拉曼光譜儀概述

當光與介質發生相互作用時，會產生吸收、反射、透射和發射等多種光學效應和現象。1923年奧地利科學家Srnekal預言了光的非彈性散射現象，1928年印度科學家Raman(拉曼)和Krishnan首次從實驗上觀察到此現象。他們在四氯化碳(CC1t)等液體中發現在入射光頻率的兩端出現對稱分布的明銳譜線，這是一種新的二次輻射，拉曼因發現該現象和相關研究成果獲得了1930年諾貝爾物理學獎，該現象也被稱為拉曼散射。

拉曼散射實驗最初的裝置首先將太陽光通過望遠鏡聚焦在純的液體或無塵氣體樣品上，用另外一個透鏡收集樣品的散射光，一套光學濾波片的耦合系統可以檢測到入射光頻率改變的散射光的存在。

一、歷史與進展

早期的拉曼光譜測試采用汞弧燈作為激發光源，由于對于樣品有著苛刻的要求，如無色透明液體、不含熒光雜質、樣品量大等，使得拉曼光譜僅是個別實驗室的專門研究工具。在拉曼發現散射效應的同時，G．S．Landsberg和L．I．Mandelestam在石英中也觀察到散射光頻率的變化。1930年E．Fermi和F．Rasetti在NaC1中亦發現了二級拉曼散射。1960年激光器誕生，由于激光的高強度和良好的單色性和方向性，使得拉曼光譜的研究有了很大的發展。1962年美國的S．P．S．Porto和D．L．Wood等首先利用紅寶石脈沖激光器激發苯和四氯化碳樣品并得到拉曼光譜，制成世界上第一臺激光拉曼光譜儀(1aserRamanspecItrometer)。1972年，美國、日本、法國均在前面工作研究和改進的基礎上推出了多種不同型號的激光拉曼分光光度計。1987年，電荷耦合器件(CCD)作為光電探測器應用到拉曼光譜儀上，大大提高了檢測的信噪比，減少了測量時間。1986年第一臺商用的傅里葉變換拉曼光譜儀問世，它的主要特點是測量速度快并有強的熒光抑制本領。

20世紀90年代開始，一種稱為全息陷波片(notchfilter)的全息布拉格衍射濾波器被引入拉曼光譜系統，它可以在抑制瑞利散射線的同時提高拉曼信號的檢測靈敏度。另外，全息陷波片配合單色儀以及小型激光器使拉曼譜儀實現小型化。拉曼光譜發展到現在，配備共焦顯微鏡系統的拉曼光譜儀能探測到的微區分辨率為1～2μm，可進行分子成分和結構的微區分析。聯合超快激發光源和時問分辨技術的拉曼系統可實現納秒、皮秒和飛秒的時間分辨拉曼光譜，可以用來研究原子、分子的瞬態動力學過程。此外，拉曼顯微圖像技術、近場拉曼技術、結合掃描電鏡的拉曼系統等大大拓展了拉曼光譜技術在微納尺度的應用空間。

二、基本原理

拉曼光譜的基本原理：光具有波粒二相性。對于拉曼散射，可用光的粒子性來說明。頻率為υ0的單色光入射到介質里會同時發生兩種散射過程：一種是頻率不變（υ=υ0）的散射，稱之為“瑞利散射”，它是由入射光量子與散射分子的彈性碰撞引起的；另外兩種是頻率發生改變（υ=υ₀±△υ)的散射，它是由入射光量子與散射分子的非彈性碰撞引起的，頻率的變化決定于散射物質的特性，波數變化約為0．1cm^-1的散射稱為布里淵散射，波數變化大于1cm^-1以上的散射被稱作拉曼散射，就是“拉曼效應”。

光子將一部分能量傳遞給樣品稱為斯托克斯(Stokes)散射。根據玻耳茲曼分布定律，常溫下亦會有少量分子處于第一激發態，樣品將能量傳遞給光子為反斯托克斯散射。反斯托克斯散射的強度要弱于斯托克斯散射。通常與瑞利散射相比，拉曼散射的強度很弱，一般只有人射光的10^-6～10^-12倍。

利用拉曼效應可以把處于紅外區的分子振動能譜轉移到短波區來觀測，這就為研究工作帶來很多的方便。因此拉曼光譜作為紅外光譜的補充，是研究分子結構的有力工具。

三、特點

1．優點

拉曼光譜的分析方法一般不需要對樣品進行前處理，也沒有樣品的制備過程，避免了一些誤差的產生，樣品可直接通過光纖探頭或者透過玻璃、石英和光纖測量。可提供快速、簡單、可重復且最重要的是無損傷的定性定量分析，靈敏度高。此外拉曼光譜用于分析有下列各項優點。

①由于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化合物的理想工具。

②拉曼光譜一般一次可以同時覆蓋50～9000cm^-1的區間，可對有機物和無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。

③拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合數據庫搜索，以及運用差異分析進行定性研究和定量研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區間的強度可以和功能團的數量相關。

④因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有微米量級，常規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紅外光譜一個很大的優勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至極限1～2μm以分析更小面積的樣品。

⑤共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強生物大分子發色團的振動，這些發色基團的拉曼光強能被選擇性地增強10³～10⁴倍。

2．不足

①拉曼散射強度極弱，一般只有入射光強度的10^-6～10^-12倍。

②拉曼散射峰面積的定量重復性差。

③不同振動峰重疊，并且拉曼散射強度容易受光學系統參數等因素的影響。

④熒光干擾。

⑤在進行傅里葉變換光譜分析時，常出現曲線的非線性的問題。

⑥任何一物質的引入都會對被測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，會對分析的結果產生一定的影響。