科普 | 拉曼、荧光与吸收光谱：光与分子对话的三种语言

分子的"指纹扫描仪"

原理

基于光子的非弹性散射效应。当单色光照射物质时，大部分光子发生弹性散射（瑞利散射），但少量光子与分子振动或转动相互作用，导致散射光频率变化（拉曼频移），反映分子振动能级信息。

特点

▸无需样品制备，可直接检测固体、液体、气体（需高密度）。

▸分子“指纹”识别：高特异性，可区分化学结构相似的化合物。   

▸对水溶液友好，水的拉曼信号弱，适合生物样品检测。

功能与应用案例

-物质鉴定：考古颜料、纺织品等成分分析。

-催化研究：原位监测催化剂表面结构及反应过程（如分析金属催化剂表面物种的吸脱附和成/断键）。

-生物医学：结合超亮SERS探针，透射拉曼技术实现14 cm厚肌肉组织下的肿瘤检测（上海交大叶坚团队）。

分子的"发光自拍"

原理

物质吸收光子后跃迁至激发态，随后通过辐射跃迁返回基态，发射出比激发光波长更长的荧光。

特点

▸灵敏度高，可达单分子水平，但易受光漂白影响。

▸依赖激发波长，荧光强度与分子环境（如pH、温度）相关。

功能与应用案例

-生物标记：如吲哚菁绿用于肿瘤荧光成像（但穿透深度仅1-2 mm）。

-环境监测：检测水体中污染物，如孔雀石绿、多环芳烃等。

-材料科学：量子点的荧光特性用于LED和显示技术。

分子的"个性墨镜"

原理

物质选择性吸收特定波长的光，导致透射光或反射光中对应波长强度减弱，反映分子电子能级跃迁。

特点

▸定量分析能力强，符合朗伯-比尔定律（浓度与吸光度正相关）。

▸定性能力较弱：吸收峰较宽，难以区分结构相似物。

功能与应用案例

-化学分析：紫外-可见分光光度法测定溶液浓度（如DNA纯度检测）。

-天文探测：通过星球吸收光谱分析大气成分（如氢、氦元素谱线）。

-环境监测：大气中臭氧层吸收紫外光的特性用于臭氧浓度监测。

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