拉曼光谱原理和图解

　　基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）发现拉曼散射效应：不同的入射光频率的散射光谱进行分析所得到的分子振动、转动的信息，并应用于分子结构分析研究的一种分析方法，称为拉曼光谱（Raman spectra）。其中，拉曼光谱是一种散射光谱。

　　1. 激光拉曼光谱基本原理

　　激光入射到样品，产生散射光：散射光为弹性散射，频率不发生改变为瑞丽(Rayleigh)散射；散射光为非弹性散射，频率发生改变为拉曼(Raman)散射。如图：Rayleigh散射(左)： 弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射（右）： 非弹性碰撞；方向改变且有能量交换。其中，E0基态， E1振动激发态； E0+ hν0 ，E1+ hν0 激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态。

　　Raman散射：两种跃迁能量差：△E=h(V0 -△V)，产生stokes线；强；基态分子多；△E=h(V0 +△V)，产生反stokes线；弱。Raman位移：Raman散射光与入射光频率差△n。

　　斯托克斯线(Stokes)：基态分子跃迁到虚能级后不会到原处基态，而落到另一较高能级发射光子，发射的新光子能量hv'显然小于入射光子能量hv，△V 就是拉曼散射光谱的频率位移。反斯托克斯线(anti-Stokes)：发射光子频率高于原入射光子频率。

　　拉曼位移(Raman shift)：△V 即散射光频率与激发光频之差。拉曼位移△V 只取决于散射分子的结构，而与V0无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。与入射光波长无光，适用于分子结构分析。

　　2. 拉曼光谱仪

　　散射光相对于入射光频率位移与散射光强度形成的光谱称为拉曼光谱。拉曼光谱仪一般由光源、外光路、色散系统、及信息处理与显示系统五部分组成。拉曼光谱仪分为激光Raman光谱仪(laser Raman spectroscopy)和傅立叶变换-拉曼光谱仪(FT-Ramanspectroscopy)。

　　2.1激发光源： 常用的有Ar离子激光器，Kr离子激光器，He-Ne激光器，Nd-YAG激光器，二极管激光器等。

　　2.2 样品装置： 样品放置方式，包括直接的光学界面，显微镜，光纤维探针和样品。

　　2.3 滤光器：激光波长的散射光（瑞利光）要比拉曼信号强几个数量级，必须在进入检测器前滤除，另外，为防止样品不被外辐射源照射，需要设置适宜的滤波器或者物理屏障。

　　2.4 单色器和迈克尔逊干涉仪： 有单光栅、双光栅或三光栅，一般使用平面全息光栅干涉器一般与FTIR上使用的相同，为多层镀硅的CaF2或镀Fe2O3的CaF2分束器。也有用石英分束器及扩展范围的KBr分束器。

　　2.5 检测器：传统的采用光电倍增管，目前多采用CCD探测器，FTRaman常用的检测器为Ge或InGaAs检测器。

　　激光Raman光谱仪(laser Raman spectroscopy)：激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm；Ar激光器，波长514.5 nm，488.0nm；散射强度∝1/λ； 单色器： 光栅，多单色器； 检测器： 光电倍增管， 光子计数器。

　　激光拉曼光谱因与红外光谱有着相同的波长范围且操作相对简单，因此备受重视。所具有的优点如下：光源频率可调、分辨性好，分辨率高、谱峰常为尖峰，样品用量少（常规用量2~2.5 ug,微量操作时用量为0.06 ug）、只有少量的倍频及组频、样品测试范围广涵盖水溶液样品。

　　激光拉曼光谱仪中的激光易激发出荧光，从而影响测定结果。为了避免弊端，研制了新型的傅里叶变换近红外激光拉曼光谱仪和共焦激光光谱仪。

　　傅立叶变换-拉曼光谱仪(FT-Ramanspectroscopy)：光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064μm）；检测器：高灵敏度的铟镓砷探头。激光光源、试样室、迈克尔逊干涉仪、特殊滤光器、检测器组成。

　　优点：避免了荧光干扰；精度高；消除了瑞利谱线；测试速度快。

　　 3. 拉曼光谱在分析中的作用

　　3.1 同种分非极性键S-S、C=C、N=N、C≡C表现拉曼谱带强，谱带强度：单键＜双键＜三键；C=N、C=S、S-H拉曼谱带强，X=Y=Z、C=N=C、O=C=O对称伸缩为强谱带，红外中表现相反。

　　3.2 C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带；环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。醇和烷烃的拉曼光谱是相似的：(1)、C-O键与C-C键的力常数或键的强度没有很大差别；(2)、羟基和甲基的质量仅相差2单位；(3)、与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。

　　3.3 用通常的拉曼光谱可以进行半导体、陶瓷等无机材料的分析：如剩余应力分析、晶体结构解析等。拉曼光谱还是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。如分子取向、蛋白质的巯基、卟啉环等的分析。

　　4. 拉曼光谱与红外光谱区别

　　红外光谱：基团；

　　拉曼光谱：分子骨架测定；

　　5. 拉曼光谱的信息

　　拉曼谱线的数目、拉曼位移、和谱线强度等参量提供了被散射分子及晶体结构的有关信息，能够揭示原子的空间排列和相互作用。

　　6. 拉曼光谱优缺点

　　拉曼光谱优点：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；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；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。

　　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；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；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。

　　拉曼光谱不足之处： (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。