一．拉曼光譜的發(fā)展歷史

1928年印度科學(xué)家拉曼實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單色入射光透射到物質(zhì)中的散射光包含與入射光頻率不同的光，即拉曼散射。拉曼因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。受散射光強(qiáng)度低的影響，拉曼光譜經(jīng)歷30年的應(yīng)用發(fā)展限制期。直到1960年后，激光技術(shù)的興起，拉曼光譜儀以激光作為光源，光的單色性和強(qiáng)度大大提高，拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度大大提高，拉曼光譜技術(shù)才得以迅速發(fā)展。每一種物質(zhì)都有其特征的拉曼光譜，利用拉曼光譜可以鑒別和分析樣品的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)；通過(guò)分析物質(zhì)在不同條件下的系列拉曼光譜，來(lái)分析物質(zhì)相變過(guò)程，也可進(jìn)行未知物質(zhì)的無(wú)損鑒定。拉曼光譜技術(shù)可廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、醫(yī)藥、生命科學(xué)等領(lǐng)域。

二．拉曼光譜的基本原理

當(dāng)用單色光照射透明樣品是，大部分光透過(guò)而小部分會(huì)被樣品在各個(gè)方向上散射。這些光的散射又分為瑞利散射和拉曼散射兩種。

2.1瑞利散射和拉曼散射

若光子和樣品分子發(fā)生彈性碰撞，即光子和分子之間沒(méi)有能量交換，即光子的能量保持不變，散射光能量和入射光能量相同，但方向可以改變。這種光的彈性碰撞，叫做瑞利散射。當(dāng)光子和樣品分子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，散射光能量和入射光能量大小不同，光的頻率和方向都有所改變，這種光的散射成為拉曼散射。其散射光的強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的10-6～10-10。拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換，改變了光子的能量。

2.2拉曼散射的產(chǎn)生

拉曼散射的產(chǎn)生可以從光子和樣品分子作用時(shí)光子發(fā)生能級(jí)躍遷來(lái)解釋。樣品分子處于電子能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)的基態(tài)，入射光子的能量遠(yuǎn)大于振動(dòng)能級(jí)躍遷所需要的能量，但又不足以將分子激發(fā)到電子能級(jí)激發(fā)態(tài)。樣品分子在吸收了光子后，被激發(fā)到較高的不穩(wěn)定的能態(tài)（虛態(tài)）。

DE=h(n0 - Dn)，產(chǎn)生stokes線，強(qiáng)，基態(tài)分子多；

DE=h(n0 + Dn)，產(chǎn)生anti-stokes線，弱，因?yàn)镾tokes線強(qiáng)于Anti-stokes線，在一般拉曼光譜圖中只有Stokes線。

2.3拉曼位移

Stokes與Anti-stokes散射光的頻率與激發(fā)光之間頻率的差值ΔV稱為拉曼位移。一般stokes散射光比anti-stokes散射光強(qiáng)度大得多，故在拉曼光譜分析中通常測(cè)定stokes散射光線。對(duì)同一物質(zhì)，拉曼位移與入射光頻率無(wú)關(guān)，取決于分子振動(dòng)能級(jí)的變化，不同的化學(xué)鍵或基態(tài)有不同的振動(dòng)方式，決定了其能級(jí)間的能量變化，與之對(duì)應(yīng)的拉曼位移是特征的。這是拉曼光譜進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)定性分析的理論依據(jù)。

三、拉曼光譜儀

由散射光相對(duì)于入射光頻率位移與散射光強(qiáng)度形成的光譜稱為拉曼光譜（RS）。而拉曼光譜儀一般由光源、外光路、色散系統(tǒng)、及信息處理與顯示系統(tǒng)五部分組成。其儀器機(jī)構(gòu)如下圖所示：

四、拉曼光譜測(cè)定實(shí)驗(yàn)技術(shù)

4.1樣品的準(zhǔn)備

檢測(cè)拉曼光譜時(shí)一般不需要制備樣品，特別是帶有顯微鏡的激光拉曼光譜儀。在檢測(cè)時(shí)，樣品是固體，只需要將樣品直接放在測(cè)樣品臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。如果是液體樣品并且是易揮發(fā)的，可先將其倒入一個(gè)無(wú)色透明的玻璃瓶，蓋好瓶蓋，然后放在測(cè)樣品臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)。如果液體樣品是不易揮發(fā)的，可將其倒入一個(gè)小的培養(yǎng)皿中，再放在測(cè)樣品臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)。

4.2分子骨架、基團(tuán)的定性分析技術(shù)

拉曼光譜研究對(duì)稱分子的非極性基團(tuán)或分子骨架振動(dòng)產(chǎn)生譜帶的情況。主要用來(lái)鑒別化學(xué)物質(zhì)的種類、特殊的結(jié)構(gòu)特征或特征基團(tuán)，它與紅外吸收光譜互為補(bǔ)充。拉曼位移的大小、強(qiáng)度及拉曼峰形狀是鑒定化學(xué)鍵、官能團(tuán)的重要依據(jù)。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為分子異構(gòu)體判斷的依據(jù)。

對(duì)于像S-S、C=C、N=N、C=S、C-C、C?C等這類基團(tuán)，如果分子中這類基團(tuán)的環(huán)境接近對(duì)稱，他的振動(dòng)在紅外吸收光譜中極為微弱，但可用拉曼光譜檢測(cè)。另外，拉曼光譜是檢測(cè)環(huán)狀化合物的有力工具。利用拉曼光譜的標(biāo)準(zhǔn)譜圖或利用拉曼光譜標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)的檢索功能，對(duì)未知物拉曼光譜圖進(jìn)行比對(duì)，也是拉曼光譜定性分析的一個(gè)重要手段。

4.3表面分子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

當(dāng)一些分子被吸附在某些粗糙金屬表面時(shí)，它們的拉曼光譜強(qiáng)度會(huì)增加104~106倍，即表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)（SERS）。利用此技術(shù)，能檢測(cè)吸附在金屬表面的單分子層和亞單分子層的分子，給出表面分子的結(jié)構(gòu)信息。高靈敏度拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)，也可用來(lái)研究分子的吸附動(dòng)力學(xué)，利用SERS強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系，得到吸附速率常數(shù)等數(shù)據(jù)。

當(dāng)具有共振拉曼效應(yīng)的分子吸附在粗糙化的金屬表面時(shí)，其拉曼信號(hào)也能被增強(qiáng)到100~1000倍，即表面增強(qiáng)共振拉曼散射（SERRS）。SERRS常被用于受熒光干擾的化合物的拉曼檢測(cè)，當(dāng)該化合物分子吸附到粗糙化的金屬表面時(shí)，其熒光會(huì)被猝滅，很容易得到高質(zhì)量的SERRS光譜圖。

4.4深度掃描技術(shù)

利用拉曼光譜儀的數(shù)字化顯微共聚焦技術(shù)，可以檢測(cè)一些復(fù)合材料的深度分布和材料性質(zhì)。

4.5拉曼光譜儀的mapping檢測(cè)技術(shù)

利用拉曼光譜儀的自動(dòng)操作平臺(tái)，可以檢測(cè)樣品表面物質(zhì)分布情況。檢測(cè)時(shí)先對(duì)被檢測(cè)樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，選擇特征拉曼譜線，最后進(jìn)行圖像處理。該技術(shù)可應(yīng)用于高分子材料的應(yīng)力檢測(cè)、催比劑表面的吸附情況等。制藥行業(yè)檢測(cè)某一藥片上的藥和輔藥的分布，鑒定藥物質(zhì)量，決定藥效。