拉曼光谱（一种散射光谱）

简介

拉曼散射的光谱。1928年C.V.拉曼实验发现，当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射，同年稍后在苏联和法国也被观察到。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分υ0－υ1又称为斯托克斯线，频率较大的成分υ0＋υ1又称为反斯托克斯线。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱；远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。

光子-内部结构模型图

分子能级的跃迁仅涉及转动能级，发射的是小拉曼光谱；涉及到振动-转动能级，发射的是大拉曼光谱。与分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。^[1]

含义

光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为喇曼效应。

原理

拉曼光谱

设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为喇曼线。在喇曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。

拉曼光谱

大拉曼位移：（为振动能级带频率）

小拉曼位移：（其中B为转动常数）

简单推导小拉曼位移：利用转动常数

谱线特征

拉曼散射光谱具有以下明显的特征：

a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；

b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。

c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

简单解释：按照波尔兹曼分布律，处于激发态的分子数与处于正常态分子数之比是：其中g为该状态下的简并度。

可以解释：温度升高，反斯托克斯线的强度迅速增大，斯托克斯线强度变化不大转动能级中，所以，由于较低和较高的转动态都有显著的布居，所以小拉曼位移两组谱线(反斯托克斯线，斯托克斯线)强度差不多。

光谱的实验分析

通过结构分析解释光谱：

分子为四面体结构，一个碳原子在中心，四个氯原子在四面体的四个顶点。当四面体绕其自身的一轴旋转一定角度，或记性反演(r—-r)、或旋转加反演之后，分子的几何构形不变的操作称为对称操作，其旋转轴成为对称轴。CCI4有13个对称轴，有案可查4个对称操作。我们知道，N个原子构成的分子有碍（3N—6）个内部振动自由度。因此分子可以有9个(3×5—6)自由度，或称为9个独立的简正振动。根据分子的对称性，这9种简正振动可归纳成下列四类：

（图）附图

第二类，有两种振动方式，相邻两对CI原子在与C原子联线方向上，或在该联线垂直方向上同时作反向运动，记作，表示二重简并振动。

第三类，有三种振动方式，4个CI与C原子作反向运动，记作，表示三重简并振动。

第四类，有三种振动方式，相邻的一对CI原子作伸张运动，另一对作压缩运动，记作，表示另一种三重简并振动。

上面所说的“简并”，是指在同一类振动中，虽然包含不同的振动方式但具有相同的能量，它们在拉曼光谱中对应同一条谱线。因此，分子振动拉曼光谱应有4个基本谱线，根据实验中测得各谱线的相对强度依次为。苯的谱线也见附图，分析类似，这里不再赘述。^[2]

应用

拉曼光谱

分析物质性质

通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况，从而可以鉴别物质，分析物质的性质。

天然鸡血石和仿造鸡血石的拉曼光谱有本质的区别：前者主要是地开石和辰砂的拉曼光谱，后者主要是有机物的拉曼光谱，利用拉曼光谱可以区别二者。图中a是地（黑色），b是血（红色）。

天然鸡血石“地”的主要成分为地开石，天然鸡血石样品“血”既有辰砂又有地开石，实际上是辰砂与地开石的集合体。仿造鸡血石“地”的主要成分是聚苯乙烯-丙烯腈，“血”与一种名为PermanentBordo的红色有机染料的拉曼光谱基本吻合。

拉曼光谱

鉴别毒品

常见毒品均有相当丰富的拉曼特征位移峰，且每个峰的信噪比较高，表明用拉曼光谱法对毒品进行成分分析方法可行，得到的谱图质量较高。由于激光拉曼光谱具有微区分析功能，即使毒品和其它白色粉末状物质混和在一起，也可以通过显微分析技术对其进行识别，得到毒品和其它白色粉末分别的拉曼光谱图。

利用拉满光谱可以监测物质的制备：担载型硫化钼、硫化钨催化剂是由相应的担载型金属氧化物在H2和H2S气氛下程序升温制得的，在工业上主要用作加氢精制催化剂。在这样的工业条件下，二维表面金属氧化物转变为二维或三维金属硫化物。与负载金属氧化物相比，负载金属硫化物的拉曼光谱研究相对较少，这是由于黑色的硫化物相对可见光的吸收较强，导致信号较弱。然而拉曼光谱能较易检测到小的金属硫化物微晶。

拉曼光谱

监测水果表面残留农药

（图）不同种类的水果表面滴加植保博士后得到的拉曼谱

不同种类的水果表面滴加植保博士后得到的拉曼谱（见左图）。很明显，除了水果原本的拉曼峰外，植保博士的特征峰为993ｃｍ-1、1348ｃｍ-1、1591ｃｍ-1都出现了由于实验中模拟农药喷洒的方式比实际喷洒时的农药量少得多，尽管如此，农药的残留仍然清晰地显示出来，这表明这一方法是灵敏而适用的。定量地分析农药残留可以从农药特征谱线和水果特征谱线的相对强度比获得。

拉曼光谱仪

拉曼光谱仪一般由以下五个部分构成。

1．光源

它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光。目前拉曼光谱实验的光源己全部用激光器代替历史上使用的汞灯。对常规的拉曼光谱实验，常见的气体激光器基本上可以满足实验的需要。在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定。

2．外光路

外光路部分包括聚光、集光、样品架．滤光和偏振等部件。

(1) 聚光：用一块或二块焦距合适的会聚透镜，使样品处于会聚激光束的腰部，以提高样品光的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功率比不用透镜会聚前增强105倍。

(2) 集光：常用透镜组或反射凹面镜作散射光的收集镜。通常是由相对孔径数值在1左右的透镜组成。为了更多地收集散射光，对某些实验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加反射镜。

（图）拉曼样品的几种典型空间配a.透明液体 b.透明固体 c.不透明固体d.加温样品 e.背向散射样品 f.前向散射样品

(4) 滤光：安置滤光部件的主要目的是为了抑制杂散光以提高拉曼散射的信噪比。在样品前面，典型的滤光部件是前置单色器或干涉滤光片，它们可以滤去光源中非激光频率的大部分光能。小孔光栏对滤去激光器产生的等离子线有很好的作用。在样品后面，用合适的干涉滤光片或吸收盒可以滤去不需要的瑞利线的一大部分能量，提高拉曼散射的相对强度。

(5) 偏振：做偏振谱测量时，必须在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋转器可以改变入射光的偏振方向；在光谱仪入射狭缝前加入检偏器，可以改变进入光谱仪的散射光的偏振；在检偏器后设置偏振扰乱器，可以消除光谱仪的退偏干扰。

3．色散系统

色散系统使拉曼散射光按波长在空间分开，通常使用单色仪。由于拉曼散射强度很弱，因而要求拉曼光谱仪有很好的杂散光水平。各种光学部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是仪器杂散光的主要来源。当仪器的杂散光本领小于10-4时，只能作气体、透明液体和透明晶体的拉曼光谱。

4．接收系统

拉曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。光电倍增管接收就是单通道接收。

5．信息处理与显示

为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处理方法是直流放大、选频和光子计数，然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。

优势与不足

提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。

1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。

2 拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器

3 拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

4 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。

5 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。

拉曼光谱用于分析的不足

(1)拉曼散射面积

(2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响

(3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰

(4)在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题

(5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响

相关技术

1、电化学原位拉曼光谱法

电化学原位拉曼光谱法，是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象, 将单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光) 激发受电极电位调制的电极表面, 通过测定散射回来的拉曼光谱信号(频率、强度和偏振性能的变化)与电极电位或电流强度等的变化关系。一般物质分子的拉曼光谱很微弱, 为了获得增强的信号, 可采用电极表面粗化的办法, 可以得到强度高104-107倍的表面增强拉曼散射(Surface Enahanced Raman Scattering, SERS) 光谱, 当具有共振拉曼效应的分子吸附在粗化的电极表面时, 得到的是表面增强共振拉曼散射(SERRS)光谱, 其强度又能增强102-103。

电化学原位拉曼光谱法的测量装置主要包括拉曼光谱仪和原位电化学拉曼池两个部分。拉曼光谱仪由激光源、收集系统、分光系统和检测系统构成, 光源一般采用能量集中、功率密度高的激光, 收集系统由透镜组构成, 分光系统采用光栅或陷波滤光片结合光栅以滤除瑞利散射和杂散光以及分光检测系统采用光电倍增管检测器、半导体阵检测器或多通道的电荷藕合器件。原位电化学拉曼池一般具有工作电极、辅助电极和参比电极以及通气装置。为了避免腐蚀性溶液和气体侵蚀仪器, 拉曼池必须配备光学窗口的密封体系。在实验条件允许的情况下, 为了尽量避免溶液信号的干扰, 应采用薄层溶液(电极与窗口间距为0.1～1mm) , 这对于显微拉曼系统很重要, 光学窗片或溶液层太厚会导致显微系统的光路改变, 使表面拉曼信号的收集效率降低。电极表面粗化的最常用方法是电化学氧化- 还原循环(Oxidation-Reduction Cycle,ORC)法, 一般可进行原位或非原位ORC处理。

目前采用电化学原位拉曼光谱法测定的研究进展主要有: 一是通过表面增强处理把测检体系拓宽到过渡金属和半导体电极。虽然电化学原位拉曼光谱是现场检测较灵敏的方法, 但仅能有银、铜、金三种电极在可见光区能给出较强的SERS。许多学者试图在具有重要应用背景的过渡金属电极和半导体电极上实现表面增强拉曼散射。二是通过分析研究电极表面吸附物种的结构、取向及对象的SERS 光谱与电化学参数的关系，对电化学吸附现象作分子水平上的描述。三是通过改变调制电位的频率, 可以得到在两个电位下变化的“时间分辨谱”, 以分析体系的SERS 谱峰与电位的关系, 解决了由于电极表面的SERS 活性位随电位而变化而带来的问题。

2、

是以拉曼散射做为理论基础的一种光谱分析方法

激光拉曼光谱法的原理是拉曼散射效应。

拉曼散射：当激发光的光子与作为散射中心的分子相互作用时，大部分光子只是发生改变方向的散射，而光的频率并没有改变，大约有占总散射光的10-10-10-6的散射，不公改变了传播方向，也改变了频率。这种频率变化了的散射就称为拉曼散射。

对于拉曼散射来说，分子由基态E0被激发至振动激发态E1，光子失去的能量与分子得到的能量相等为△E反映了指定能级的变化。因此，与之相对应的光子频率也是具有特征性的，根据光子频率变化就可以判断出分子中所含有的化学键或基团。

这就是拉曼光谱可以作为分子结构的分析工具的理论工具。

3、其他比较重要的拉曼光谱分析技术

1、单道检测的拉曼光谱分析技术。

2、以CCD为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术。

3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术。

4、共振拉曼光谱分析技术。

5、表面增强拉曼效应分析技术。