一文解析拉曼散射和光谱学

本文简单地介绍了拉曼散射和拉曼光谱。

拉曼散射现象是印度物理学家拉曼(C.V.Raman)于1928年发现。当光照射在介质上，除被介质反射、吸收和透射及瑞利散射外，还有一部分与入射光波长不同的散射光，称之为拉曼散射光，瑞利散射散射光波长与入射光波长相同。 拉曼光谱是一种功能强大且用途广泛的分析技术，用于研究分子和材料样品。该技术基于光的非弹性散射，也称为拉曼散射，可以识别和定量样品中的化学键。 每个分子或材料都有一组独特的化学键，这些键振动的频率取决于当地的化学环境。这为每个分子提供了可用于识别的独特拉曼“指纹”。 观察到的转变强度也可用于获取有关样品的定量信息。典型的拉曼光谱仪器由光源、光束处理光学器件和探测器组成。

了解拉曼散射

拉曼光谱最常见的方法是通过用光诱导分子的振动转变来监测化学振动。当光照射到样品上时，一些光子会受到弹性或非弹性散射。 由于在弹性散射中，入射光子和样品之间没有能量转移，因此被测光的波长与输入光相同。这种散射叫瑞利散射。 在非弹性散射事件中，样品和光子之间存在能量转移，进而散射波长与入射波长不一样。这种散射叫拉曼散射。 拉曼频移（Raman shift）：拉曼光谱的横坐标称作拉曼频移。拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，通常的拉曼实验检测到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的频率之差值称拉曼频移（Raman shift）：Δν=| ν 0 – ν s |，即散射光频率与激发光频之差。Δv取决于分子振动能级的改变，所以他是特征的，并且拉曼光谱与入射光波长无关，适应于分子结构的分析。

图片来自滨松光子。

拉曼光谱原理和仪器

测量拉曼光谱的困难之一是拉曼过程并不是唯一可能由光引发的过程。如果分子受到光源的电刺激，它可能会发出荧光，表明通过光子发射的能量弛豫。 荧光背景是拉曼光谱中的一个严重问题，因为这些背景信号具有更宽的能量范围，并且比非弹性散射的拉曼信号更强大。拉曼信号自然较弱，强度标度为 1/λ^4，其中 λ 是用于启动拉曼过程的激发波长。 在拉曼光谱中使用较短波长的激发源可以提高拉曼的强度，但也增加了有足够的能量来激活样品中的电子跃迁并启动荧光过程的可能性。 为了充分利用拉曼光谱在样品鉴定中的强大功能，必须仔细布局拉曼光谱光谱，以尽量减少这些相互竞争的贡献。 近年来，更长波长的激发和使用更灵敏的傅里叶变换拉曼光谱仪器，以及提高拉曼信号电平的表面增强方法已经变得普遍。

审核编辑：黄飞