手持式拉曼光譜儀TruScan G3應用簡介

2024/05/29

前言

當光與物質相互作用時，可能會發生幾個過程。光可以被反射、穿透、吸收或散射。通常，這些過程中會同時發生多個。每個過程發生的程度，取決於光的波長，和物質的分子性質。

拉曼散射

當光散射發生時，大部分光被散射，而能量或頻率不會改變，稱為彈性散射，或雷利散射。然而，散射光的一小部分，大約每一百萬到千萬個散射光子中的一個會發生能量/頻率的變化。這種變化被稱為拉曼位移，是拉曼光譜學的基礎。該學科以1927年首次展示該效應的物理學家命名。拉曼光譜儀系統被設計用於準確測量散射能量的位移和強度，這對應於構成物質的分子的振動能量變化。這導致了材料的拉曼光譜 - 強度與拉曼位移的對應圖。

拉曼光譜的一個例子如圖1所示；強度以拉曼位移波數（cm^-1）為橫軸進行繪製。譜中的每個峰對應於被照明物質的振動躍遷。因此，拉曼光譜提供了與中紅外光譜（也稱為FTIR光譜）相同類型的訊息。

對於給定的分子，拉曼光譜和紅外光譜中的分子振動頻率（或能量）是相同的。然而，振動峰的強度不同，在某些情況下，在拉曼光譜中看到的峰不會在紅外光譜中看到，反之亦然。這是因為這兩種技術依賴於完全不同的物理機制；FTIR是一種吸收光譜技術，而拉曼是一種散射光譜技術。拉曼散射也被描述為由於分子偶極率的變化而引起的反射。

圖1. 拉曼光譜圖表示

儀器和技術

在拉曼光譜儀的儀器中有兩種主要的技術：傅立葉變換（FT）和色散。這兩種技術的基本區別在於拉曼散射訊號的分析方式。在FT-拉曼系統中，採用干涉儀和傅立葉變換進行光譜分析，而在色散拉曼系統中，則使用光柵分光儀或單色儀進行光譜分析。Thermo Scientific™ TruScan™ G3手持拉曼分析儀如圖2，採用色散技術，利用785奈米近紅外雷射與基於矽的電荷耦合器件（CCD）偵測器相結合。這種儀器配置因其靈敏度、最小螢光和堅固性而受到歡迎。

圖2. TruScan G3 Handheld Raman Analyzer

應用

拉曼光譜學在許多領域和行業中被使用，包括聚合物、小分子制藥和大分子生物制藥、半導體、藝術、考古學、生物技術、環境監測、法醫學、安全和危險物質應對等。應用包括原材料品質控制、偽造品識別、材料分類和驗證、過程監測以及定量濃度測定。拉曼光譜學作為一種分析技術，相較於相關的傅立葉變換紅外線（FTIR）和近紅外線（NIR）吸收/反射方法，具有幾個優勢。其中一個最重要的優勢是拉曼光譜能夠通過玻璃和塑料分析物質，如圖3所示。

圖3. TruScan G3 拉曼光譜可以隔著包材或玻璃測試到樣品訊號

此外，由於水發出的拉曼訊號較弱，拉曼光譜學還可以分析水溶液中的材料。通常，在進行拉曼分析之前不需要進行樣品準備，該技術快速且非破壞性。最後，每種物質都具有獨特的拉曼光譜，使該技術成為識別目的的理想選擇，包括原材料驗證和偽造品檢查。

結論

雖然沒有一種技術能適用於所有應用，但由於現代電子和雷射生產所帶來的經濟效益、速度和靈敏度，拉曼光譜學正因其逐漸受到青睞而成為一種品質控制的工具。曾經價格高達20萬美元並需要專業使用者的儀器，現在能以相對合理的價格購得，並且配備了鑑定軟體，使非技術人員能夠成為熟練的用戶。曾經只能在高昂的實驗室空間中使用的儀器，現在變成單手攜帶到生產室或收貨區域進行量測。拉曼光譜學能夠穿透容器進行測量，並且不受環境濕度的影響，使其成為理想的藥品標準鑑定測試技術。拉曼技術也非常適合成為供應鏈中的品牌防偽安全措施之一。