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1.1 拉曼光谱技术的发展历程
光谱分析技术作为一种行之有效的检测分析方法被广泛应用，是现代分析技术的重要组成部分。光谱分析技术一般可以分为发射光谱法、吸收光谱法和拉曼散射光谱法三种。其中，发射光谱法包括 X 射线荧光分析法、伽马射线光谱法、原子发射光谱分析法、原子荧光分析法、分子荧光分析法、分子磷光分析法等。吸收光谱法包括紫外—可见光分光光度法、穆斯堡尔（Mossbauer）谱法、原子吸收光谱法、红外光谱法、顺磁共振波谱法、核磁共振波谱法等。
拉曼散射光谱法是 20 世纪 20 年代逐步发展起来的一项技术，拉曼光谱由于具有无损、信息丰富、无须样品制备等优点，被广大科研人员所重视，并进行了长期且富有成效的研究，在食品安全、生物、制药、反恐、材料、地质、环境监测等众多领域得到了越来越广泛的应用，目前已发展成为一项非常成熟的技术——拉曼光谱分析技术 [4～6] 。
拉曼光谱（Raman Spectra），是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）发现的拉曼散射效应，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、转动方面的信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。
Smekal 等人于 1923 年最早提出了光的非弹性散射理论，即当光通过某一介质时，由于两者的相互作用，散射出的光的频率发生变化，相位也出现随机改变。印度物理学家C.V.Raman等人于1928年利用汞弧灯的435.83nm绿光照射四氯化碳溶液，观察其散射光，发现了新的辐射谱线：在入射光频率 υ 0 的两边出现呈对称分布的，频率为 υ 0 + υ 和 υ 0 -υ 的明锐边带，首次发现了光的非弹性散射现象的存在，从实验上证实了Smekal的理论。人们命名这种非弹性散射为拉曼散射，以此来纪念C.V.Raman的贡献。拉曼因发现这一新的分子辐射和所取得的许多光散射研究成果而获得了1930年诺贝尔物理学奖。
自1928年拉曼散射效应被发现以后，拉曼效应的研究受到了广泛的追捧，逐渐形成了一项新的技术——拉曼光谱分析技术。由于拉曼散射光经过了物质的调制，携带了物质的结构信息，所以可以利用拉曼光谱来研究物质结构。不过拉曼光谱的获取在实验技术上存在着诸多困难，如拉曼散射光强度很弱，只有约为入射光强的 10 -6 ，使得人们难以观察到微弱的拉曼散射信号，对于高阶的拉曼散射信号更是难以探测；激发光源的能量较低，所需曝光时间长，样品用量大，且要求样品无色、无荧光、无尘埃等，这些困难使其应用受到了一定的限制。但与当时刚刚发展起来的红外光谱分析技术相比，拉曼光谱分析技术依然方便易行，因此1928年至1940年拉曼光谱分析技术成为研究物质结构的主要手段。
20世纪40年代至60年代，由于拉曼散射效应实验条件的诸多限制，再加上商业化红外光谱分析仪的诞生及广泛应用，红外光谱技术取得了长足的进步，使得拉曼光谱分析技术的发展进入低谷。
1960年，第一台红宝石激光器在美国加利福尼亚州休斯实验室诞生，同时伴随着光电讯号转换器件的发展，拉曼光谱技术逐渐得到了复兴。激光技术的突破，为拉曼光谱提供了单色性好、强度大、方向性好、偏振性良好的理想光源，给拉曼光谱注入了新生命力。
20 世纪 70 年代以后，随着显微拉曼光谱技术的发展，拉曼光谱技术已可以对微米量级的样品进行分析。Fleischmann等第一次在实验中发现了表面增强拉曼效应，拉开了增强拉曼技术研究的大幕。
1974年，Fleischmann等将银电极电化学氧化还原粗糙化处理后，发现吸附在其表面的吡啶分子拥有高质量的拉曼光谱，而且拉曼信号会随所加电位发生明显的变化，表明它们来自电极表面物种。科学家们把这种拉曼信号增强的现象归结于电化学粗糙化导致电极表面积的增加，进而电极上有更多的吸附分子能够被检测到 [7] 。1977 年，Jeanmaire与Van Duyne [8] ，Albrecht与Creighton等人 [9] 分别通过详细的实验和理论研究后发现，吸附在粗糙电极表面的吡啶分子的拉曼散射信号比溶液中分散的吡啶分子的拉曼散射信号约有10 6 倍的增强，远大于表面积增加所能引起的信号增强，他们将此现象称为表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering，SERS）效应，所得到的光谱称为表面增强拉曼光谱。由于表面增强拉曼光谱能够提供更丰富的化学分子的结构信息，并且具备极大的检测灵敏度，因而在生物体系中低浓度分子检测、表面化学的研究等方面有着独特的优势，并很快取得了重大的应用 [10] 。而后相继出现了共振增强拉曼光谱技术、针尖增强拉曼光谱技术等增强拉曼技术，更大大提高了拉曼光谱的检测灵敏度 [11，12] 。
20 世纪 80 年代以后，纤维光学探针被引入拉曼光谱技术，使得拉曼光谱的远程测量成为可能。这个时期拉曼光谱分析技术被广泛应用于工业生产中的远程控制及检测。
20 世纪 90 年代以后，出现了傅里叶变换拉曼光谱技术，傅里叶变换拉曼光谱仪可以显著降低甚至消除样品的荧光背景，提高光谱信噪比。随着CCD探测器技术的不断成熟，CCD探测器的引入使得拉曼光谱的测量时间大大减少，拉曼光谱仪的实时性显著提高。
21世纪以来，随着光学技术及工艺的不断进步，光学元器件的质量不断提高，光谱仪器的性能也不断提升。拉曼光谱相比以前从实验中较易得到，但其反映的分子振动信息是以一种复杂的形式加和在一起的，因此给拉曼光谱的解析带来了很大困难。然而化学计量学的引入，大大地降低了提取物质相关信息的难度，使拉曼光谱分析技术的应用范围得到了拓宽。随着仪器技术的发展、数学模型技术的提高，拉曼光谱必定会向新的篇章迈进。
拉曼散射作为一种光和物质的相互作用虽然在 20 世纪二三十年代就被预言和实验验证，但专门的拉曼光谱仪却是在20世纪60年代激光问世后，到70年代才开始成为实用的、商业化的一种光谱分析仪器。20 世纪 60 年代以来的四十多年里，随着激光技术、光电子材料、计算机技术等高科技的发展，拉曼光谱仪不断进行着革新。
20 世纪 30 年代，拉曼光谱曾是研究分子结构的主要手段，此时的拉曼光谱仪是以汞弧灯为光源，物质产生的拉曼散射谱线极其微弱，因此其应用受到较大的限制。
20 世纪 60 年代，激光器的问世为拉曼光谱仪的发展带来了蓬勃生机。早期作为光源使用的汞弧灯，被高功率、高能量、高单色性、高相干性的激光光源所代替。同时，高分辨率、低杂散光的双联和三联光栅单色仪，高灵敏度光电接收系统，光电倍增管，光子计数器等检测设备也在此期间研制成功，实现了计算机和拉曼光谱仪的联机。
到了20世纪70年代中期，不断提高的激光技术使得拉曼光谱技术的发展和应用更为广泛。对在很大光谱范围内吸收的样品，激光器的多谱线输出和可调谐激光器的连续谱线输出，可以使人们很方便地选择合适的激发光进行共振拉曼光谱测量。用于样品的微区分析、不均匀表面检测等的空间分辨拉曼光谱技术也于同期诞生。到20世纪90年代末，高空间分辨拉曼光谱技术已经可以做到单分子检测 [13] ；多通道测量和短脉冲激光技术配合，则实现了时间分辨拉曼光谱测试。这种光谱技术可用于短寿命自由基、化学反应的中间态、物质和系统的瞬间过程等方面的研究。
1983年，Jennings等人成功地进行了傅里叶变换拉曼实验。此后，各型号的傅里叶变换拉曼光谱仪也先后问世。1986 年，Hirschfeld 和 Chase 在技术上实现了FT-拉曼光谱。1987年，PE公司推出了第一台近红外激发傅里叶变换拉曼光谱仪。20 世纪 90 年代初，为满足社会生产活动的需要，人们不断探索出多项新技术并应用于拉曼光谱仪中。例如，引进光纤对远距离或危险处的样品进行测量 [14] ；用声光调制器（AOTF）代替光栅作为分光元件测量拉曼光谱 [15] ；利用全息带阻滤光片滤除瑞利散射的干扰等 [16] 。激光拉曼光谱仪的性能也日臻完善，例如，美国Spex公司和英国Reinshow公司相继推出了拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪，低功率的激光光源的应用使激光器的使用寿命大大延长，共焦显微拉曼的引入实现了类似生物切片的激光拉曼扫描，从而得到样品在不同深度时的拉曼光谱。Dilor公司推出了多测点在线工业用拉曼系统，采用的光纤可达200m，从而使拉曼光谱的应用范围更加广阔。
2000 年年初，美国 Nicolet 公司推出了 Almega 型激光拉曼光谱仪，并在国际知名咨询公司 SD 的分析仪器评比中凭借其新颖的设计和优异的性能获得银奖。2004年下半年，Nicolet公司又推出一款高度自动化设计的Nicolet Almega XR型共聚焦激光拉曼显微光谱仪，该仪器具有以下优越性能：可由计算机控制激光器切换、改变分辨率和其他仪器参数；可自动调整与仪器参数相匹配的滤光器、光栅和光阑大小等。此外，法国 Jobin Yvon、Dilor，英国的 Renishaw，美国的Bio-Rad、Spex、FJW Optical Systems，德国的Witec等公司都为推动拉曼光谱仪的发展做出了不懈的努力和不可磨灭的贡献。在激光拉曼光谱仪的性能提高方面，相应软件的开发也是一个重要的研究方向，如Nicolet公司开发的OMNIC软件大大提高了拉曼光谱仪自动化收集和分析数据的效率，具有强大的数据审查工具，并支持双向沟通LIMS系列自动化平台。
拉曼光谱仪作为获取物质拉曼光谱的设备，已经进入了商品化应用阶段。早期的拉曼光谱仪体积较大且安装不方便，主要应用于实验室中，由专业技术人员操作。近年来，随着高灵敏性的CCD检测系统、体积小且功率大的二极管激光光源、信号过滤整合的光纤探头、微弱信号检测、嵌入式设计应用等技术的出现和提升，极大地推动了小型化、智能化、信息化便携式拉曼光谱仪的迅速发展，拉曼光谱仪使用范围越来越广泛 [17] 。世界上各知名光谱仪生产厂家相继推出了多种型号的便携式拉曼光谱仪，其体积小、重量轻、移动方便、检测快速准确等优点，迅速赢得了市场的认可，市场需求不断增加 [18] 。
化学计量学（Chemometrics）是一门由化学与统计学、数学、计算机科学等学科交叉所产生的化学学科分支，其综合运用数学、统计学、计算机科学及其他相关学科的理论与方法，优化化学量测过程，并从化学量测数据中最大限度地提取有用信息。现在化学计量学已被应用到了分析化学的各个领域，包括光谱 [19] 、色谱 [20] 、气相色谱—质谱 [21] 联用等方面。利用化学计量学方法可以有效地从复杂或谱峰重叠的光谱信息中提取有效信息，而且化学计量学方法可以用来建立合适的模型从而精确定性定量分析光谱数据，因此，化学计量学方法已经越来越多的用于光谱分析，如红外光谱 [22] 、近红外光谱、拉曼光谱 [23] 等。
拉曼光谱技术引入分析化学领域以来，以其独特的优势吸引了分析化学家的注意。拉曼光谱虽从实验中较易得到，但其反映的分子振动信息是以一种复杂的形式加和在一起的，因此给拉曼光谱的解析带来了很大困难。化学计量学的引入，大大地降低了提取物质相关信息的难度，使拉曼光谱分析技术的应用范围得到了拓宽。为了得到有效的拉曼光谱，使所建的模型稳健可靠、有足够的预见性，在进行数据分析前须对实验所得到的拉曼光谱进行预处理，预处理过程包括信号平滑和背景扣除两部分。
1.拉曼光谱的信号平滑算法
在拉曼光谱获取的过程中，由于拉曼散射效应信号微弱、仪器自身设计和操作者水平等原因，采集得到的拉曼光谱或多或少都会存在噪声。噪声是无用信息，还会对有效信息造成干扰。噪声可分为三类：第一类是没有规律的，与测量技术和环境影响相关，多次测量叠加后取平均值时噪声没有线性增加，可通过增加测量次数提高信噪比；第二类是有规律的，随着测量次数的增加，噪声也增加；第三类是前两种的结合，即无规律噪声。拉曼光谱中某些样品的光谱漂移就是第三类情况。化学计量学上常用信号平滑来消除随机噪声，提高信噪比。信号平滑算法主要有窗口移动多项式最小二乘拟合 [24～27] 、窗口移动中位数 [28，29] 、快速傅里叶变换、惩罚最小二乘 [30] 、小波系数收缩 [31] 等算法。
2.拉曼光谱的背景扣除算法
对拉曼光谱影响最大的背景，就是荧光效应，为了有效地提取数据信息，进行多变量定性定量分析，在预处理时要先将无用的背景扣除。扣除背景分为硬扣除和软扣除两种。硬扣除指的是改进实验仪器性能或操作条件，如更换波长更大的激发光源、对不同的样品采取不同的实验条件等；软扣除指的是利用化学计量学方法扣除拉曼光谱的荧光背景，常用于扣除背景的算法有手动线性背景拟合法 [32] 、不对称最小二乘法 [33] 、全自动背景扣除算法 [34] 和自适应迭代重加权惩罚最小二乘算法 [35] 等。
3.聚类与分类算法（定性鉴别）
在光谱预处理完成后，就对数据进行分类，也就是常说的定性鉴别，在化学计量学上称这种方法为聚类与分类法。聚类是研究样品分类问题的一种统计分析方法。拉曼光谱数据通过化学计量学方法进行聚类或者分类分析建立模型，对新测定的样品数据进行已知类样本模型比对，以预测位置样品的类归属。聚类与分类算法常有以下几种算法：主成分分析 [36] 、偏最小二乘线性判别式分析、偏最小二乘判别分析 [37] 等。
4.回归分析（定量分析）
在定性鉴别完成后，可以进一步对样品进行定量分析。化学计量学常用回归分析算法进行定量计算，就是根据聚类与分类的结果，对数据信号进行深入处理，建立一个数据回归规律模型，以对其他未知数据进行定量分析，概括来讲就是用一个函数来表示应变量和自变量之间的关系。回归分析按照其自变量的多少，可以分为一元回归分析和多元回归分析；按照自变量和应变量的关系可以分为线性回归和非线性回归。不论是何种回归分析，基本都包含以下步骤：回归模型的建立、模型参数的求解、模型的评价、能很好模拟实测数据的模型选择、根据自变量对新样品的进一步预测。常用的回归算法有主成分回归 [38，39] 、偏最小二乘回归 [40] 和支持向量回归 [41] 。
作为一种高效、快速、无损的分析方法，拉曼光谱可以对固体、液体等各种类型的样品进行快速、精确的定性鉴别和定量分析。拉曼光谱可以穿过透明或半透明包装材料，非接触、无损地直接检测分析样品，可用于不明密封性固体、液体样品和水中有毒有害物质的快速检验。同时由于水的拉曼散射光谱极弱，对其他物质的散射影响也甚微，因此拉曼光谱在环境水体检测中更具有得天独厚的优势。
1.拉曼光谱技术在生物学领域的应用
随着当代科学技术的迅猛发展，核酸、蛋白质、磷脂等生物大分子的研究已经不能满足科研的需求，而在分子水平上探讨其具体的化学结构则成为新的研究课题，也有助于揭开生命的奥秘。表面增强拉曼技术被广泛用于解决生物化学、生物物理和分子生物学中的难题，如氨基酸中的氨基、羧基、苯环等特殊基团的分子与界面的相互作用，生物分子与金属表面的键合方式，DNA、RNA、卟啉在银溶胶上的吸附状态等 [42] 。拉曼光谱可以提供丰富的关于蛋白质结构的信息，反映蛋白质中肽链的骨架振动，还可以反映侧链周围微环境的变化。近年来，利用拉曼光谱研究蛋白质或多肽的一级结构，非折叠蛋白质，蛋白质装配的特征描述等诸多方面的研究均有文献报道。Song 等在研究多肽物质聚 L-谷氨酸、聚 L-赖氨酸无规则卷曲、α-螺旋和 β-折叠构象的紫外共振拉曼光谱的过程中，依据溶液pH值、温度与二级结构的依赖关系，建立了以酰胺键的频率、强度为依据的蛋白质二级结构的研究基础 [43] 。
在生物的遗传、变异、生长发育，以及繁殖过程中起至关重要作用的 DNA承载了生命体的遗传信息，是现代分子生物学研究的热点。由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，因此拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化，使拉曼光谱成为研究 DNA 生物大分子的有力手段。拉曼光谱技术在测量生物大分子时，所需样品量小、得到的结构信息量大、测量速度快、操作方便、对样品无损伤，尤其是在测定水溶液时，几乎不受水的干扰。
赵晓杰等 [44] 研究了卟啉类光敏剂与 DNA 的相互作用机理，发现水溶卟啉是以沟槽为连接与DNA作用，卟啉与DNA作用后吡啶基团向垂直卟啉环平面方向转过一个小的角度，在445nm脉冲激光激发下，卟啉易于与DNA形成电子激发态复合物。周殿凤 [45] 等研究了小牛胸腺 DNA 水溶液经紫外辐射的拉曼光谱图，实验结果表明，紫外辐射使小牛胸腺 DNA 的构象受到破坏，构型发生变化，除部分单双键发生了断裂外，4 种碱基也均受到不同程度的影响，其中嘧啶、嘌呤碱基受到的损伤较为严重。另外，该实验也表明，在水溶液中，DNA以β型结构为主，局部的α型结构仍然存在。王杰芳 [46] 等采用傅里叶变换拉曼光谱研究了质粒pUC18DNA经过电离辐射以后结构的变化，发现其脱氧核糖与酸主链中各振动模式产生的谱带强度有所增加，而各碱基振动谱带的相对强度则非常弱，结果表明，碱基受损，主链断裂，超螺旋结构部分解旋。董瑞新 [47] 等测定了不同温度下DNA纤维和溶液的拉曼光谱，结果表明当温度变化时，碱基、磷酸根等特征振动都不同程度地受到影响，谱线强度、频率随温度呈非线性变化。在所有的振动模式中，腺嘌呤（A）的特征振动受到温度的影响最大。余多慰 [48] 等对鲱精DNA纤维用酸溶液处理不同时间后，将样品进行拉曼光谱分析，结果表明 DNA 分子发生明显的质子化作用，酸可以导致 DNA 中部分嘌呤、嘧啶的脱落，并探讨了其产生原因可能与质子化强度有关。DNA结构、构型的变化（如质子化、氢键断裂、碱基受损伤等）、超螺旋结构等在DNA的复制、遗传、变异及修饰等方面至关重要，拉曼光谱可以探测核酸水溶液中主链、碱基及磷酸基团的振动。因此利用拉曼光谱的变化推测生物大分子的结构及其变化有利于研究遗传信息的特性，并为基因突变、转基因、诱变育种等提供有力技术保证。
2.拉曼光谱技术在临床医学的应用
检测技术正朝着非侵入和非破坏的方向发展。最近十几年内，拉曼光谱在临床医学上的发展十分迅速。拉曼光谱对白内障、硅肺、动脉粥样硬化等疾病的诊断已见报道，在癌症诊断方面的巨大潜力尤其受到众多研究者的重视。细胞在发生癌变后，其蛋白质、脂类和核酸都可能发生变化，拉曼光谱可以在分子水平上揭示癌细胞与正常细胞的差异，通过癌变组织和正常组织的对比分析，可以得出癌变组织内生物分子结构及其含量的变化。Huang等 [49] 研究了肺癌与正常支气管组织的拉曼光谱，结果表明，与正常组织相比，肿瘤组织拉曼光谱中的核酸、色氨酸和苯丙氨酸的含量偏高，而磷脂、脯氨酸和缬氨酸的含量偏低；正常组织和肿瘤组织在1000～1100cm -1 ，1200～1400cm -1 和1500～1700cm -1 三个区域内的拉曼光谱差异显著，峰强比 I 1445 / I 1655 可作为正常组织与癌变组织的辨别标准。黄鹰等 [50] 利用激光拉曼光谱技术对胃癌细胞及正常胃细胞进行快速检测，发现了胃癌组织在特定波长583nm、633nm和655nm处出现特征拉曼峰，且峰强随着癌细胞浓度的增加而升高。Gao 等 [51] 采用 FT-Raman 研究了正常以及恶化后的人体皮肤角化细胞，结果表明DNA拉曼光谱中843cm -1 和840cm -1 的强度比可以作为判断细胞是否癌变的标准。J.Renwick Beattie等 [52] 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。以上研究表明，通过对特征拉曼谱线的分析，可为癌症的诊断和治疗提供有力的实验依据，为癌症的早期检测和诊断提供一种有效手段。拉曼光谱技术作为一种临床工具在肿瘤检测中展示了巨大的发展潜力，对癌变组织进行快速无损检测已成为今后拉曼光谱技术的主要发展方向之一。
3.拉曼光谱在药物行业的应用
（1）中药材真伪鉴别、产地鉴别的应用
中药材中的许多有效成分往往因其官能团不同、构型不同等原因而具有不同的药理作用。中药材因产地广阔、品种繁多、来源复杂、同名异物与同物异名的现象普遍存在，给中药的生产、供应、检验和管理诸方面带来许多困难。鉴于中药材的外观性状是重要的经济价值指标，采用傅里叶变换拉曼光谱法对中药材的真伪进行快速而无损伤的鉴别受到了极大的重视 [53] 。
孙素琴等 [54] 通过拉曼光谱特征峰位置，可快速鉴别大黄的真伪：唐古特大黄在1609cm -1 、1462cm -1 、2937cm -1 、385cm -1 处有特征峰，而伪品大黄中，华北大黄在1462cm -1 附近没有出现唐古特大黄的2个峰；山大黄在1606cm -1 、1636cm -1 有2个峰，但2个峰强度较唐古特大黄大，而且它在1317cm -1 、1153cm -1 、997cm -1 均有峰出现；水根大黄虽在1462cm -1 附近有2个峰，但在2937cm -1 没有唐古特大黄所具有的特征峰。刘蓬勃等 [55] 鉴别了八角茴香及其伪品，通过不同的拉曼光谱峰可将八角茴香与莽草、红茴香快速准确地鉴别出来。朱世玮等 [56] 通过发现肉桂及其混淆品拥有不同的拉曼特征峰位置，快速鉴别出肉桂和阴香。周群等 [57] 对12个不同产地、不同种植方式及不同采集时间的中药材黄芩进行了快速鉴别，结果表明可以由拉曼光谱的特征频率与强度鉴别不同种植方式的黄芩样品。王玉等 [58] 应用傅里叶变换拉曼光谱法鉴别知母中的掺假物，也可区分生草乌与熟草乌、生川乌与熟川乌。施玉珍等 [59] 利用共焦显微拉曼光谱无损快速鉴别了宁夏枸杞和北方枸杞样品，发现宁夏枸杞和北方枸杞的拉曼谱图有明显的差别，易于区别。
（2）中药化学成分定性分析中的应用
中药材中许多有效成分因化学官能团、构型的不同而具有不同的药理作用，拉曼光谱由于其高选择性，且混合物无须分离等前处理过程，已被广泛运用于中药有效成分的同分异构体鉴定和结构分析中。
曲晓波等 [60] 采用拉曼光谱对人参皂苷 Rg3 两种异构体 20-（R）-Rg3 和20-（S）-Rg3 进行了测量和分析，拉曼振动特征峰在人参皂苷 20-（R）-Rg3 和20-（S）-Rg3 中有明显的差异。研究结果说明，应用拉曼光谱技术可以快速、简便地鉴别出人参皂苷Rg3的异构体。郭萍等 [61] 采用拉曼光谱分析法，对中草药绞股蓝的成分进行研究和特征波谱的鉴别，发现能很好地检测分析中草药绞股蓝，为合理利用绞股蓝资源和寻找绞股蓝新的有效成分提供依据。谭炜等 [62] 利用银溶胶纳米颗粒作为拉曼增强基底，对桑皮苷成分进行了共聚焦显微拉曼光谱分析，确证了桑皮苷中有类似二苯乙烯结构的物质存在，为快速有效检测桑皮苷的主要成分提供了新的方法。
（3）化学药品定性分析中的应用
拉曼光谱一次测量可覆盖50～4000波数的区间，对于化学药品的真伪辨别具有特殊的优势。
杨玉平等 [63] 利用拉曼光谱技术测量了甲硝唑、替硝唑和奥硝唑三种药品在100～3200cm -1 波段的光谱特性，同时运用密度泛函理论对实验光谱进行指认。该研究对于理解甲硝唑、替硝唑和奥硝唑的生物作用和快速、有效、系统地鉴定鉴别具有重要意义。王玮等 [64] 利用共焦拉曼光谱仪通过对盐酸曲马多进行测定，实验表明共聚焦拉曼光谱仪可用于盐酸曲马多的结构特征分析。杨梁等 [65] 利用拉曼研究盐酸林可霉素两种晶型，结果表明，盐酸林可霉素两种晶型由于分属不同晶系及空间群，它们在晶胞中的分子内、分子间氢键与分子构象不同，从而造成其拉曼光谱行为的显著差别，说明可用傅里叶变换拉曼光谱法鉴别盐酸林可霉素两种晶型。钱晓凡等 [66] 对青霉素类药物进行拉曼散射研究，用拉曼散射可以很方便地将不同的青霉素药物加以区分。王玮等 [67] 采用共焦显微激光拉曼技术，获得恩诺沙星特征拉曼峰的归属信息。实验表明，得到的图谱以及对其特征峰的归属信息可作为恩诺沙星的定性鉴别的依据。
（4）便携式拉曼光谱在药物制剂快速真伪鉴别的应用
便携式拉曼光谱仪具有光谱特异性强、谱图反映的样品信息丰富、数据处理简单等优势。此外，其体积小，不需要其他仪器辅助；不受水分的影响；测量时通常不破坏样品；样品制备简单甚至不需要样品制备，因而在药物快速鉴别中发挥着重要的作用。
范贤松等 [68] 利用便携式拉曼光谱仪鉴定多潘立酮片的真伪，分析真假多潘立酮片的拉曼光谱特征，结果表明便携式拉曼光谱仪能够快速鉴别多潘立酮片的真伪。张新等 [69] 利用便携式拉曼光谱仪识别头孢菌素制剂中的主成分，表明所测药物峰形良好、指纹性强、可准确区分、可以对相应制剂准确识别。刘朝霞等 [70] 利用便携式拉曼光谱仪研究磺胺类药物成分的识别能力。张启明等 [71] 利用便携式拉曼光谱仪识别解热镇痛类药品主成分，表明便携式拉曼光谱仪有望成为药品日常监督中一种有效的鉴别手段。罗娅等 [72] 利用便携式拉曼光谱仪考察了降糖类药品的识别能力，为假药现场判别提供一种新的手段，具有良好的应用前景。
4.拉曼光谱技术在食品中的应用
近年来，食品安全问题由于严重地危害人类健康和造成环境的污染引起了人们越来越多的关注。常规的化学分析方法，如液相色谱法（LC）、气相色谱法（GC）、质谱、生物体检测等检测方法 [73～75] ，操作步骤烦琐、消耗化学药品、需制备试样；而以拉曼效应为基础的探测分子振动和转动特征峰值的探测技术，可检测固相与液相样品，并且可有效甄别样品主要成分的化学结构信息。相对于传统的化学检测方法，拉曼光谱对样品的化学结构与衍生结构的测定上更具优势，在检测结果中，拉曼光谱不仅能分析样品的化学键与键能，还可定量检测样品中其他成分含量 [76，77] ，因此在食品成分的分析及食品安全监测研究中得到了广泛应用。
食品的主要成分为碳水化合物、脂质、蛋白质、水等，下面按食品成分进行分类介绍。
（1）碳水化合物类
碳水化合物的分子结构很大、同分异构体多，在化学分析中研究较为困难。然而通过拉曼光谱，可以很容易得到它的结构信息。碳水化合物是水果中主要的组成部分，具有多种同分异构体的大分子结构。拉曼光谱能够较为明确地检测出碳水化合物的组成部分，如C=N、C=S、C=C等基团。随着有机化学领域的深入研究，拉曼光谱成为有机化学的重要检测方法。药林桃等 [78] 通过拉曼光谱测定桔类水果拉曼谱线，从而得到纤维低聚糖的三维结构。马寒露等 [79] 利用便携拉曼光谱仪对苹果汁中加入梨汁的样品进行检测，结果表明，苹果汁和梨汁在两种不同波长中存在差别，是因为两种果糖分子存在同分异构体的化学键数量存在差异。
（2）脂质类
脂质是油脂与类脂的总称。传统的检测方法，如化学方法、气相色谱法，可以对脂肪酸的顺反异构体等进行量化检测 [80] 。傅里叶拉曼对植物油中脂肪酸、含油量等进行定性、定量分析，并可实现定向质量控制与定向筛选 [81] 。激光拉曼也被应用于测定食用植物油里的顺式和反式异构体 [82] 。李占龙等 [83] 利用拉曼光谱对玉米种子的不同部分进行分析，发现玉米中含脂类最高的胚乳中吸收峰值最强。Pedersena等 [84] 通过检测猪肉样本，在拉曼光谱1660cm -1 处获得了特征谱峰。
（3）蛋白质类
食品中大部分原料成分就是蛋白质，提供着人体所必需的能量与氨基酸，是食品品质与营养成分的主要指标。不同种类的食品中含有不同功能的蛋白质，蛋白质不同功能与结构的研究很早就受到人们的关注。通过调整蛋白质种类的摄入，可以实现人体营养均衡 [85～87] 。在拉曼光谱技术中，通过研究蛋白质结构的拉曼光谱拉曼谱图的特征峰值、强度与面积，不仅可得到蛋白质分子化学结构等信息，还可分析蛋白质在特殊环境，如酸碱环境、温度环境的变化与影响 [88，89] 。
（4）色素类
胡萝卜素类中的拉曼特征峰值较为明显，拉曼光谱在色素检测领域主要应用于类胡萝卜素族群中。霍明明等 [90] 通过化学加压催化，得到了直链类胡萝卜素在溶液内的拉曼光谱。袁玉峰等 [91] 通过拉曼光谱分析方法检测了红酵母细胞产生的类胡萝卜素结构，实验结果给出了细胞中类胡萝卜素信息。
随着社会的进步和人民生活水平的提高，食品安全已成为全球关注的热点话题，农药残留污染是制约食品营养与安全的首要因素之一。2008年爆发的毒奶粉事件曾在食品界引起轩然大波，人们对于食品安全的关注也越来越多。农产品检测中心配备的检测仪器灵敏度高、专业性强、检测方法复杂、价格昂贵；常规的检测方法有许多不足。由于不同农药的分子结构不同，其振动谱也会不同，因此利用拉曼光谱来识别食品中不同农药残留，进行食品污染检测是可行的。
国外应用拉曼光谱技术检测了在粮食、蔬菜、水果中普遍使用的杀虫剂和杀菌剂，取得一定进展。Skoulika等 [92] 利用傅里叶拉曼光谱定量检测了杀虫剂二嗪农，选取554cm -1 、604cm -1 、631cm -1 、1562cm -1 和2971cm -1 建立校正模型，所得相关系数都达到0.99以上。Sato-Berru等 [93] 选取甲基对硫磷的特征波段1345～1110cm -1 ，建立线性和非线性数学模型，结果线性模型的相关系数 R 2 =0.996，优于非线性模型。Armenta等 [94] 分别采用了傅里叶红外光谱法和拉曼光谱法对异菌脲进行了检测，发现傅里叶红外光谱法和拉曼法的检测结果相关系数 R 2 都大于0.996，可用于农药异菌脲的无损检测。Hevens等对牛奶中是否含有三聚氰胺做了研究，利用SERS对三聚氰胺的特征峰 676cm -1 在强度和浓度之间建立了校正模型，其相关系数 R 2 =0.96，测量极限可达到2.6×10 -7 mol · L -1 。
国内周小芳等 [95] 应用不同波长的激光光源采集了水果表面的农残拉曼光谱。通过比较发现，运用激发波长为1064nm的近红外傅里叶拉曼光谱仪对信号进行收集，可以减弱荧光背景。肖怡琳等 [96] 用显微拉曼光谱仪测试了几种用于果蔬表面农药（如杀蝉、灭多威、扑海因等）的拉曼光谱和荧光光谱，根据各种农药的特征峰，可以实时快速地区别各种农药及其在果蔬表面上的农残。王锭笙等 [97] 采用表面增强拉曼光谱，将作为探针分子的三聚氰胺滴加在准备好的增强基底银胶上，使用便携式拉曼光谱仪来进行测试，结果表明，银纳米粒子的表面增强作用明显，最小检测量可达 6×10 -12 g，如果与奶粉中或食品中固相萃取技术结合，则可以实现三聚氰胺的现场实时快速检测。此外，便携式拉曼光谱仪还能快速地辨别出容器内的液体是水、酒精还是汽油，应用于安检的事例也有人报道。便携式拉曼光谱仪以其低成本、方便快速等优势，将逐渐成为食品检测中的关键技术之一。
5.拉曼光谱技术在化学和材料学的应用
拉曼光谱法是一种研究物质结构的重要方法。随着CCD探头、光纤技术和多变量分析法在拉曼光谱中的应用，信噪比、光谱范围和精度大大增加，使拉曼技术在化学和材料学中发挥着越来越重要的作用。
李灿等 [98] 设计了原位紫外拉曼光谱，并以此深入研究了磷酸铝分子筛的晶化过程，检测了模板剂和分子筛的结构信息，发现了磷酸铝分子筛形成初期模板剂的振动与孔道结构形成之间的关联，检测到含有四元环的无定形孔道中间物，并观察到了四元环向六元环转换的过程，直接用实验验证了磷酸铝分子筛的合成机理。杨潇 [99] 等在显微拉曼系统中测定了Al-Si共晶体和SiC纤维增强玻璃复合材料、ZrO 2 -Al 2 O 3 层状复合材料的空间分布及其残余应变，并得出复合材料组分中Al 2 O 3 的荧光R 1 峰、Si晶体和SiC纤维拉曼特征峰的位置（波数）随应变的偏移与应变值都有近似的线性关系。周凤羽 [100] 等用拉曼光谱测量了升温条件下（298～1473K）钨铅矿型钨酸铅（PbWO 4 ）晶体及其熔体，确定了各振动模的归属。周文平 [101] 测量并研究了 298～1573K 范围内钽铌酸钾（KTN）晶体的拉曼光谱及其熔体的高温拉曼光谱，分析了KTN晶体结构随温度变化的规律。张霞 [102] 在300～1173K的温度范围下研究了LiB 3 O 5 晶体结构随温度升高的变化和相变，其结果与LiB 3 O 5 晶体的相图给出1107K的相变温度基本相符。尤静林[103]测量了锐钛矿型和金红石型TiO 2 在298～1923K的高温拉曼光谱，分析了特征峰随温度变化的规律以及两种结构相的温度依赖性，为不同晶型TiO 2 的研究、生产和应用提供了重要的理论基础。
在材料研究和应用方面，拉曼光谱可以用于分析半导体、超导体、陶瓷、晶体材料等固体材料，已被广泛应用于聚合物共混物的相容性、表面增塑机理、应力松弛和应变过程的监测以及拉曼成像、聚合反应监控、固化过程监测、聚合物结晶过程监控、聚合物水溶液和凝胶体系中水的结构及分子间、分子内相互作用力的研究 [104] 。
拉曼光谱能提供无氢键共混物的组成与共混物的构形、特殊相互作用及相容性关系的信息，还可研究相容性与氢键的关系，因而拉曼光谱可方便地用于聚合物共混物的研究，提供共混物的组成与共混物的形态和相容性的关系信息。Ozaki和 Noda 等 [105] 对无规聚苯乙烯（PS）和聚 2，6-二甲基-1，4-苯醚（PPE）共混物的二维傅里叶变换拉曼相关光谱分析表明，混物的组成与共混物的构型有关。Ward和Mi用拉曼光谱对聚双酚A缩水甘油酯和聚甲基丙烯酸甲酯共混物的相容性和相行为进行了研究 [106] ，在室温制样时，链的运动性差，共混物不相容；在120℃制样时，链的运动性增加，PMMA的C=O基与聚双酚A缩水甘油酯的羟基形成氢键，C=O 伸缩振动频率随含量增加移向低频，共混物相容性增大。Chiou 和Paul [107] 、Soh [108] 对聚双酚A缩水甘油酯与PMMA的熔融共混物相容性研究发现，在260℃时，熔融共混物对所有组成范围均是相容的。
实验室分析聚合物固化过程常采用差示量热扫描仪 DSC，DSC 的样品用量少、样品薄，可使聚合产生的热快速有效地散失，使反应控制在假等温状态。然而，工业上大多数聚合物和复合材料都较厚，使聚合产生的热不能快速散失，而厚样品的DSC分析并不理想，再加上DSC是脱线测量，不能进行实时监测。光纤拉曼光谱的应用解决了这个问题，它能直接监测大量聚合物和薄膜的固化反应过程 [109～112] 。Myrick等 [111，112] 设计了一个新的探针，增大了信噪比，使光纤拉曼光谱能直接实时监测固化反应，可快速获取光谱数据，进而确定反应温度和化学结构，并可由多变量技术快速定量地测定固化百分率。
6.拉曼光谱技术在宝石鉴定的应用
自古以来，宝石都作为珍贵的物品被珍藏、馈赠、保存。宝石的质量直接影响到宝石的价值。长期以来，宝石的鉴定是由非常有经验的宝石师用肉眼或简单的工具进行的，缺乏一种客观、准确、定量甄别宝石真伪、优劣级别的测试方法。近年来，显微拉曼光谱的问世，使其在宝石鉴定领域内成为强有力、独特的检测分析工具。由于拉曼光谱的原理，使其完成鉴定工作要比其他传统的实验手段可靠，且速度快；最重要的是非破坏性测量。目前，世界上几个较大的宝石研究实验室均用它作为权威性的分析工具 [113，114] 。
通过拉曼光谱的测量，可以得到各种宝石的振动谱，进而获取有关宝石结构及成分的信息。这种鉴定手段准确、快速、分辨率高、非破坏，而样品尺寸可小到1mm，无须对样品做特殊处理。传统的宝石分析仪，如，硬度计、密度计、折射仪等，只能提供单一的宝石信息。宝石显微镜虽然可以判断宝石产地，但也是凭经验，如包裹体的颜色、形状来推测；而其他一些化学或物理手段通常会损伤宝石。利用显微共焦拉曼光谱可以测量样品表面下包裹物微小区域的结构、成分，从而快速准确地提供宝石是天然还是合成，有时还直接给出产地、年代方面的综合信息。此外，在拉曼实验中同时记录到的荧光光谱也是有关样品的重要信息，可用于宝石的鉴定。表 1-1 所示为翡翠的拉曼特征峰位。进一步深入系统地研究各种宝石、矿物，并积累形成相应的拉曼谱数据库，对宝石矿物鉴定及其形成机理，甚至对地质演变过程的研究都是非常有意义的 [113～120] 。
表1-1 翡翠A、B、C货、环氧树脂、白蜡的拉曼特征峰位（cm -1 ） [118]
注：翡翠A货为未经填充和加色处理的天然翡翠玉件；翡翠B货为经过填充和加色处理的天然翡翠玉件；经强酸清洗后再加色处理的翡翠玉件成为C货。
7.拉曼光谱技术在国防安全的应用
近几年来，探测和确认低浓度有毒、有害物质成为拉曼光谱技术研究的前沿学科和发展方向，其在生化试剂、爆炸物痕量检测等方面取得了很大进展 [121] 。
利用表面增强拉曼技术已经可以探测到1ppb蒸汽状态的TNT、DNT和降解产物，如3-二硝基苯、4-胺基-2、6-二硝基苯。硝基在820cm -1 处的振动吸收和1337cm -1 处的拉伸吸收明显增强，这意味着爆炸物的表面增强效应是通过硝基而不是芳香环结构 [122] 。图1-1是利用表面增强拉曼探测器侦检地面炸药时检测到DNT的表面增强拉曼光谱 [17] 。
图1-1 DNT的表面增强拉曼光谱
“9·11”以后，美国政府意识到恐怖袭击升级的可能性。恐怖组织除将有毒、有害物质释放到空气中之外，还会将其投放到饮用水中，因此加强了对突发事件尤其水源污染的现场快速检测技术研究。表面增强拉曼凭借超高检测灵敏度和对水的微弱散射独特优势，应用于饮用水中生化试剂的检测。氰化物作为独立化合物是拉曼光谱分析的典型代表，在 2200cm -1 波段处有一特征强吸收谱带。EIC 实验室设计的便携式表面增强拉曼光谱仪在采用商用光纤的基础上，将SERS基底固定在激光焦距内，利用金属套保护光纤的同时，也使得水样通过SERS基底，如图1-2所示。利用该仪器可以在30s内检测50ppb的芥子气模拟剂2-氯二乙硫醚，同时该仪器也能够检测水源中的毒素来确保饮用水的安全，对T2毒素的检测限为1ppm [123，124] 。
图1-2 EIC实验室设计的便携式表面增强拉曼光谱仪检测水样
8.其他应用
拉曼光谱技术还被广泛应用于纺织、造纸、生物化工、天体学及地理学、地质学等领域。
拉曼散射现象由印度科学家拉曼于1928年在CCl 4 中首次观察到，并因此获得了诺贝尔奖。当时在德国留学的中国学者郑华枳先生于1934年发表了中国学者的第一篇拉曼光谱研究论文。同年，吴大猷先生在他任教的北京大学物理系实验室开始了中国国内最早的拉曼光谱学研究，并于1936年在《中国化学学会会志》上发表了他的第一篇拉曼光谱论文。在十四年抗战的艰苦岁月里，吴大猷先生也没有中止拉曼光谱学研究。他在土墩木架上组建起摄谱仪，继续开展拉曼光谱研究，并发表了相关研究论文，还在 1939 年用英文出版了一本著作《Vibrational Spectra and Structure of Polyatomic Molecules（多原子分子的振动谱和结构）》 [125] ，这是自1928年观察到拉曼效应以后，国际上第一部全面总结分子结构拉曼光谱学研究成果的专著。吴大猷先生的著作和工作在世界拉曼光谱学发展中起了重大的历史作用，也为中国拉曼光谱学研究奠定了坚实的基础和树立了锲而不舍、艰苦奋斗的榜样。
新中国成立之初，由于受激发光源强度的限制，世界拉曼光谱学研究处于低谷，正是在“沉默时期”的 1954 年，黄昆先生与玻恩合作出版了学术专著《Dynamical Theory of Crystal Lattices（晶格动力学理论）》 [126] 。该书的最后一章《光学效应》是黄先生回国后任北京大学教授期间撰写，是全书中描述拉曼散射现象最为具体和系统的一章，黄先生通过指出Theimer的拉曼散射理论的不合理之处，进一步发展了拉曼光谱理论。
1962年，激光器的出现从根本上解决了拉曼光谱所需的高强度激发光源的问题，为拉曼光谱学推广并应用于分子结构研究以外的其他领域开辟了道路，拉曼光谱学迎来了它的第二个黄金时代。1964 年，在黄昆先生建议下，当时国家 12年科技发展规划中的重点项目“固体能谱”把在中国重新开展拉曼光谱学的实验研究列入了计划。为此，北京大学斥资 6.5 万美元从国外订购了拉曼光谱仪。但仪器到货之后却因“文化大革命”在实验室里躺了10年，中国科学家因此错过了发展拉曼光谱学的大好时机 [127，128] 。
“文化大革命”后打开“大门”之时，激光拉曼领域已经百花齐放，各国科学家已用激光拉曼光谱仪进行了多年的工作并发表了大量论文和专著。北京大学等科研机构立即在进口的拉曼光谱仪上利用激光器代替原有的汞灯作为激发源，迅速开展拉曼光谱学的实验研究。中国科学院半导体所等单位在黄昆先生的支持下也迅速跟上步伐，从国外购进了激光拉曼光谱仪。中国科学家开始奋起直追拉曼光谱学研究的国际水平。
在1981—1990年的10年间，中国在国内外学术刊物和学术会议上发表的物理学方面的拉曼光谱方面的论文和报告在数量上开始逐年上升。从20世纪80年代末起，中国的拉曼光谱学研究开始进入世界先进行列，在当时国际最热门的研究领域——半导体超晶格方面，黄昆先生的研究组发表了被国际学术界誉为“黄（昆）—朱（邦芬）模型”的超晶格中声子的微观理论，解决了多年困扰人们的两维体系的拉曼散射理论问题。这不仅是迄今最为正确和完整的超晶格拉曼散射理论，也奠定了一维和零维体系拉曼散射的理论基础，达到了世界领先水平 [129] 。
1990年以后，中国的拉曼光谱学研究开始全面进入国际先进行列。北大的博士生金鹰，因1992年在第21届国际半导体大会上发表世界上第一个观察到超晶格中微观界面模的拉曼散射论文，被授予了“青年优秀论文奖”，标志着中国学者在拉曼光谱实验方面也达到了世界一流水平。从国外出版的《物理、化学和地球科学近期目录》光盘资料统计可以看出，1993 年和 1994 年中国在国内外著名学术刊物上发表的拉曼光谱论文总数分别为150篇和185篇，均排在美、日、德、法、英之后，列第六位。
近年来，国内物理、化学学家进行拉曼光谱学研究的手段，从20世纪80年代初的常规的单声子拉曼散射，扩展到多声子、共振、表面增强、高压、时间分辨和显微等线性拉曼光谱，以及受激拉曼和相干反斯托克斯拉曼散射等非线性拉曼光谱。在扩展拉曼光谱手段过程中，四川大学和北京大学分别在受激光散射和拉曼样品架上取得了国家专利。同时，在多声子 [130] 和高压 [131] 拉曼光谱方面，国内物理学家也取得了一些高水平的研究成果。而在表面增强拉曼光谱研究中，中国物理学家做出了一些开拓性的物理工作 [132] ，在非线性拉曼光谱研究中，更是做出了十分杰出的工作 [133] 。
在拉曼光谱仪研制工作方面，国内的起步较晚。20 世纪 70 年代初，在我国分子光谱研究奠基人之一吴学周先生的倡仪下，由长春光机所、北京第二光学仪器厂和上海有机所等几个单位合作，研发出我国第一台激光拉曼分光光度计，开创了我国研制激光拉曼设备的先河。20 世纪 70 年代末，由于受到文化大革命的影响，国内尚没有一台以激光作为光源的拉曼光谱仪，迫于经费等条件限制及科研教学任务的需要，北京大学物理系最早积极开展了激光拉曼光谱仪的改造、研制和生产工作，并取得了一系列成果。1986年，浙江大学光电与科学仪器系历时五年研制成功了LRZ-1型拉曼光谱仪，主要用于教学和科研。1994年，成都科技大学和四川大学研制成功一套基于脉冲激光器激发激光共振拉曼光谱系统；苏州大学信息光学研究所、天津东港、北京大学青鸟公司等单位相继研制出了用于教学的拉曼光谱仪。2008年，中国科学院大连化学物理所李灿院士带领其研究小组研发出我国第一款紫外共振拉曼三联光谱仪，该产品属于实验室仪器，仅适用于科学研究方面的工作 [17，134～136] 。
近年来，便携式拉曼光谱仪得到大力发展。便携拉曼光谱仪主要适用于科研院所、高等院校物理和化学实验室、生物及医学领域等光学方面，用于物质成分的判定与确认方面的研究、石油产品的快速分类和成分定性定量分析，以及地质勘探的现场分析研究。该仪器结构简单、操作简便、测量快速高效准确，以低波数测量能力著称；采用共焦光路设计以获得更高分辨率，可对样品表面进行微米级的微区检测，也可用此进行显微影像测量，该仪器成为可移动小型实验室。国内的仪器生产厂家也在加快便携式拉曼光谱设备的研发工作。