我們知道一束單色光入射於試樣後有三個可能的去向：一部分被透射、一部分被吸收、還有一部分光則會被散射。散射光中的大部分波長與入射光是相同的，而一小部分由於試樣中分子振動和分子轉動的作用，使得波長髮生偏移，這種波長髮生偏移的光所形成的光譜就是拉曼光譜。

在拉曼光譜中我們常常會看到一些尖銳的峰，它是試樣中某些特定分子的特徵，這就使得拉曼光譜具有進行定性分析並對相似物質進行區分的功能。而且，由於拉曼光譜的峰強度與相應分子的濃度成正比，拉曼光譜也能用於定量分析。通常，將獲得和分析拉曼光譜以及與其應用有關的方法和技術稱為拉曼光譜分析（Raman Spectroscopy）。

一、拉曼光譜的發現與研究進展

20世紀20年代，光散射的量子理論蓬勃發展。在1923~1927年間，斯邁克爾（Smekal）、海森伯格（Heisenburg）、薛定諤（Schrödinger）和狄拉克（Dirac）等著名物理學家，根據量子力學理論，先後預言了“單色光被物質散射時可能存在有頻率發生改變的散射光”，這為隨後不久拉曼等人發現的拉曼效應奠定了基礎。

縱觀拉曼光譜的發現和發展，可以看到一種新技術的出現對科學研究所發揮的巨大作用，同時也可以看出這種新技術的發展強烈地依賴於其他技術的發展。隨著拉曼光諧技術的發展，其應用的範圍和在科學研究中所起的作用也日趨廣泛和重要。當前，拉曼光譜在有機化學、無機化學、生物化學、催化、表面化學、分子結構、礦物學、半導體材料等研究領域中都有廣泛的應用，已經成為這些學科的重要研究手段。

二、拉曼光譜基本原理

當一束頻率為v₀的鐳射照射到樣品上與作為散射中心的分子發生相互作用時，大部分光子會與樣品的分子發生彈性碰撞並以相同的頻率散射開來，但是光子的頻率並沒有改變，這種散射稱為瑞利散射。在發生瑞利散射的同時，10^(-10)-10^(-6)的光子與樣品的分子發生非彈性碰撞，光子不僅改變了傳播方向，也改變了頻率，而頻率的變化取決於散射物質的特性，這種散射稱為拉曼散射，獲得的光譜稱為拉曼光譜。

拉曼散射有兩種型別

✅散射光的頻率經過能量交換後大於入射光子頻率的散射稱為反斯托克斯散射（Anti-Stokes Scattering）

✅散射光的頻率經過能量交換後小於入射光子頻率的散射稱為斯托克斯散射（Stokes Scattering）

最簡單的拉曼光譜如圖2所示，在光譜圖中有三種譜線，中間的是瑞利散射，頻率為v₀，其頻率與入射光子頻率相同，強度最強；其次是斯托克斯散射，其在瑞利散射的低頻一側，與瑞利散射的頻率差為Δv；在瑞利散射的高頻一側，出現反斯托克斯散射，與瑞利散射的頻率差也為Δν，和斯托克斯散射對稱地分佈在瑞利散射的兩側。

拉曼效應也可以用能級圖來表示，如圖3所示，其中E₀為基態，E₁為振動激發態，E₀+hv₀、E₁+hv₀為激發虛態。當頻率v₀為一束鐳射照射到樣品上時，光子與樣品分子相互作用，分子獲得能量後，從基態躍遷到激發虛態。激發虛態上的分子會立即躍遷到下能級而發光，即為散射光。

✅當處在基態E₀分子吸收一個光子後躍遷到激發虛態E₀+hv₀，並立即回到原來所處的基態而重新發射頻率為v₀的光子，即射出的光子頻率與入射光子頻率相同，則這種型別的散射為瑞利散射。

✅如果分子躍遷到激發虛態不回到原來所處基態，而落到另一較高能級的E₁振動激發態併發射光子，這個發射的新光子能量hv'顯然小於入射光子能量hv₀，即發射光子頻率小於入射光子頻率，兩光子能量差ΔE=hΔv=h(v₀-v')，則這種型別的散射為斯托克斯散射；

✅反之，若分子返回至較低的能級，發射光子的頻率將大於入射光子頻率，則這種型別的散射稱為反斯托克斯散射。

由於振動能級間距較大，由玻耳茲曼分佈可得知：在常溫下，分子大多數處於基態，因此斯托克斯散射遠強於反斯托克斯散射，所以我們在硏究拉曼光譜時通常是以斯托克斯散射為主。

Δv為拉曼頻移，即散射光相對於激發光的波數偏移。同一種物質分子，隨著鐳射激發波長的改變，拉曼譜線的頻率也改變，但拉曼頻移始終保持不變，因此拉曼位移與鐳射激發波長無關，而僅與物質分子的振動和轉動能級有關。可見，拉曼位移是該振動能量的度量。每一種物質有自己的特徵拉曼光譜圖，其中拉曼光譜“峰的數目”、“頻移值的大小（即特徵峰的位置）”以及“譜峰的強度”等都與物質分子振動和轉動能級有關，而與入射光波長無關。

我們將拉曼散射強度相對拉曼頻移的函式圖稱為拉曼光譜圖。圖4為四氯化碳的實驗拉曼光譜，縱座標表示拉曼光強，可以用任意單位；橫座標表示拉曼頻移，通常用相對於瑞利線的位移表示其數值，單位為波數（cmˉ¹）。瑞利線的位置為零點，頻移為正數的是斯托克斯線，頻移為負數的是反斯托克斯線。

由於斯托克斯線與反斯托克斯線是完全對稱分佈在瑞利線的兩側，所以一般記錄的拉曼光譜只取斯托克斯線。

三、拉曼光譜的特徵以及與紅外光譜的關係

拉曼光譜具有一些它本身特有的基本特徵，這些基本特徵把拉曼光譜與其他光譜區別開來。在分析領域，拉曼光譜分析與其他分析方式相比有著突出的優勢 ：

✅散射光頻率不受入射光頻率的影響，檢測範圍廣。當入射光頻率發生改變時，拉曼散射光頻率（即頻率位移差）是不變的；斯托克斯和反斯托克斯頻率的絕對值相等，因此單色光源可根據實際需要進行選擇。拉曼光譜的譜峰豐富且尖銳，譜帶重疊少，更適合定量硏究、資料庫搜尋以及運用差異分析進行定性硏究。拉曼光譜檢測範圍廣，一次可以同時覆蓋50~4000cmˉ¹的區間，其分析範圍幾乎覆蓋了所有的有機、無機化合物，高分子及其混合物。這使其應用範圍已不再侷限於物理學和化學領域的理論研究，而以很快的速度從各個學科分支拓展到材料、化工、生物醫學、環保、考古、地質以至商貿和刑事司法等廣泛的應用技術領域。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。

✅無損，快速，無汙染，測量方式比較靈活。拉曼光譜方法是一種純粹的光學檢測方法，其分析過程無須制樣，不破壞樣品，不產生汙染；分析過程快速，重現性好。其對試樣的外形（厚度和形狀）和物態（固態、液態或氣態）沒有特定的要求，只要求能用鐳射照射到試樣上。與一般紅外光譜技術通常需要製備成KBr視窗或溶液相比，這是一個很突出的優點。雖然近代紅外光譜技術，如漫反射、鏡面反射、全反射和顯微紅外技術，原則上也可以適應各種型別的試樣，但實際操作仍然有許多困難。

✅可分析水溶液，可檢測低濃度樣本。水的紅外吸收峰較強，因此紅外光譜不適用於水溶液的分析。由於水分子化學鍵的不對稱性，使其在拉曼光譜中的訊號極其微弱。因此，拉曼光譜是研究水溶液的理想工具。拉曼光譜技術靈敏度高，可檢測低濃度樣本，一般可達10ˉ³g/L。為了提高鐳射拉曼光譜的訊號強度，人們進行了大量卓有成效的研究工作，提出了一些新的鐳射拉曼分析技術和多種聯用拉曼光譜技術，如顯微拉曼光譜技術、表面增強拉曼光譜技術等，大大提高了拉曼光譜的探測靈敏度。

✅穩定的系統結構、可遠距離線上分析。利用拉曼鐳射光纖技術開發的行動式拉曼光譜儀，釆用固定設計方式，具有良好的穩定性與可靠性，使用方便，維護工作量少。拉曼能夠進行遠距離線上或原位分析，激發光的傳送和資訊收集可透過長達數百米光學透過率很高的光纖進行，而且能夠透過玻璃獲得資訊，適合在惡劣工況與危險環境中進行取樣。採用CCD作為光譜探測器的拉曼光譜分析技術可將光譜掃描時間縮短至幾秒甚至更短。結合發達的計算機分析和管理技術，完全可能實現實時分析和線上監測功能。

拉曼光譜和紅外光譜都是起源於分子的振動和轉動，但產生兩種光譜的機理有本質的差別。不同的光譜因為產生的機制不同，各自具有自己的特徵。

✅拉曼光譜是分子對激發光的散射，而紅外光譜則是分子對紅外光的吸收，但兩者均是研究分子振動的重要手段，同屬分子光譜。

✅一般來講，分子的非對稱性振動和極性基團的振動，都會引起分子偶極距的變化，因而這類振動是具有紅外活性；而分子對稱性振動和非極性基團振動，會使分子變形，極化率隨之變化，具有拉曼活性。

✅拉曼光譜適合同原子的非極性鍵的振動，如C-C、S-S、N-N鍵等，對稱性骨架振動，均可從拉曼光譜中獲得豐富的資訊。而不同原子的極性鍵，如C=O、C-H、N-H和O-H等，在紅外光譜上有反映。相反，分子對稱骨架振動在紅外光譜上幾乎看不到。可見，拉曼光譜和紅外光譜是相互補充的。

✅對任何分子可以粗略地用以下原則來判斷其拉曼或紅外活性：

相互排斥規則：凡具有對稱中心的分子，若其分子振動對拉曼是活性的，則其紅外就是非活性的。反之，若對紅外是活性的，則對拉曼就是非活性的。相互允許規則：凡是沒有對稱中心的分子，若其分子振動對拉曼是活性的，則紅外也是活性的。相互禁阻規則：對於少數分子振動，其紅外和拉曼光譜都是非活性的。如乙稀分子的扭曲振動，既沒有偶極距變化也沒有極化率的變化。四、鐳射拉曼光譜的分析與應用

分析拉曼光譜的目標是探測有關試樣的某些資訊，這些要探測的資訊主要包括元素、成分、分子取向、結晶狀態以及應力和應變狀態，它們隱含在拉曼光譜各拉曼峰的高度、寬度、面積、位置（頻移）和形狀中。一條拉曼光譜包含有大量可分析出來的試樣資訊。

凝聚相試樣拉曼光譜的峰通常有5cmˉ¹~20cmˉ¹寬，位於100cmˉ¹和4000cmˉ¹之間的範圍內，在一拉曼光譜中可能有多達幾百個可以分辨的拉曼峰。氣相拉曼峰比較窄，在氣相拉曼光譜中有更多易於分辨的拉曼峰。試樣資訊不僅可以從峰頻移，也可從峰形狀和峰強度獲得。

分析內容通常有三部分：

確定拉曼光譜中含有預測資訊的那部分光譜；將有用的拉曼訊號從光譜的其它部分（噪聲）中分離出來；確立將拉曼訊號與試樣資訊間相聯絡的數學關係（或化學計量關係）。

【相關引數】

1.拉曼散射的偏振

光電場作用於電子雲的力是位於垂直於光傳播方向的平面上。平面上該力的方向可用一個向量來表示，向量的振幅在正負值之間正弦振盪，向量所指的方向叫做光的偏振方向。對於一特定分子的運動，其拉曼散射光的偏振方向就是該振動引起的電子雲極化率變化的方向。若光引起的電子雲位移方向與入射光偏振相同，則拉曼散射光就有與入射光相同的偏振方向。反之，散射光與入射光有不同的偏振方向。

偏振對確定分子的對稱性很有用。由於鐳射是線偏振光，而大多數的有機分子是各向異性的，在不同方向上的分子被入射光電場極化程度不同。在鐳射拉曼光譜中，完全自由取向的分子所散射的光也可能是偏振的，因此，一般在拉曼光譜中用去偏振度（退偏振比）ρ表徵分子對稱性振動模式的高低。ρ值越小，分子的對稱性越高。

2.影響拉曼峰強的因素

極性化學鍵的振動產生弱的拉曼強度，強偶極矩使電子雲限定在某個區域，使得光更難移動電子雲。伸縮振動通常比彎曲振動有更強的散射。伸縮振動的拉曼強度隨鍵級而增強。拉曼強度隨鍵連線原子的原子序數而增強。對稱振動比反對稱振動有更強的拉曼散射。晶體材料比非晶體材料有更強更多的拉曼峰。

3.振動頻率和轉動頻率

雙原子分子——振動情況較簡單，只有一個振動自由度。如氧分子，只有O-O鍵的伸縮振動，引起分子極化率的變化；但是氧分子中不存在偶極，振動相對中心又是對稱的，所以不會有偶極矩的變化所以氧氣只在拉曼光譜中有峰，在紅外光譜中沒有峰。而又如N-O振動是既有偶極矩的變化又有極化率的變化，在拉曼和紅外光譜中都出現峰。

三原子分子——三種振動模式：對稱伸縮、彎曲變形和不對稱伸縮。

4.溫度和壓力對拉曼峰的影響

溫度和壓力會改變拉曼峰高度、寬度、退偏振率和積分面積。對化學平衡狀態的影響，化學平衡的偏移將引起試樣真實成分的變化。振動非等效構象子之間的平衡與溫度和壓力都有關，觀察到的拉曼光譜是各個構象子以它們相對濃度作權重相加的總和。溫度和壓力引起試樣折射率、密度或相轉變會導致拉曼光譜發生變化。施加於晶體上的不均勻壓力將使晶格發生扭曲。試樣溫度的變化將導致振動和轉動激發態數目的變化。增大壓力或提高溫度使分子碰撞率增大，將導致拉曼峰變寬。

【定量分析】

光譜定量分析是化學計量學的一個分支，其原理如下

✅首先透過拉曼光譜儀獲得與待測樣本組分有關的光譜資料；

✅然後透過已知樣本集的光譜資料與待測樣本組分的關係，建立屬性值的校正模型（即建模）；

✅最後透過已建立的模型對未知組分性質的樣本進行預測。

由於樣本拉曼光譜譜峰強度與樣本的組分濃度之間存線上性關係，所以透過建模可以實現定量分析，且涉及譜帶的絕對強度。由於受到實驗條件的影響，包括光源輸出時小的漲落，顯然絕對強度是不容易測得的。所以，必須採用體系內的譜帶作為內標，用強度比的方法代替不易測得的絕對強度。液態樣品常用溶劑的特徵譜帶為內標，固態樣品可選用樣品自身的某一譜帶為內標。

鐳射拉曼光譜定量分析一般步驟如下

✅獲得待測物質的標準光譜；

✅利用拉曼光譜儀對已知物質濃度的樣本拉曼光譜進行採集；

✅由拉曼光譜及標準光譜確定光譜分析域；

✅透過拉曼光譜與物質濃度的線性關係建立定量分析模型；

✅透過模型對未知物質濃度進行預測。

光譜的定量分析建模流程如下圖所示：

五、推薦相關專業書籍

楊序綱，吳琪琳著.拉曼光譜的分析與應用[M].北京：國防工業出版社.2008.

李志剛.光譜資料處理與定量分析技術[M].北京：北京郵電大學出版社.2017.

參考文獻：

[1] 楊序綱,吳琪琳著.拉曼光譜的分析與應用[M].北京：國防工業出版社.2008.

[2] 李志剛.光譜資料處理與定量分析技術[M].北京：北京郵電大學出版社.2017.

[3] 孟令芝，龔淑玲，何永炳編著.有機波譜分析[M].武漢：武漢大學出版社.2009.

[4] 張雁,尹利輝,馮芳.拉曼光譜分析法的應用介紹[J].藥物分析雜誌,2009,29(07):1236-1241.

[5] 姜承志. 拉曼光譜資料處理與定性分析技術研究[D].中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所),2014.