拉曼光譜的原理和應(yīng)用

一．拉曼光譜的發(fā)展歷史

1928年印度科學(xué)家拉曼實驗發(fā)現(xiàn)單色入射光透射到物質(zhì)中的散射光包含與入射光頻率不同的光，即拉曼散射。拉曼因此獲得諾貝爾獎。受散射光強(qiáng)度低的影響，拉曼光譜經(jīng)歷30年的應(yīng)用發(fā)展限制期。直到1960年后，激光技術(shù)的興起，拉曼光譜儀以激光作為光源，光的單色性和強(qiáng)度大大提高，拉曼散射信號強(qiáng)度大大提高，拉曼光譜技術(shù)才得以迅速發(fā)展。每一種物質(zhì)都有其特征的拉曼光譜，利用拉曼光譜可以鑒別和分析樣品的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)；通過分析物質(zhì)在不同條件下的系列拉曼光譜，來分析物質(zhì)相變過程，也可進(jìn)行未知物質(zhì)的無損鑒定。拉曼光譜技術(shù)可廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、醫(yī)藥、生命科學(xué)等領(lǐng)域。

二．拉曼光譜的基本原理

當(dāng)用單色光照射透明樣品是，大部分光透過而小部分會被樣品在各個方向上散射。這些光的散射又分為瑞利散射和拉曼散射兩種。

2.1瑞利散射和拉曼散射

若光子和樣品分子發(fā)生彈性碰撞，即光子和分子之間沒有能量交換，即光子的能量保持不變，散射光能量和入射光能量相同，但方向可以改變。這種光的彈性碰撞，叫做瑞利散射。當(dāng)光子和樣品分子發(fā)生非彈性碰撞時，散射光能量和入射光能量大小不同，光的頻率和方向都有所改變，這種光的散射成為拉曼散射。其散射光的強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的10^-6～10^-10。拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換，改變了光子的能量。

2.2拉曼散射的產(chǎn)生

拉曼散射的產(chǎn)生可以從光子和樣品分子作用時光子發(fā)生能級躍遷來解釋。樣品分子處于電子能級和振動能級的基態(tài)，入射光子的能量遠(yuǎn)大于振動能級躍遷所需要的能量，但又不足以將分子激發(fā)到電子能級激發(fā)態(tài)。樣品分子在吸收了光子后，被激發(fā)到較高的不穩(wěn)定的能態(tài)（虛態(tài)）。

DE=h(n₀ - Dn)，產(chǎn)生stokes線，強(qiáng)，基態(tài)分子多；

DE=h(n₀ + Dn)，產(chǎn)生anti-stokes線，弱，因為Stokes線強(qiáng)于Anti-stokes線，在一般拉曼光譜圖中只有Stokes線。

2.3拉曼位移

Stokes與Anti-stokes散射光的頻率與激發(fā)光之間頻率的差值ΔV稱為拉曼位移。一般stokes散射光比anti-stokes散射光強(qiáng)度大得多，故在拉曼光譜分析中通常測定stokes散射光線。對同一物質(zhì)，拉曼位移與入射光頻率無關(guān)，取決于分子振動能級的變化，不同的化學(xué)鍵或基態(tài)有不同的振動方式，決定了其能級間的能量變化，與之對應(yīng)的拉曼位移是特征的。這是拉曼光譜進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)定性分析的理論依據(jù)。

三、拉曼光譜儀

由散射光相對于入射光頻率位移與散射光強(qiáng)度形成的光譜稱為拉曼光譜（RS）。而拉曼光譜儀一般由光源、外光路、色散系統(tǒng)、及信息處理與顯示系統(tǒng)五部分組成。其儀器機(jī)構(gòu)如下圖所示：

拉曼光譜儀器結(jié)構(gòu)圖

四、拉曼光譜測定實驗技術(shù)

4.1樣品的準(zhǔn)備

檢測拉曼光譜時一般不需要制備樣品，特別是帶有顯微鏡的激光拉曼光譜儀。在檢測時，樣品是固體，只需要將樣品直接放在測樣品臺上進(jìn)行測試。如果是液體樣品并且是易揮發(fā)的，可先將其倒入一個無色透明的玻璃瓶，蓋好瓶蓋，然后放在測樣品臺上進(jìn)行檢測。如果液體樣品是不易揮發(fā)的，可將其倒入一個小的培養(yǎng)皿中，再放在測樣品臺上進(jìn)行檢測。

4.2分子骨架、基團(tuán)的定性分析技術(shù)

拉曼光譜研究對稱分子的非極性基團(tuán)或分子骨架振動產(chǎn)生譜帶的情況。主要用來鑒別化學(xué)物質(zhì)的種類、特殊的結(jié)構(gòu)特征或特征基團(tuán)，它與紅外吸收光譜互為補(bǔ)充。拉曼位移的大小、強(qiáng)度及拉曼峰形狀是鑒定化學(xué)鍵、官能團(tuán)的重要依據(jù)。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為分子異構(gòu)體判斷的依據(jù)。

對于像S-S、C=C、N=N、C=S、C-C、CoC等這類基團(tuán)，如果分子中這類基團(tuán)的環(huán)境接近對稱，他的振動在紅外吸收光譜中極為微弱，但可用拉曼光譜檢測。另外，拉曼光譜是檢測環(huán)狀化合物的有力工具。利用拉曼光譜的標(biāo)準(zhǔn)譜圖或利用拉曼光譜標(biāo)準(zhǔn)譜庫的檢索功能，對未知物拉曼光譜圖進(jìn)行比對，也是拉曼光譜定性分析的一個重要手段。

4.3表面分子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

當(dāng)一些分子被吸附在某些粗糙金屬表面時，它們的拉曼光譜強(qiáng)度會增加10⁴~10⁶倍，即表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)（SERS）。利用此技術(shù)，能檢測吸附在金屬表面的單分子層和亞單分子層的分子，給出表面分子的結(jié)構(gòu)信息。高靈敏度拉曼光譜檢測技術(shù)，也可用來研究分子的吸附動力學(xué)，利用SERS強(qiáng)度隨時間變化的關(guān)系，得到吸附速率常數(shù)等數(shù)據(jù)。

當(dāng)具有共振拉曼效應(yīng)的分子吸附在粗糙化的金屬表面時，其拉曼信號也能被增強(qiáng)到100~1000倍，即表面增強(qiáng)共振拉曼散射（SERRS）。SERRS常被用于受熒光干擾的化合物的拉曼檢測，當(dāng)該化合物分子吸附到粗糙化的金屬表面時，其熒光會被猝滅，很容易得到高質(zhì)量的SERRS光譜圖。

4.4深度掃描技術(shù)

利用拉曼光譜儀的數(shù)字化顯微共聚焦技術(shù)，可以檢測一些復(fù)合材料的深度分布和材料性質(zhì)。

4.5拉曼光譜儀的mapping檢測技術(shù)

利用拉曼光譜儀的自動操作平臺，可以檢測樣品表面物質(zhì)分布情況。檢測時先對被檢測樣品表面進(jìn)行逐點掃描，選擇特征拉曼譜線，最后進(jìn)行圖像處理。該技術(shù)可應(yīng)用于高分子材料的應(yīng)力檢測、催比劑表面的吸附情況等。制藥行業(yè)檢測某一藥片上的藥和輔藥的分布，鑒定藥物質(zhì)量，決定藥效。