激光拉曼效应及应用实例

激光拉曼效应及应用实例

摘要：本文介绍了拉曼效应基本理论、发展历程和技术特点，拉曼光谱图所包含的信息、拉曼光谱定量检测分析流程。并以苹果、猕猴桃为研究对象，以其表面上的蚜实净和哒螨灵等农药作为检测对象，应用拉曼光谱检测技术进行检测研究。

关键词：拉曼光谱，苹果，猕猴桃，蚜实净，哒螨灵

水果果皮和农药都有各自的分子成分，因此，对应的拉曼光谱也具有各自的特征峰值。为了检测水果表面农药残留，首先对获取的无蚜实净和哒螨灵残留的果皮样品的拉曼光谱图进行特性研究，得出特征位移，然后再对有不同浓度农药残留的水果果皮进行拉曼光谱采集和特征分析。

1. 拉曼效应

1.1拉曼效应基本原理 光照射到物质上会发生弹性散射和非弹性散射两种情况。弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，光子与物质分子的碰撞不发生能量交换，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，光子与物质分子的碰撞过程中，将一部分能量给予分子或从分子处得到能量，统称为拉曼效应。 拉曼光谱是研究分子振动的一种光谱方法 ,与红外光谱具有不同的原理和机制 ,类似的结构信息 ,可以用来鉴定分子中存在的官能团，检测物质分子的振动和转动能级，这两种光谱俗称姊妹谱。红外光谱是单光子吸收过程，它取决于分子的偶极矩变化 ,而拉曼光谱则可以看成是一种吸收-发射的双光子过程，由分子极化率变化诱导的 ,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是相互补充、相互配合的。拉曼光谱能很好地表现一些在红外光谱仪中无法检测的信息。拉曼效应用虚的上能级概念表示为：

图1.1 拉曼效应

1.2拉曼光谱检测原理

拉曼（Raman ）过程就是光被分子的非弹性散射过程，非弹性散射过程是两个碰撞体之间有能量传递的一种散射，在Raman 散射中，光可能通过使分子的一个或几个（转动的或振动的）简正方式激发而将能量传给分子，也可以从分子已激发的简正方式获得能量。由于分子的内简正方式是量子化的，所以传递的能量被限定为一定的份额，从而散射光中包含一些与入射频率偏离若干分立量的频率成分，检测和记录这种散射光的频率组成就构成了该物质的拉曼光谱。

拉曼光谱基于一种光的散射现象，频率为v 0 光进入介质时，除被介质吸收、反射和透射外，还有一部分偏离主要的传播方向，这种现象称为光散射，散射光按频率分为三类：

（1）频率仍为v 0 （波数变化错误！未找到引用源。） 称为瑞利(Rayleigh)散射.

（2）频率改变较大（错误！未找到引用源。）称为拉曼散射，是1928年印度科学家发现的。

（3）频率改变很小（错误！未找到引用源。 ）称为布里渊（Brillouin ）散射. 这三类散射光的强度差别很大，瑞利散射最强，一般为入射光强的错误！未找到引用源。数量级; 拉曼散射最弱，最强的拉曼线也只有瑞利散射强度的错误！未找到引用源。 数量级，为入射光强的错误！

未找到引用源。

数量级。

图1.2 瑞利散射和拉曼散射的能量转移图

拉曼散射光频率v 相对于入射光频率错误！未找到引用源。的偏移，即拉曼光谱的频移错误！未找到引用源。v ，是拉曼光谱的一个重要特征量。拉曼散射的频移量多数在错误！未找到引用源。之间，这是因为拉曼散射是由于分子振动能态间的跃迁造成的，用能级概念很容易说明生产拉曼频移的定性图像。错误！未找到引用源。分别表示两个振动能级。如果错误！未找到引用源。为振动基态，由于入射光子错误！未找到引用源。与分子的作用，使分子从低振动能级跃迁到较高的中间能态，再从中间能态回到较低的振动能态，光子不但改变了方向，而且能量也发生变化。根据能量守恒原理得到

错误！未找到引用源。

如果分子起始时已经处于激发态错误！未找到引用源。，同理有

在拉曼光谱中，把错误！未找到引用源。分别称为斯托克斯（Stokes ）线和反斯托克斯（Anti-Stokes ）线。拉曼光谱图中以错误！未找到引用源。为坐标原点，以错误！未找到引用源。为横坐标，并把斯托克斯线的频移算作正的，则拉普线的位置与错误！未找到引用源。无关，而斯托克斯线的位置对于坐标原点是对称的。

1.3拉曼谱图包含信息

拉曼光谱的横坐标：拉曼位移(cm) 或波数，即入射光与散射光的频率差；它与物质结构成份相关，和入射光频率（波长）无关，可以给出物质特定的结构信息。拉曼光谱的纵标：光子计数(cnt)或每秒光子计数(cnt/sec)，表征信号的强度。拉曼频率：提供物质的组成、结构、形态。拉曼峰强度：正比于浓度。

[22]-1

图 1.3 拉曼光谱示例图

2. 拉曼光谱检测与预处理

2.1实验材料

实验样品：新鲜的苹果、猕猴桃。

实验农药：1. 江苏克胜集团股份有限公司市售可湿性粉剂蚜实净（有效成分10%）

2. 山东邹平农药有限公司市售可湿性粉剂哒螨灵（有效成分20%）。

2.2实验仪器

1. 本实验用的是共焦显微拉曼光谱仪，仪器的光路结构如图 3-1 所示：

图2.1 共聚焦拉曼光谱仪光路示意图

2.激光首先通过扩束器，再经过两块反射镜到达滤光片，干涉滤光片滤去光源中非激光频率的大部分光能，使得频率等于入射激光频率的光绝大多数能被反射，此后被显微镜内部反射，由物镜聚焦至待测样品表面. 反射光线、散射光连同其它杂散光一起沿着相反的方向返回到瑞利滤波片上，其中激光线以及靠近激光频率的瑞利散射光和杂散光被瑞利滤波片所阻挡不能透过，而拉曼散射光可以通过，再经过由狭缝和光栅组成的单色仪被 CCD 探测器接收，通过信号处理系统后得到样品的拉曼光谱。

2.3实验内容

(1) 洗濯水果时，先用净水冲，然后用纯净水洗，干净的吸水纸吸干净水果表面的水滴。用干净的小刀和镊子在水果表皮上撕取一小片面积约1错误！未找到引用源。2cm 的果皮若干片，用透明胶带固定在载玻片上。

(2) 以蒸馏水作为溶剂，以所购买的蚜实净和哒螨灵农药粉剂作为溶质，分别按照25 mg/kg、50mg/kg 浓度配制两种不同浓度的蚜实净试剂，80mg/kg、100mg/kg浓度配制两种不同浓度的哒螨灵试剂装于试剂瓶中，贴上浓度标签，如蚜实净 25mg/Kg。

(3) 将不同浓度的蚜实净和哒螨灵溶液用医用一次性注射器依次滴涂于己经撕取下来的水果表皮上标签纸贴在载玻片一侧注明，如蚜实净 25mg/Kg，表示水果表皮有浓度为25mg/Kg的蚜实净农药，然后自然晾干。

(4) 设置拉曼光谱仪的参数。该仪器光谱覆盖范围1100~4200cm，分辨率2cm ，设置激光波长为785nm ，光栅1200。

(5) 将被测样品置于载物台上，先采集蚜实净、哒螨灵样品和干净水果表皮样品的拉曼光谱，然后按照编号在水果表皮上依次滴上一滴（错误！未找到引用源。）不同浓度的农药溶液，晾干后至于载物台上进行拉曼光谱的采集。

(6) 对采集到的拉曼谱图进行处理，并进行谱图分析。

2.4拉曼光谱预处理

采集到的原始拉曼光谱，除了拉曼信号之外，还包括有部分荧光背景和噪声，经过一系列的预处理。最后，每一个减去了背景的拉曼光谱用600 到 1700cm−曲线下的面积进行归一化处理，便于比较不同样本之间的光谱形状和谱峰的相对强度，减小误差。

图3.3、3.4显示了原始光谱与经过预处理后的光谱之间的对比。从图中可以看出，经过预处理后的光谱更统一、更清晰，有利于在相同的标准下比较光谱的差异，对于后续对数据的多元统计分析也有很重要的意义。

1-1

图2.2 原始苹果光谱与经过预处理后的苹果光谱之间的对比

图2.3 原始猕猴桃光谱与经过预处理后的猕猴桃光谱之间的对比

3. 结果分析

3.1原药拉曼光谱分析

（1）蚜实净原药拉曼光谱分析

蚜实净（含10%吡虫啉成分），吡虫啉是可杀死绝大多数蔬菜、果树、茶叶和花卉上害虫的烟碱类超高效杀虫剂。害虫接触药剂后，中枢神经传导受阻，导致麻痹死亡。产品速效性好，药后1天就有较高的防效。药效和温度呈正相关关系，温度越高，杀虫效果越好。为了获得蚜实净的特征拉曼峰，首先对这种农药的原药（10%吡虫啉）进行检测，得到拉曼光谱图如图3.1所示。

3.1蚜实净拉曼光谱图

（2）哒螨灵原药拉曼谱分析

哒螨灵为触杀性杀螨剂，能有效防治柑橘与棉花红蜘蛛、苹果叶螨、花卉螨虫和红蜘蛛等的整个生长期的幼卵、幼螨、若螨和成螨。为了获得哒螨灵的特征拉曼峰，首先对这种农药的原药（20%）进行检测，得到拉曼谱如图3.2所示。

图3.2 哒螨灵拉曼光谱图

3.2无农药水果拉曼谱分析

为了获得水果的特征拉曼峰，首先对无农药的水果样品进行检测，得到苹果和猕猴桃的拉曼光谱图如图3.3和3.4所示。

3.3苹果无农药拉曼光谱图

图3.4 猕猴桃无农药拉曼光谱图

对原药蚜实净和哒螨灵的拉曼光谱、无药苹果表皮和无药猕猴桃表皮的拉曼光谱进行特征峰位标注，分析四幅图中标注的峰值可知，四者拉曼光谱图的拉曼位移有明显的不同，蚜实净、哒螨灵拉曼位移相对丰富，苹果表面无残留农药的拉曼显现位移在685、879、1157、1306、1441、1527、1608、1656cm

-1-1处相对明显，猕猴桃表面无残留农药的拉曼显现位移在744、836、989、1162、1309、1453cm 处相对明

显。查阅文献可得不同峰值对应不同物质。

3.3苹果表面不同浓度的农药拉曼光谱分析

（1）苹果表面不同浓度蚜实净的拉曼光谱分析

针对苹果表皮上的蚜实净进行检测，预处理后得到光谱图如3.5所示，图中的实线光谱为高浓度蚜实净农药，虚线为低浓度蚜实净农药。

图3.5 苹果不同浓度蚜实净拉曼光谱图

由图3.5可以看出，喷洒不同浓度蚜实净苹果的拉曼峰值都出现在686 cm、854 cm、1157 cm、1306 cm 、1440 cm 、1528 cm 、1610 cm 、1656 cm 处，不同点在于喷洒了高浓度蚜实净的光谱在600错误！未找到引用源。1000 cm 范围内强度略微高于喷洒低浓度的，在1000错误！未找到引用源。1700cm 范围内强度略微低于喷洒低浓度的。 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

（2）苹果表面不同浓度哒螨灵的拉曼光谱分析

针对苹果表皮上的哒螨灵进行检测，预处理后得到光谱图如3.6所示，图中的实线光谱为高浓度哒螨灵农药，虚线为低浓度哒螨灵农药。

图3.6苹果不同浓度哒螨灵拉曼光谱图

由图3.6可以看出，喷洒不同浓度哒螨灵苹果的拉曼峰值都出现在686 cm、833cm 、1157 cm、1296 cm、1440 cm、1524 cm、1607 cm处，不同点在于喷洒了高浓度哒螨灵的光谱在600错误！未找到引用源。1300 cm 内强度明显高于喷洒低浓度的，在1300错误！未找到引用源。1700cm 范围内强度大致相等。

（3）苹果有高浓度蚜实净、高浓度哒螨灵与无农药拉曼光谱分析

-1-1-1-1-1-1-1-1-1

3.7苹果有高浓度蚜实净与无农药拉曼光谱图

3.8苹果有高浓度哒螨灵与无农药拉曼光谱图

图3.7 、图3.8显示了位于600错误！未找到引用源。1700 cm 内的拉曼光谱。在600错误！未找到引用源。750 cm 范围内，可以看出有蚜实净农药和无农药的苹果在685 cm 附近都出现了一个拉曼峰，且强度相当，可能由环DNA 碱基呼吸模式的拉曼散射产生；有哒螨灵农药和无农药的苹果在695 cm 附近都出现了一个拉曼峰，但无农药光谱强度明显高于有哒螨灵农药的，可能由反式氨基酸蛋氨酸的拉曼散射产生。在750错误！未找到引用源。1200 cm内，无农药苹果的拉曼峰出现在879 cm和1157 cm

-1-1

-1-1-1-1-1-1-1-1处，而有蚜实净农药的拉曼峰出现在854 cm处，有哒螨灵农药的拉曼峰仅出现在833 cm处，且强度都明显低于无农药的。在1200错误！未找到引用源。1700 cm 范围内，有农药和无农药的苹果都在1157

cm 、1306 cm 、1527cm 、1608cm 、1656cm 附近出现了拉曼峰，且无农药苹果的峰值强度明显高于有农药的，说明喷洒农药的苹果所含的营养物质含量降低。

3.4猕猴桃表面不同浓度蚜实净的拉曼光谱分析

（1）猕猴桃表面不同浓度蚜实净的拉曼光谱分析

针对猕猴桃表皮上的蚜实净进行检测，预处理后得到光谱图如3.9所示，图中的实线光谱为高浓度蚜实净农药，虚线为低浓度蚜实净农药。

-1-1-1-1-1

图3.9 猕猴桃不同浓度蚜实净拉曼光谱图

（2）猕猴桃表面不同浓度哒螨灵的拉曼光谱分析

检测猕猴桃表皮上的哒螨灵，经过预处理后得到光谱图如3.10所示，图中的实线光谱为高浓度哒螨灵农药，虚线为低浓度农药。

3.10猕猴桃不同哒螨灵实净拉曼光谱图

由图3.10可以得，喷洒不同浓度蚜实净猕猴桃的拉曼峰值都出现在740cm 、831 cm、986 cm、1169 cm、1308 cm、1450 cm、1586 cm处，不同点在于喷洒了高蚜实净的光谱明显强于喷洒低浓度的。 由图3.9可以得，喷洒不同浓度蚜实净猕猴桃的拉曼峰值都出现在733cm 、830 cm、986 cm、1308 cm、1450 cm、1600 cm处，不同点在于喷洒了高蚜实净的光谱明显强于喷洒低浓度的。

(3)猕猴桃有高浓度蚜实净、高浓度哒螨灵与无农药拉曼光谱分析

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

3.11猕猴桃有高浓度蚜实净与无农药拉曼光谱图

3.12猕猴桃有高浓度哒螨灵与无农药拉曼光谱图

图3.11、图3.12显示了位于600错误！未找到引用源。1700 cm内的拉曼光谱。在600错误！未找到引用源。1200 cm 范围内，无农药猕猴桃拉曼峰出现在744 cm 、836 cm 、989 cm、1162 cm 处，而有高浓度蚜实净的猕猴桃拉曼峰则出现在733 cm、830 cm、986 cm处，有高浓度蚜实净的猕猴桃拉曼峰出现在740 cm 、831 cm 、986 cm 、1169cm 处，且强度都明显低于无农药猕猴桃拉曼光谱的强度，说明喷洒农药的猕猴桃果皮所含的营养物质含量明显降低。在1200错误！未找到引用源。1700 cm

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1范围内，无农药猕猴桃的拉曼峰出现在1309 cm 、1453 cm 处，而有高浓度农药的猕猴桃的拉曼峰则出

现在1308 cm、1450 cm、1586 cm处，且强度都略低于无农药猕猴桃拉曼光谱。

4. 总结

通过拉曼效应基本理论了解到拉曼光谱检测法不仅具有检测范围广、能够快速、无损、简单、环保的特点，还能够现场远程实时检测。因此本文以苹果和猕猴桃为研究对象，以蚜实净和哒螨灵两种农药为检测对象，应用拉曼光谱检测技术，对这两种农药在水果上的残留进行了实验研究:

（1）在一定范围内，无农药苹果的拉曼峰值强度高于有农药的，说明喷洒农药的苹果所含的营养物质含量降低。分析得，在879 cm附近的拉曼峰可能源自于羟脯氨酸和色氨酸，在854 cm处的拉曼峰可能由果胶、多糖和蛋白质的散射产生，在833 cm 处的拉曼峰可能由不对称O-P-O 拉伸和酪氨酸的散射产生。在1157 cm处的拉曼峰是由面内的共轭=C-C =散射产生。

（2）在一定范围内，无农药猕猴桃拉曼峰值强度都低于无农药猕猴桃拉曼光谱，说明喷洒农药的猕猴桃果皮所含的营养物质含量明显降低。分析得出，在733 cm 处出现的峰与磷脂酰丝氨酸有关，在740 cm 处出现的拉曼峰与对称呼吸色氨酸有关，在744 cm 处出现的峰可能由色氨酸的散射产生，在830 cm

-1

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1处的峰可能与脯氨酸、羟脯氨酸、酪氨酸有关，，在831 cm-1处出现的拉曼峰可能与不对称O-P-O 拉伸和酪氨酸有关，在836 cm 处的峰可能与变形的胺组的振动有关，在986 cm处的拉曼峰可能与蛋白质、苯丙氨酸有关，在989 cm 处出现的峰源自于苯丙氨酸的散射，在1162 cm 处出现的拉曼峰是由酪氨酸

(胶原蛋白I 型) 的散射产生。 -1

参考文献:

【1】（英）P.W. 阿特金斯. 量子物质结构概念手册[M].北京：科学出版社.1986.349-358.

【2】夏学江，史斌星. 量子物理[M].北京：清华大学出版社.1982.329-341.

【3】 王敏超, 马艳. 食品农药残留快速检测技术研究进展[J]. 城市建设理论研究. 2013. (24):

2019-2104.

【4】W.H. 路易赛尔. 辐射的量子统计性质[M].北京：科学出版社.1982.358-362.

【5】浙江大学陆维敏, 陈芳. 谱学基础与结构分析[M].北京：高等教育出版社.2005.5.33-39.

【6】戴道宣, 戴乐山主编. 《近代物理实验》第二版[M].北京：高等教育出版社.2006.7.227-241.

【7】马洪良等编著. 《近代物理实验 mordern physicl experiments》[M].上海：上海大学出版社2005.11.103-107

【8】崔执凤主编. 安徽省高校重点课程建设教材JINDAI WULI SHIYAN 《近代物理实验》[M].合肥：

安徽人民出版社。2006.30-34.

【9】蔡会敏. 液相色谱法测定蔬菜及水果中的吡虫啉残留量[J]. 农家科技, 2014, (11): 99-99.

【10】Jiaming, Chen1, 2;Youju, Huang2(, yjhuang@nimte, ac, cn);Kannan, Palanisamy3;Lei, Zhang2;Zhenyu, Lin1;Jiawei, Zhang2;Tao, Chen2(, tao, chen@nimte, ac, cn);Longhua, Guo1(, guolh@fzu, edu, cn). Flexible and Adhesive Surface Enhance Raman Scattering Active Tape for Rapid Detection of Pesticide Residues in Fruits and Vegetables[J]. Analytical Chemistry, 2016, 88(4): 2149-2155

【11】郭浪花，彭彦昆，李永玉. 利用拉曼光谱技术识别溴氰菊酯和啶虫脒农药的研究[J].食品安全质量检测学报，2014，5(3)：697-702.

【12】黄勇平, 李鹏, 张春冬, 陈丽君, 黎霞. 15％哒螨灵乳油的气相色谱测定分析[J]. 分析测试技术与仪器, 2012, (1): 44-46.

【13】Talari , Abdullah, Chandra, Sekhar ; Movasaghi , Zanyar ; Rehman , Shazza ; Rehman , Ihtesham, ur. Raman Spectroscopy of Biological Tissues[J].Applied Spectroscopy Reviews, 2015, 50(1): 46-111.

【14】刘涛. 水果表面农药残留快速检测方法及模型研究[D].华东交通大学，2011.

【15】唐慧容. 银溶胶表面增强拉曼光谱(SERS)定性和定量分析农药残留的方法研究[D]华东理工大学，2

012.

【16】何军，马志卿，张兴. 农药残留对农业的影响及对策[J].西北农业学报，2006，15(6)：240-243.

【17】 戴修纯, 徐汉虹, 王佛娇. 我国农药残留检测现状与发展方向[J]. 广东农业科学, 2006, (5):

117-119.

【18】万常斓. 水果农药残留拉曼光谱检测方法研究[D]. 南昌:刘燕德, 2013.

【19】 李晓婷，王纪华，朱大洲，等. 果蔬农药残留快速检测方法研究进展[J]农业工程学报，2011,27

(S2)：363-367.

Laser Raman effect and application example

Abstract : This paper introduces the basic theory, the development course and technical characteristics of Raman effect, and states the information included by Raman spectra as well as analysis process of Raman

spectroscopy quantitative detection. Put apple and kiwi fruit as the research object, aphid real net and dalai mite spirit of pesticide as detection object, test the application of Raman spectroscopy detection technology research.

Key words : Raman spectrum ， Apple ，Kiwi fruit, Aphid real net ，Pyridaben