拉曼光譜儀的基本原理

一、基本原理

當一束頻率為v0的單色光照射到樣品上后，分子可以使入射光發生散射。大部分光只是改變方向發生散射，而光的頻率仍與激發光的頻率相同，這種散射稱為瑞利散射；約占總散射光強度的 10-6～10-10的散射，不僅改變了光的傳播方向，而且散射光的頻率也改變了，不同于激發光的頻率，稱為拉曼散射。拉曼散射中頻率減少的稱為斯托克斯散射，頻率增加的散射稱為反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射強得多，拉曼光譜儀通常測定的大多是斯托克斯散射，也統稱為拉曼散射。

散射光與入射光之間的頻率差v稱為拉曼位移，拉曼位移與入射光頻率無關，它只與散射分子本身的結構有關。拉曼散射是由于分子極化率的改變而產生的。拉曼位移取決于分子振動能及的變化，不同化學鍵或基團有特征的分子振動，ΔE反映了指定能級的變化，因此與之對應的拉曼位移也是特征的。這是拉曼光譜可以作為分子結構定性分析的依據。

二、應用

拉曼光譜技術以其信息豐富，制樣簡單，水的干擾小等獨特的優點，在化學、材料、物理、高分子、生物、醫藥、地質等領域有廣泛的應用。

1、拉曼光譜在化學研究中的應用

拉曼光譜在有機化學方面主要是用作結構鑒定和分子相互作用的手段，它與紅外光譜互為補充，可以鑒別特殊的結構特征或特征基團。拉曼位移的大小、強度及拉曼峰形狀是鑒定化學鍵、官能團的重要依據。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為分子異構體判斷的依據。在無機化合物中金屬離子和配位體間的共價鍵常具有拉曼活性，由此拉曼光譜可提供有關配位化合物的組成、結構和穩定性等信息。另外，許多無機化合物具有多種晶型結構，它們具有不同的拉曼活性，因此用拉曼光譜能測定和鑒別紅外光譜無法完成的無機化合物的晶型結構。

在催化化學中，拉曼光譜能夠提供催化劑本身以及表面上物種的結構信息，還可以對催化劑制備過程進行實時研究。同時，激光拉曼光譜是研究電極/溶液界面的結構和性能的重要方法，能夠在分子水平上深入研究電化學界面結構、吸附和反應等基礎問題并應用于電催化、腐蝕和電鍍等領域。

2、拉曼光譜在高分子材料中的應用

拉曼光譜可提供聚合物材料結構方面的許多重要信息。如分子結構與組成、立體規整性、結晶與去向、分子相互作用，以及表面和界面的結構等。從拉曼峰的寬度可以表征高分子材料的立體化學純度。如無規立場試樣或頭-頭，頭-尾結構混雜的樣品，拉曼峰是弱而寬，而高度有序樣品具有強而尖銳的拉曼峰。研究內容包括：

（1）化學結構和立構性判斷：高分子中的C＝C、C-C、S-S、C-S、N-N等骨架對拉曼光譜非常敏感，常用來研究高分子的化學組份和結構。

（2）組分定量分析：拉曼散射強度與高分子的濃度成線性關系，給高分子組分含量分析帶來方便。

（3）晶相與無定形相的表征以及聚合物結晶過程和結晶度的監測。

（4）動力學過程研究：伴隨高分子反應的動力學過程如聚合、裂解、水解和結晶等。相應的拉曼光譜某些特征譜帶會有強度的改變。

（5）高分子取向研究：高分子鏈的各向異性必然帶來對光散射的各向異性，測量分子的拉曼帶退偏比可以得到分子構型或構象等方面的重要信息。

（6）聚合物共混物的相容性以及分子相互作用研究。

（7）復合材料應力松弛和應變過程的監測。

（8）聚合反應過程和聚合物固化過程監控。

3、拉曼光譜技術在材料科學研究中的應用

拉曼光譜在材料科學中是物質結構研究的有力工具，在相組成界面、晶界等課題中可以做很多工作。包括：

（1）薄膜結構材料拉曼研究：拉曼光譜已成CVD（化學氣相沉積法）制備薄膜的檢測和鑒定手段。拉曼可以研究單、多、微和非晶硅結構以及硼化非晶硅、氫化非晶硅、金剛石、類金剛石等層狀薄膜的結構。

（2）超晶格材料研究：可通過測量超晶格中的應變層的拉曼頻移計算出應變層的應力，根據拉曼峰的對稱性，知道晶格的完整性。

（3）半導體材料研究：拉曼光譜可測出經離子注入后的半導體損傷分布，可測出半磁半導體的組分，外延層的質量，外延層混品的組分載流子濃度。

（4）耐高溫材料的相結構拉曼研究。

（5）全碳分子的拉曼研究。

（6）納米材料的量子尺寸效應研究。

4、拉曼光譜在生物學研究中的應用

拉曼光譜是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光譜很弱、譜圖又很簡單，故拉曼光譜可以在接近自然狀態、活性狀態下來研究生物大分子的結構及其變化。

生物大分子的拉曼光譜可以同時得到許多寶貴的信息：

（1）蛋白質二級結構：α-螺旋、β-折疊、無規卷曲及β-回轉

（2）蛋白質主鏈構像：酰胺Ⅰ、Ⅲ，C-C、C-N伸縮振動

（3）蛋白質側鏈構像：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的側鏈和后二者的構像及存在形式隨其微環境的變化

（4）對構像變化敏感的羧基、巰基、S-S、C-S構像變化

（5）生物膜的脂肪酸碳氫鏈旋轉異構現象。

（6）DNA分子結構以及和DNA與其他分子間的作用。

（7）研究脂類和生物膜的相互作用、結構、組分等。

（8）對生物膜中蛋白質與脂質相互作用提供重要信息。

5、拉曼光譜在中草藥研究中的應用

各種中草藥因所含化學成分的不同而反映出拉曼光譜的差異，拉曼光譜在中草藥研究中的應用包括：

（1）中草藥化學成分分析

高效薄層色譜(TLC)能對中草藥進行有效分離但無法獲得各組份化合物的結構信息，而表面增強拉曼光譜(SERS)具有峰形窄、靈敏度高、選擇性好的優點，可對中草藥化學成分進行高靈敏度的檢測。利用TLC的分離技術和SERS的指紋性鑒定結合，是一種在TLC原位分析中草藥成分的新方法。

（2）中草藥的無損鑒別

由于拉曼光譜分析，無需破壞樣品，因此能對中草藥樣品進行無損鑒別，這對名貴中中草藥的研究特別重要。

（3）中草藥的穩定性研究

利用拉曼光譜動態跟蹤中草藥的變質過程，這對中草藥的穩定性預測、監控藥材的質量具有直接的指導作用。

（4）中藥的優化

對于中草藥及中成藥和復方這一復雜的混合物體系，不需任何成分分離提取直接與細菌和細胞作用，利用拉曼光譜無損采集細菌和細胞的光譜圖，觀察細菌和細胞的損傷程度，研究其藥理作用，并進行中藥材、中成藥和方劑的優化研究。

6、拉曼光譜技術在寶石研究中的應用

拉曼光譜技術已被成功地應用于寶石學研究和寶石鑒定領域。拉曼光譜技術可以準確地鑒定寶石內部的包裹體，提供寶石的成因及產地信息，并且可以有效、快速、無損和準確地鑒定寶石的類別--天然寶石、人工合成寶石和優化處理寶石。

（1）拉曼光譜在寶石包裹體研究中的應用

拉曼光譜可以用于寶石包裹體化學成分的定性、定量檢測，利用拉曼光譜技術研究礦物內的包裹體特征，可以獲得有關寶石礦物的成因及產地的信息。

（2）拉曼光譜在寶石鑒定中的應用

拉曼光譜測試的微區可達1-2um，在寶石鑒定中具有明顯的優勢，能夠探測寶石極其微小的雜質、顯微內含物和人工摻雜物，且能滿足寶石鑒定所必須的無損、快速的要求。

另外，拉曼顯微鏡的共聚焦設計(confoal)可以實現在不破壞樣品的情況下對樣品進行不同深度的探測而同時完全排除其他深度樣品的干擾信息，從而獲得不同深度樣品的真實信息，這在分析多層材料時相當有用。共焦顯微拉曼光譜技術有很好的空間分辨率，從而可以獲得界面過程中物種分子變化情況、相應的物種分布、物種分子在界面不同區域的吸附取向等