拉曼光譜原理和圖解

　　基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）發現拉曼散射效應：不同的入射光頻率的散射光譜進行分析所得到的分子振動、轉動的信息，并應用于分子結構分析研究的一種分析方法，稱為拉曼光譜（Raman spectra）。其中，拉曼光譜是一種散射光譜。

　　1. 激光拉曼光譜基本原理

　　激光入射到樣品，產生散射光：散射光為彈性散射，頻率不發生改變為瑞麗(Rayleigh)散射；散射光為非彈性散射，頻率發生改變為拉曼(Raman)散射。如圖：Rayleigh散射(左)： 彈性碰撞；無能量交換，僅改變方向；Raman散射（右）： 非彈性碰撞；方向改變且有能量交換。其中，E0基態， E1振動激發態； E0+ hν0 ，E1+ hν0 激發虛態；獲得能量后，躍遷到激發虛態。

　　Raman散射：兩種躍遷能量差：△E=h(V0 -△V)，產生stokes線；強；基態分子多；△E=h(V0 +△V)，產生反stokes線；弱。Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差△n。

　　斯托克斯線(Stokes)：基態分子躍遷到虛能級后不會到原處基態，而落到另一較高能級發射光子，發射的新光子能量hv'顯然小于入射光子能量hv，△V 就是拉曼散射光譜的頻率位移。反斯托克斯線(anti-Stokes)：發射光子頻率高于原入射光子頻率。

　　拉曼位移(Raman shift)：△V 即散射光頻率與激發光頻之差。拉曼位移△V 只取決于散射分子的結構，而與V0無關，所以拉曼光譜可以作為分子振動能級的指紋光譜。與入射光波長無光，適用于分子結構分析。

　　2. 拉曼光譜儀

　　散射光相對于入射光頻率位移與散射光強度形成的光譜稱為拉曼光譜。拉曼光譜儀一般由光源、外光路、色散系統、及信息處理與顯示系統五部分組成。拉曼光譜儀分為激光Raman光譜儀(laser Raman spectroscopy)和傅立葉變換-拉曼光譜儀(FT-Ramanspectroscopy)。

　　2.1激發光源： 常用的有Ar離子激光器，Kr離子激光器，He-Ne激光器，Nd-YAG激光器，二極管激光器等。

　　2.2 樣品裝置： 樣品放置方式，包括直接的光學界面，顯微鏡，光纖維探針和樣品。

　　2.3 濾光器：激光波長的散射光（瑞利光）要比拉曼信號強幾個數量級，必須在進入檢測器前濾除，另外，為防止樣品不被外輻射源照射，需要設置適宜的濾波器或者物理屏障。

　　2.4 單色器和邁克爾遜干涉儀： 有單光柵、雙光柵或三光柵，一般使用平面全息光柵干涉器一般與FTIR上使用的相同，為多層鍍硅的CaF2或鍍Fe2O3的CaF2分束器。也有用石英分束器及擴展范圍的KBr分束器。

　　2.5 檢測器：傳統的采用光電倍增管，目前多采用CCD探測器，FTRaman常用的檢測器為Ge或InGaAs檢測器。

　　激光Raman光譜儀(laser Raman spectroscopy)：激光光源：He-Ne激光器，波長632.8nm；Ar激光器，波長514.5 nm，488.0nm；散射強度∝1/λ； 單色器： 光柵，多單色器； 檢測器： 光電倍增管， 光子計數器。

　　激光拉曼光譜因與紅外光譜有著相同的波長范圍且操作相對簡單，因此備受重視。所具有的優點如下：光源頻率可調、分辨性好，分辨率高、譜峰常為尖峰，樣品用量少（常規用量2~2.5 ug,微量操作時用量為0.06 ug）、只有少量的倍頻及組頻、樣品測試范圍廣涵蓋水溶液樣品。

　　激光拉曼光譜儀中的激光易激發出熒光，從而影響測定結果。為了避免弊端，研制了新型的傅里葉變換近紅外激光拉曼光譜儀和共焦激光光譜儀。

　　傅立葉變換-拉曼光譜儀(FT-Ramanspectroscopy)：光源：Nd-YAG釔鋁石榴石激光器（1.064μm）；檢測器：高靈敏度的銦鎵砷探頭。激光光源、試樣室、邁克爾遜干涉儀、特殊濾光器、檢測器組成。

　　優點：避免了熒光干擾；精度高；消除了瑞利譜線；測試速度快。

　　 3. 拉曼光譜在分析中的作用

　　3.1 同種分非極性鍵S-S、C=C、N=N、C≡C表現拉曼譜帶強，譜帶強度：單鍵＜雙鍵＜三鍵；C=N、C=S、S-H拉曼譜帶強，X=Y=Z、C=N=C、O=C=O對稱伸縮為強譜帶，紅外中表現相反。

　　3.2 C-C伸縮振動在拉曼光譜中是強譜帶；環狀化合物的對稱呼吸振動常常是最強的拉曼譜帶。醇和烷烴的拉曼光譜是相似的：(1)、C-O鍵與C-C鍵的力常數或鍵的強度沒有很大差別；(2)、羥基和甲基的質量僅相差2單位；(3)、與C-H和N-H譜帶比較，O-H拉曼譜帶較弱。

　　3.3 用通常的拉曼光譜可以進行半導體、陶瓷等無機材料的分析：如剩余應力分析、晶體結構解析等。拉曼光譜還是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。如分子取向、蛋白質的巰基、卟啉環等的分析。

　　4. 拉曼光譜與紅外光譜區別

　　紅外光譜：基團；

　　拉曼光譜：分子骨架測定；

　　5. 拉曼光譜的信息

　　拉曼譜線的數目、拉曼位移、和譜線強度等參量提供了被散射分子及晶體結構的有關信息，能夠揭示原子的空間排列和相互作用。

　　6. 拉曼光譜優缺點

　　拉曼光譜優點：提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量；水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具；拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數的區間，可對有機物及無機物進行分析，相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。

　　化學結構分析中，獨立的拉曼區間的強度可以和功能集團的數量相關；因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。。這是拉曼光譜相對常規紅外光譜一個很大的優勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品；共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發色基團的振動，這些發色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。

　　拉曼光譜不足之處： (1)、拉曼散射面積； (2)、不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統參數等因素的影響； (3)、熒光現象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾 ； (4)、在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現曲線的非線性的問題 ； (5)、任何一物質的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結果產生一定的影響。