拉曼光谱的原理和应用

一．拉曼光谱的发展历史

1928年印度科学家拉曼实验发现单色入射光透射到物质中的散射光包含与入射光频率不同的光，即拉曼散射。拉曼因此获得诺贝尔奖。受散射光强度低的影响，拉曼光谱经历30年的应用发展限制期。直到1960年后，激光技术的兴起，拉曼光谱仪以激光作为光源，光的单色性和强度大大提高，拉曼散射信号强度大大提高，拉曼光谱技术才得以迅速发展。每一种物质都有其特征的拉曼光谱，利用拉曼光谱可以鉴别和分析样品的化学成分和分子结构；通过分析物质在不同条件下的系列拉曼光谱，来分析物质相变过程，也可进行未知物质的无损鉴定。拉曼光谱技术可广泛应用于化学、物理、医药、生命科学等领域。

二．拉曼光谱的基本原理

当用单色光照射透明样品是，大部分光透过而小部分会被样品在各个方向上散射。这些光的散射又分为瑞利散射和拉曼散射两种。

2.1瑞利散射和拉曼散射

若光子和样品分子发生弹性碰撞，即光子和分子之间没有能量交换，即光子的能量保持不变，散射光能量和入射光能量相同，但方向可以改变。这种光的弹性碰撞，叫做瑞利散射。当光子和样品分子发生非弹性碰撞时，散射光能量和入射光能量大小不同，光的频率和方向都有所改变，这种光的散射成为拉曼散射。其散射光的强度约占总散射光强度的10^-6～10^-10。拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量。

2.2拉曼散射的产生

拉曼散射的产生可以从光子和样品分子作用时光子发生能级跃迁来解释。样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。样品分子在吸收了光子后，被激发到较高的不稳定的能态（虚态）。

DE=h(n₀ - Dn)，产生stokes线，强，基态分子多；

DE=h(n₀ + Dn)，产生anti-stokes线，弱，因为Stokes线强于Anti-stokes线，在一般拉曼光谱图中只有Stokes线。

2.3拉曼位移

Stokes与Anti-stokes散射光的频率与激发光之间频率的差值ΔV称为拉曼位移。一般stokes散射光比anti-stokes散射光强度大得多，故在拉曼光谱分析中通常测定stokes散射光线。对同一物质，拉曼位移与入射光频率无关，取决于分子振动能级的变化，不同的化学键或基态有不同的振动方式，决定了其能级间的能量变化，与之对应的拉曼位移是特征的。这是拉曼光谱进行分子结构定性分析的理论依据。

三、拉曼光谱仪

由散射光相对于入射光频率位移与散射光强度形成的光谱称为拉曼光谱（RS）。而拉曼光谱仪一般由光源、外光路、色散系统、及信息处理与显示系统五部分组成。其仪器机构如下图所示：

拉曼光谱仪器结构图

四、拉曼光谱测定实验技术

4.1样品的准备

检测拉曼光谱时一般不需要制备样品，特别是带有显微镜的激光拉曼光谱仪。在检测时，样品是固体，只需要将样品直接放在测样品台上进行测试。如果是液体样品并且是易挥发的，可先将其倒入一个无色透明的玻璃瓶，盖好瓶盖，然后放在测样品台上进行检测。如果液体样品是不易挥发的，可将其倒入一个小的培养皿中，再放在测样品台上进行检测。

4.2分子骨架、基团的定性分析技术

拉曼光谱研究对称分子的非极性基团或分子骨架振动产生谱带的情况。主要用来鉴别化学物质的种类、特殊的结构特征或特征基团，它与红外吸收光谱互为补充。拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是鉴定化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为分子异构体判断的依据。

对于像S-S、C=C、N=N、C=S、C-C、CºC等这类基团，如果分子中这类基团的环境接近对称，他的振动在红外吸收光谱中极为微弱，但可用拉曼光谱检测。另外，拉曼光谱是检测环状化合物的有力工具。利用拉曼光谱的标准谱图或利用拉曼光谱标准谱库的检索功能，对未知物拉曼光谱图进行比对，也是拉曼光谱定性分析的一个重要手段。

4.3表面分子结构分析技术

当一些分子被吸附在某些粗糙金属表面时，它们的拉曼光谱强度会增加10⁴~10⁶倍，即表面增强拉曼散射效应（SERS）。利用此技术，能检测吸附在金属表面的单分子层和亚单分子层的分子，给出表面分子的结构信息。高灵敏度拉曼光谱检测技术，也可用来研究分子的吸附动力学，利用SERS强度随时间变化的关系，得到吸附速率常数等数据。

当具有共振拉曼效应的分子吸附在粗糙化的金属表面时，其拉曼信号也能被增强到100~1000倍，即表面增强共振拉曼散射（SERRS）。SERRS常被用于受荧光干扰的化合物的拉曼检测，当该化合物分子吸附到粗糙化的金属表面时，其荧光会被猝灭，很容易得到高质量的SERRS光谱图。

4.4深度扫描技术

利用拉曼光谱仪的数字化显微共聚焦技术，可以检测一些复合材料的深度分布和材料性质。

4.5拉曼光谱仪的mapping检测技术

利用拉曼光谱仪的自动操作平台，可以检测样品表面物质分布情况。检测时先对被检测样品表面进行逐点扫描，选择特征拉曼谱线，最后进行图像处理。该技术可应用于高分子材料的应力检测、催比剂表面的吸附情况等。制药行业检测某一药片上的药和辅药的分布，鉴定药物质量，决定药效。