拉曼光谱仪概述

当光与介质发生相互作用时，会产生吸收、反射、透射和发射等多种光学效应和现象。1923年奥地利科学家Srnekal预言了光的非弹性散射现象，1928年印度科学家Raman(拉曼)和Krishnan首次从实验上观察到此现象。他们在四氯化碳(CC1t)等液体中发现在入射光频率的两端出现对称分布的明锐谱线，这是一种新的二次辐射，拉曼因发现该现象和相关研究成果获得了1930年诺贝尔物理学奖，该现象也被称为拉曼散射。

拉曼散射实验最初的装置首先将太阳光通过望远镜聚焦在纯的液体或无尘气体样品上，用另外一个透镜收集样品的散射光，一套光学滤波片的耦合系统可以检测到入射光频率改变的散射光的存在。

一、历史与进展

早期的拉曼光谱测试采用汞弧灯作为激发光源，由于对于样品有着苛刻的要求，如无色透明液体、不含荧光杂质、样品量大等，使得拉曼光谱仅是个别实验室的专门研究工具。在拉曼发现散射效应的同时，G．S．Landsberg和L．I．Mandelestam在石英中也观察到散射光频率的变化。1930年E．Fermi和F．Rasetti在NaC1中亦发现了二级拉曼散射。1960年激光器诞生，由于激光的高强度和良好的单色性和方向性，使得拉曼光谱的研究有了很大的发展。1962年美国的S．P．S．Porto和D．L．Wood等首先利用红宝石脉冲激光器激发苯和四氯化碳样品并得到拉曼光谱，制成世界上第一台激光拉曼光谱仪(1aserRamanspecItrometer)。1972年，美国、日本、法国均在前面工作研究和改进的基础上推出了多种不同型号的激光拉曼分光光度计。1987年，电荷耦合器件(CCD)作为光电探测器应用到拉曼光谱仪上，大大提高了检测的信噪比，减少了测量时间。1986年第一台商用的傅里叶变换拉曼光谱仪问世，它的主要特点是测量速度快并有强的荧光抑制本领。

20世纪90年代开始，一种称为全息陷波片(notchfilter)的全息布拉格衍射滤波器被引入拉曼光谱系统，它可以在抑制瑞利散射线的同时提高拉曼信号的检测灵敏度。另外，全息陷波片配合单色仪以及小型激光器使拉曼谱仪实现小型化。拉曼光谱发展到现在，配备共焦显微镜系统的拉曼光谱仪能探测到的微区分辨率为1～2μm，可进行分子成分和结构的微区分析。联合超快激发光源和时问分辨技术的拉曼系统可实现纳秒、皮秒和飞秒的时间分辨拉曼光谱，可以用来研究原子、分子的瞬态动力学过程。此外，拉曼显微图像技术、近场拉曼技术、结合扫描电镜的拉曼系统等大大拓展了拉曼光谱技术在微纳尺度的应用空间。

二、基本原理

拉曼光谱的基本原理：光具有波粒二相性。对于拉曼散射，可用光的粒子性来说明。频率为υ0的单色光入射到介质里会同时发生两种散射过程：一种是频率不变（υ=υ0）的散射，称之为“瑞利散射”，它是由入射光量子与散射分子的弹性碰撞引起的；另外两种是频率发生改变（υ=υ₀±△υ)的散射，它是由入射光量子与散射分子的非弹性碰撞引起的，频率的变化决定于散射物质的特性，波数变化约为0．1cm^-1的散射称为布里渊散射，波数变化大于1cm^-1以上的散射被称作拉曼散射，就是“拉曼效应”。

光子将一部分能量传递给样品称为斯托克斯(Stokes)散射。根据玻耳兹曼分布定律，常温下亦会有少量分子处于第一激发态，样品将能量传递给光子为反斯托克斯散射。反斯托克斯散射的强度要弱于斯托克斯散射。通常与瑞利散射相比，拉曼散射的强度很弱，一般只有人射光的10^-6～10^-12倍。

利用拉曼效应可以把处于红外区的分子振动能谱转移到短波区来观测，这就为研究工作带来很多的方便。因此拉曼光谱作为红外光谱的补充，是研究分子结构的有力工具。

三、特点

1．优点

拉曼光谱的分析方法一般不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，避免了一些误差的产生，样品可直接通过光纤探头或者透过玻璃、石英和光纤测量。可提供快速、简单、可重复且最重要的是无损伤的定性定量分析，灵敏度高。此外拉曼光谱用于分析有下列各项优点。

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拉曼光谱一般一次可以同时覆盖50～9000cm^-1的区间，可对有机物和无机物进行分析。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，更适合数据库搜索，以及运用差异分析进行定性研究和定量研究。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微米量级，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极限1～2μm以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生物大分子发色团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强10³～10⁴倍。

2．不足

①拉曼散射强度极弱，一般只有入射光强度的10^-6～10^-12倍。

②拉曼散射峰面积的定量重复性差。

③不同振动峰重叠，并且拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响。

④荧光干扰。

⑤在进行傅里叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题。

⑥任何一物质的引入都会对被测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。