一文帶你全方位看懂拉曼光譜！
2020-07-30 讀懂科學拉曼光譜（Raman spectra）以印度科學家C.V.拉曼（Raman）命名，是一種分子結構檢測手段。拉曼光譜是散射光譜，通過與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息。以橫坐標表示拉曼頻移，縱坐標表示拉曼光強，與紅外光譜互補，可用來分析分子間鍵能的相關信息。
圖1：印度科學家拉曼
1、拉曼光譜原理
拉曼效應：起源於分子振動(和點陣振動)與轉動，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能級(點陣振動能級)與轉動能級結構的知識。
拉曼效應是光子與光學支聲子相互作用的結果。光照射到物質上發生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分,非彈性散射的散射光有比激發光波長長的和短的成分, 統稱為拉曼效應。
圖2：拉曼散射示意圖
物質與光的相對作用分為三種：反射，散射和透射。根據這三種情況，衍生出相對應的光譜檢測方法：發射光譜（原子發射光譜（AES）、原子螢光光譜（AFS）、X射線螢光光譜法（XFS）、分子螢光光譜法（MFS）等），吸收光譜（紫外－可見光法（UV-Vis）、原子吸收光譜（AAS）、紅外觀光譜（IR）、核磁共振（NMR）等），聯合散射光譜（拉曼散射光譜（Raman））。拉曼光譜應運而生。
表1：光譜種類區分表
拉曼頻移（Raman shift）：拉曼光譜的橫坐標稱作拉曼頻移。拉曼散射分為斯託克斯散射和反斯託克斯散射，通常的拉曼實驗檢測到的是斯託克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的頻率之差值稱拉曼頻移（Raman shift）：Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光頻率與激發光頻之差。Δv取決於分子振動能級的改變，所以他是特徵的，並且拉曼光譜與入射光波長無關，適應於分子結構的分析。
2、拉曼發展歷史
1922年，斯梅卡爾預言新的譜線頻率與方向都發生改變。
1928年，在氣體與液體中觀測到一種特殊光譜的散射，也因此獲1930年諾貝爾物理獎。
同年，曼迭利斯塔姆、蘭茲貝爾格在石英中觀測到拉曼散射。
1928~1940年，受到廣泛的重視，曾是研究分子結構的主要手段。
1940~1960年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因為拉曼效應太弱，當時測試對樣品測試的各項要求較為苛刻，拉曼光譜的應用一度衰落。
1960年以後，雷射技術發展，雷射成為拉曼光譜的理想光源，隨著不斷改進，拉曼光譜廣泛應用，越來越受研究者的重視。
3、拉曼測試
拉曼光譜可測試物質組成，張力和應力，晶體對稱性和取向，晶體質量，物質總量，物質官能團的信息等
圖3：拉曼光譜的檢測內容
拉曼光譜與紅外光譜的比較：
拉曼光譜與紅外光譜都能獲得關於分子內部各種簡正振動頻率及有關振動能級的情況，從而可以用來鑑定分子中存在的官能團。但兩者產生的原理和機制都不同，在分子結構分析中，拉曼光譜與紅外光譜相互補充，一些在紅外光譜無法檢測的信息在拉曼光譜能很好地表現出來。
紅外光譜側重於檢測基團，適用於極性鍵，多用於測有機物，拉曼光譜檢測分子骨架，適用於非極性鍵，有機無機均可測試。
表2：拉曼光譜與紅外光譜對比表
樣品要求：
拉曼光譜測試對象與紅外光譜類似，多用於檢測有機官能團和鍵能之間的信息（對金屬類檢測意義不大，但也有部分文獻提到以拉曼光譜檢測反應產物）。信號強一些的固體樣品可直接測定，樣品製備時稍微壓一下即可。拉曼信號比較弱的材料就需要做增強處理。測試液體的話,就要注意容器的材料,最好是避免產生螢光。
設備廠家：
4、疑難解答
1.如何用拉曼光譜儀測透明的有機物液體，測試時放到了玻璃片上測出來的結果是玻璃的光譜。
答：聚焦位置不對，聚在玻璃上了，用凹面載玻片，液體量會比較多，然後用顯微鏡聚焦好就可以了，如果液體有揮發性，最好液體上用蓋玻片，然後焦點聚焦到蓋玻片以下。
2. 做生物樣品的拉曼光譜，獲得的圖裡面有很強的螢光，有人說，如果拉曼得不到就用其螢光譜。那麼在拉曼譜裡面得到的螢光背景，是真正的螢光特徵譜嗎?這和螢光光譜儀裡面的螢光圖有什麼區別?
答：拉曼譜中的螢光和螢光譜中的螢光是一樣的，只要激發波長和功率密度相同。但有一點要注意，不同波長的激發光照射樣品，得到的拉曼相近，但螢光可以有很大不同，甚至相同波長不同功率激發，螢光譜都大不一樣。
3. 什麼是共焦顯微拉曼光譜儀?
答：共焦拉曼指的是空間濾波的能力和控制被分析樣品的體積的能力。通常主要是利用顯微鏡系統來實現的。
4. 雷射拉曼測試，樣品如何預處理?
答：一般來說，樣品都不需要做預處理，不象紅外那樣麻煩。分析固體和液體比較容易，氣體就難了，除非密度很大，否則只能用大型拉曼。
5、相關書籍推薦
[1] 中本一雄, 黃德如, 汪仁慶. 無機和配位化合物的紅外和拉曼光譜[M]. 化學工業出版社, 1991.
[2] 朱自瑩. 拉曼光譜在化學中的應用[M]. 東北大學出版社, 1998.
[3] 潘家來. 雷射拉曼光譜在有機化學上的應用[M]. 化學工業出版社, 1986.
[4] 楊序綱, 吳琪琳. 拉曼光譜的分析與應用 :Raman spectroscopy analysis and application[M]. 國防工業出版社,2008.
參考文獻：
[1] 吳徵鎧. 拉曼光譜的發現和最近的發展[J]. 光譜學與光譜分析, 1983(2):3-9.
[2] 韋娜, 馮敘橋, 張孝芳,等. 拉曼光譜及其檢測時樣品前處理的研究進展[J]. 光譜學與光譜分析, 2013, 33(3):694-698.
[3] 建華，董綺功．波譜原理及解析[M]．北京：科學出版社，2001．113一118．
[4] 朱自瑩，顧仁敖，陸天虹，等．拉曼光譜在化學中的應用[M]．瀋陽：東北大學出版社，1998．12—15．
[5] Zhang J L，Zhao M J，Chi F，Li C．UV Raman spectroscopic study Oil Ti02．I．phase transformation at the surface and inthe bulk[J]．Phys．Chem．B，2006，1 Z0(2)：927—935．
[6] 延會，吳良平，孫真榮．拉曼光譜技術的應用進展[J]．化學教學，2006，(4)：32—35．
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