是随激发光的交变场而交变的，因此它也就成了辐射体。简单地与激发光同步地发射，就成为瑞利散射。然而分子本身有振动和转动，各有其特征频率，这些频率比激发光的频率低一两个数量级或更多些，于是激发光的每一周期所遇的分子振动和转动相位不同，相应的极化率也不同。分子的感生偶极发射受自身振动和转动频率调制，与无线电通信用的调幅电磁波一样，其傅立叶变换频谱成分就会含有v o 和v = v o ±v R 。至于偏振，感生偶极矩自然与外场振动方向一致，其辐射特性也就可由偶极子辐射得知了。比如非偏振化的自然光照射，在与入射光垂直的方向上散射的光是偏振化的，其偏振方式则在第三个垂直方向上。所以北方天空的光是偏振的，而偏振方向在一天之内转180°，据说一些动物依此辨认方向。红外光谱里没有非极性分子的振动和转动光谱，因为只有带有固有电偶极矩的分子，其振转运动才会导致电偶极矩的变化，从而有电磁波的发射。拉曼光谱不受此限制，所以就成了研究分子振转运动的重要补充手段。
拉曼光谱具有一些明显的特征。拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量；一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。
与红外光谱类似，拉曼光谱的提供的结构信息都是分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况，从而可以用来鉴定分子中存在的官能团。但拉曼光谱产生的原理和机制都与红外光谱不同。分子偶极矩变化是红外光谱产生的原因，而拉曼光谱是分子极化率变化诱导产生的，它的谱线强度取决于相应的简正振动过程中极化率的变化的大小。在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱正好可以相互补充。凡是具有对称中心的分子或基团，如果有红外活性，则没有拉曼活性；反之，如果没有红外活性，则拉曼活性比较明显。因此，一些在红外光谱仪无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。而对于没有对称中心的分子或基团则同时具有红外和拉曼活性。拉曼效应普遍存在于一切分子中，无论是气态，液态和固态，而且拉曼散射光谱对于样品制备没有特殊要求；对于样品数量要求比较少，可以是毫克甚至微克的数量级，而且操作快速、简单、可重复。除此之外，拉曼散射最突出的优点是采用光子探针，对于样品是无损伤探测，尤其适合对那些稀有或珍贵的样品进行分析，甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物质。由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。其一次可以同时覆盖50～4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器。因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0. 2～2mm，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这也是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20μm甚至更小，可分析更小面积的样品。共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的ω振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。拉曼光谱谱峰清晰尖锐，适合定量研究、数据库搜索以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。
虽然拉曼光谱学在临床诊断和治疗中的应用依然有其局限性，如组织拉曼信号较微弱，获取光谱的速度相对缓慢等，但基于拉曼光谱学成像技术、信息处理技术、分子生物学、化学和医学统计的拉曼光谱学分子影像，在分子水平上实现实时、无创、动态、在体成像，具有分辨率高、无放射性、检测简便、费用低廉等诸多优点，可用于在体观测活体细胞的肿瘤靶向标记，小动物体内肿瘤的发生、发展和转移过程，药物的安全评估和在体临床前药理研究，以及内镜的探测和治疗，突破了传统影像技术仅能显示组织解剖结构变化的局限，已经成为分子影像领域的研究热点之一，在医学影像领域有着极大的应用潜力。
（黄志伟 王建峰 施颖）
［1］吴征铠.拉曼光谱的发现和最近的发展.光谱学与光谱分析，1983，3（2）：65-71
［2］Masaki Enamil，Tadao Nishiyama，Takashi Mouri. Laser Raman micro spectrometry of metamorphic quartz：A simple method for comparison of metamorphic pressures. Am Mineral，2007，92（8-9）：1303
［3］Johannessen，Christian；White，Peter C，et al. Resonance raman optical activity and surface enhanced resonance Raman optical activity analysis of cytochrome. Physic Chem，2007，（32）：7771
［4］CHRISTIAN S K，INGO R，EVA U J，et al. Multidimensional Information on the Chemical Composition of Single Bacterial Cells by Confocal Raman Microspectroscopy. Analytical Chemistry，2000，72：5529-5534
［5］施颖，拉曼光谱学与消化道肿瘤内镜早期诊断，中华消化内镜杂志，2014，（31）2：80-82