拉曼光譜原理和圖解
基于印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）發(fā)現(xiàn)拉曼散射效應(yīng)：不同的入射光頻率的散射光譜進(jìn)行分析所得到的分子振動、轉(zhuǎn)動的信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)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(chǎn)生散射光：散射光為彈性散射，頻率不發(fā)生改變?yōu)槿瘥?Rayleigh)散射；散射光為非彈性散射，頻率發(fā)生改變?yōu)槔?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(tài)， E1振動激發(fā)態(tài)； E0+ hν0 ，E1+ hν0 激發(fā)虛態(tài)；獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài)。
Raman散射：兩種躍遷能量差：△E=h(V0 -△V)，產(chǎn)生stokes線；強(qiáng)；基態(tài)分子多；△E=h(V0 +△V)，產(chǎn)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(tài)分子躍遷到虛能級后不會到原處基態(tài)，而落到另一較高能級發(fā)射光子，發(fā)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(fā)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(fā)光頻之差。拉曼位移△V 只取決于散射分子的結(jié)構(gòu)，而與V0無關(guān)，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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(tǒng)、及信息處理與顯示系統(tǒng)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(fā)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(xué)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(qiáng)幾個數(shù)量級，必須在進(jìn)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(shè)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(kuò)展范圍的KBr分束器。
2.5 檢測器：傳統(tǒng)的采用光電倍增管，目前多采用CCD探測器，F(xiàn)TRaman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(qiáng)度∝1/λ； 單色器： 光柵，多單色器； 檢測器： 光電倍增管， 光子計數(shù)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(yōu)點如下：光源頻率可調(diào)、分辨性好，分辨率高、譜峰常為尖峰，樣品用量少（常規(guī)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(fā)出熒光，從而影響測定結(jié)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(yōu)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(xiàn)拉曼譜帶強(qiáng)，譜帶強(qiáng)度：單鍵＜雙鍵＜三鍵；C=N、C=S、S-H拉曼譜帶強(qiáng)，X=Y=Z、C=N=C、O=C=O對稱伸縮為強(qiáng)譜帶，紅外中表現(xiàn)相反。
3.2 C-C伸縮振動在拉曼光譜中是強(qiáng)譜帶；環(huán)狀化合物的對稱呼吸振動常常是最強(qiáng)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(shù)或鍵的強(qiáng)度沒有很大差別；(2)、羥基和甲基的質(zhì)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(jìn)行半導(dǎo)體、陶瓷等無機(jī)材料的分析：如剩余應(yīng)力分析、晶體結(jié)構(gòu)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(zhì)的巰基、卟啉環(huán)等的分析。
4. 拉曼光譜與紅外光譜區(qū)別
紅外光譜：基團(tuán)；
拉曼光譜：分子骨架測定；
5. 拉曼光譜的信息
拉曼譜線的數(shù)目、拉曼位移、和譜線強(qiáng)度等參量提供了被散射分子及晶體結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息，能夠揭示原子的空間排列和相互作用。
6. 拉曼光譜優(yōu)缺點
拉曼光譜優(yōu)點：提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準(zhǔn)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(xué)化合物的理想工具；拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機(jī)物及無機(jī)物進(jìn)行分析，相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。
化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)；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(guī)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(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)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(yīng)可以用來有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個發(fā)色基團(tuán)的振動，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)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(qiáng)度容易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響； (3)、熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾 ； (4)、在進(jìn)行傅立葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性的問題 ； (5)、任何一物質(zhì)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(jié)果產(chǎn)生一定的影響。
