分析思考拉曼光譜在DNA、蛋白質(zhì)檢測及墨跡鑒定中的應(yīng)用

李星亮

拉曼光譜是一種可以通過定性分析，對氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種物質(zhì)進行準(zhǔn)備判斷性質(zhì)屬性的一種技術(shù)。這種技術(shù)由于其特性，被廣泛應(yīng)用在證物鑒定方面，由于其在鑒定證物方面的簡單有效，加強對拉曼光譜技術(shù)進行深入研究十分必要。本文主要通過利用拉曼光譜原理對不同環(huán)境下的DNA、蛋白質(zhì)以及墨跡進行研究分析，探究拉曼光譜技術(shù)的作用效果。

拉曼光譜簡述

光散射現(xiàn)象在自然界當(dāng)中經(jīng)常會見到，也就是一束光線在照射到介質(zhì)環(huán)境上時，絕大多數(shù)的光線會被介質(zhì)環(huán)境通過反射或者是透射的方式釋放出去。但是同樣還有一部分的光線會被散射到宇宙空間當(dāng)中。天空呈現(xiàn)出藍(lán)色的情況，早晚天空會有紅霞以及大海出現(xiàn)深藍(lán)色的場景，瑞利散射已經(jīng)詮釋了這些由于大氣、海洋對陽光造成的現(xiàn)象。當(dāng)然，散射現(xiàn)象并不只有這一種，同樣受到空氣中存在的不均勻的顆粒或者介質(zhì)引起的散射被稱為丁鐸爾散射。其與前者瑞利散射在頻率以及入射光頻率上基本相同。除此之外，德國的著名科學(xué)家Smeka 在其理論中成功的預(yù)言了光具有非彈性散射的理論。而印度的著名物理學(xué)家Raman則在其論文中提及了非彈性散射，而后又在反復(fù)的實驗當(dāng)中成功證明了這種非彈性散射現(xiàn)象。Raman 將這種非彈性的散射現(xiàn)象稱為彈性碰撞和非彈性碰撞。在1928年的時候，Raman 首先在液態(tài)苯當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了非彈性散射。之后俄國科學(xué)家LARDSBERG 以及Mande 同樣在石英當(dāng)中也發(fā)現(xiàn)了這種光的散射現(xiàn)象。并將其命名為聯(lián)合散射光譜。法國科學(xué)家CAB 進一步證實了Raman 的理論和實驗結(jié)果。Ps 并對Raman 的發(fā)現(xiàn)撰文加以論述，分析和研究了Raman 的發(fā)現(xiàn)，并稱這種現(xiàn)象為Raman 效應(yīng)。隨后有關(guān)于Raman 效應(yīng)的論文陸續(xù)發(fā)表。在之后的兩年時間當(dāng)中又陸續(xù)有近175 篇論文發(fā)表，內(nèi)容全部是關(guān)于Raman 效應(yīng)的。Raman 也因此得到了諾貝爾物理學(xué)獎，這也是亞洲獲得的首個諾貝爾科學(xué)獎項。散射輻射光譜系統(tǒng)中，除了具有與入射光線頻率相同的散射光線之外，還存在更多的光線譜系。R 散射光線產(chǎn)生是因為分析發(fā)生震動引起的散射。這種發(fā)現(xiàn)同樣被稱為了拉曼線或者是拉曼帶。綜合起來，這種光譜就被成為了拉曼光譜。這是一種絕對波數(shù)小于入射波數(shù)的一種斯托克斯帶。相反則被稱為反斯托克斯帶。

拉曼散射理論中的量子理論分析

現(xiàn)在，假設(shè)單色光在作用于分析的過程中，頻率表示為V。那么單色光作用下的分析可能出現(xiàn)彈性碰撞或者是非彈性碰撞現(xiàn)象?；鶓B(tài)狀態(tài)的分子則會呈現(xiàn)出能量為加的情況。而入射情況下的光子激發(fā)并會躍遷至另外一個受激狀態(tài)。并將能量吸收。

拉曼光譜效應(yīng)主要特征

1）自然界當(dāng)中每一種物質(zhì)或者是分子都會具有屬于自己的拉曼光譜特性。這種拉曼光譜特性可以表示為該種物質(zhì)的表征。

2）一種物質(zhì)的拉曼光譜頻率特征與入射光頻率之間并沒有明顯的關(guān)聯(lián)，因為拉曼散射屬于瞬時的。當(dāng)入射光消失的時候，拉曼散射也會消失。

3）拉曼光譜本身的線寬會很窄，基本上出現(xiàn)的形式是雙數(shù)出現(xiàn)，也就是以正負(fù)頻率出現(xiàn)的。相對于入射光線較短的波長被稱為反斯托克斯線，較長的一邊則被稱為斯托克斯線。

4）拉曼光譜頻率位移發(fā)生時，其數(shù)值往往浮動在0～400 個波束之間。

5）通常情況下，拉曼頻率位移應(yīng)當(dāng)屬于分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)部震動或者是轉(zhuǎn)動的頻率。而有些時候，這種頻率位移則又與紅外吸收光譜之間產(chǎn)生位移上的重疊，前提是波束范圍相同。

圖1 拉曼光譜的散射能力圖

6）從拉曼光譜譜線強弱度以及偏振情況考慮，發(fā)現(xiàn)譜線之間存在著明顯不同的性質(zhì)。

7）量子論中的觀點認(rèn)為拉曼光譜效應(yīng)產(chǎn)生主要是因為光子與分子之間發(fā)生了非彈性的碰撞，進而形成的。物質(zhì)分子在做拉曼散射的過程中，同樣會有一些比拉曼散射更加強的瑞利散射伴隨發(fā)生。這種波長會與入射波長一樣。

8）拉曼散射主要存在于一切事物的分子當(dāng)中。

拉曼光譜實現(xiàn)的技術(shù)特點

1）如果實際工作過程中對測試樣品沒有選擇新要求，那么工作人員既可以選擇液體，固體，同時還可以選擇氣體。如果對樣品量沒有嚴(yán)格要求的話，這種技術(shù)就能夠適用于痕量以及微量的研究。這是其典型優(yōu)勢。

2）樣品無損分析的時候，無論是珍貴樣品還是稀有樣品都是適合包裹體測量的。

3）對于散射樣品通常是可以放在玻璃之城的樣品池中，這是因為在見光區(qū)域拉玻璃是不會吸收拉曼散射光的。

4）水溶液中的樣品可以直接測量，這是因為水本身就是一種拉曼散射很弱的物質(zhì)，在實際測量過程中幾乎可以不用考慮水分子振動對樣品產(chǎn)生的影響。

拉曼光譜的應(yīng)用

DNA 研究中拉曼光譜的應(yīng)用

DNA 在生物遺傳信息中起載體作用，為生物遺傳提供物質(zhì)方面的基礎(chǔ)。DNA 分子的組成：堿基、磷酸和脫氧核糖核。其中堿基又包括以下幾種嘌呤和嘧啶：鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶。目前公認(rèn)的DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)空間構(gòu)型主要包括A、B、C 等。在研究DNA 損傷的影響因素時，需要對紫外線、藥物、溫度、γ 射線和高能質(zhì)子等因素影響下的DNA 進行分子水平上的研究。隨著細(xì)胞研究工作的逐漸滲入，許多專家學(xué)者開始重視DNA拉曼光譜的研究。在DNA 損傷影響因素研究過程中，通過對作用前后的DNA 拉曼光譜分析比較，可獲得DNA如下信息：①整個DNA 骨架震動和轉(zhuǎn)動信息；②A、C、G、T、脫氧核糖信息；③空間構(gòu)型變化信息。

拉曼光譜在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)會不斷同外界進行新陳代謝，它是生命物質(zhì)的基礎(chǔ)。氨基酸首尾相連形成共價多肽鏈，這些共價多肽鏈直接構(gòu)成蛋白質(zhì)分子。對蛋白質(zhì)進行拉曼光譜研究，可得到如下寶貴信息：①蛋白質(zhì)相關(guān)芳香族基團組成氨基酸信息，包括色氨酸吲哚、苯丙氨酸單基取代苯基環(huán)及酪氨酸對羥基環(huán)等信息；②色氨酸吲哚及酪氨酸對羥基環(huán)存在形式隨微環(huán)境變化的相關(guān)信息；③β-折迭、α-螺旋、β-回折和無規(guī)則卷曲等二級結(jié)構(gòu)信息。此外，還可以進一步將溶菌酶用不同PH 值的酸處理，再進行拉曼光譜測試，進而分析酸對蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)和相關(guān)環(huán)境的影響。

拉曼光譜在墨跡鑒定研究中的應(yīng)用

我國近年來民事糾紛和經(jīng)濟犯罪案件有逐漸增多的趨勢，各種重要的檔案或者是證據(jù)都存在著被偽造的可能，票據(jù)、合同、文件、日期以及內(nèi)容是經(jīng)常被偽造的內(nèi)容。這些東西一旦被偽造就會對案件審理造成一定影響，在實際工作過程中為了有效快速準(zhǔn)確地檢驗文件中墨跡的真?zhèn)尉托枰訌妼庾V法的應(yīng)用。當(dāng)前這項技術(shù)在墨跡鑒定中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，同時還取得了良好效果。采用拉曼光譜法可以直接對樣品進行鑒定，鑒定之前無需進行任何處理。這是這種方法的明顯優(yōu)勢。工作人員采用顯微拉曼光譜方式對當(dāng)前市面中常用的三種不同類型筆的墨跡進行了鑒定。這三種筆分別是藍(lán)色圓珠筆、黑色簽字筆以及黑色圓珠筆。通過工作人員的認(rèn)真分析，就會發(fā)現(xiàn)這三種墨跡之間的拉曼譜峰是存在較大差別的。即便是同一類型不同品牌的筆產(chǎn)生的墨跡所具有的拉曼譜峰也是不同的。正是因為具有這樣的特點，實際工作過程中應(yīng)用拉曼光譜法就可以對各種類型不同品牌的墨跡做出科學(xué)地辨別。今后應(yīng)該加強這方面的應(yīng)用。譚紅琳等對市場上常見4 種品牌的碳素筆筆跡采用拉曼光譜法進行了鑒定。實際鑒定過程中譚紅琳等人主要是利用氬離子激光器來進行鑒定處理。這款激光器本身的波長能夠達(dá)到514mm，經(jīng)過專門鑒定，工作人員發(fā)現(xiàn)四種碳素筆的拉曼光譜均呈現(xiàn)出了不同特點。徐徹等則著重對黑色圓珠筆油墨進行了鑒定，在實驗過程中為了證明效果，工作人員選擇了多種激光器來進行鑒定。實驗過程中主要是采用了半導(dǎo)體激光器、氬離子激光器、氦氖激光器。應(yīng)用這三種激光器對3 種筆墨進行鑒定后發(fā)現(xiàn)，3 種黑色圓珠筆油墨拉曼光譜的差別是非常明顯的。

結(jié)語

綜上所述，本文針對拉曼光譜在DNA、蛋白質(zhì)以及墨跡鑒定應(yīng)用問題上進行了簡要的分析，探究了上述三種情況下的拉曼光譜研究。司法鑒定過程中采用拉曼光譜也十分普遍。另外就是民事糾紛案件中經(jīng)常出現(xiàn)的合同、票據(jù)鑒定需要采用拉曼光譜對墨跡進行鑒定，這些都是拉曼光譜的實際應(yīng)用情況分析。因此，大力發(fā)展拉曼光譜研究意義重大。