拉曼光谱（Raman）简介

1928年，印度物理学家C. V. Raman他们在用汞灯的单色光来照射CCl4液体时，在液体的散射光中观测到了频率低于入射光频率的新谱线。在喇曼等人宣布了他们的发现的几个月后，苏联物理学家兰德斯别尔格等也独立地报道了晶体中的这种效应的存在。

光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼（Raman）效应。

光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分。非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。

当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。

由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。

拉曼光谱是研究分子和光相互作用的散射光的频率。

Rayleigh散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；

Raman散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；

Raman散射:

Raman散射的两种跃迁能量差：

产生stokes线；强；基态分子多；

产生anti-stokes线；弱；

Raman位移：

Raman散射光与入射光频率差🔺v；

设散射物分子原来处于基态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态(Virtual state)，虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。

当外来光子入射到分子时，可以设想分子吸收一个光子后跃迁到一个实际上不存在的虚能级，并立即回到原来所处的基态而重新发射光子，这是瑞利散射。

如果分子跃迁到虚能级不回到原来所处基态，而落到另一较高能级发射光子，这个发射的新光子能量hv′显然小于入射光子能量hv，是拉曼散射的斯托克斯线(Stokes) ，两光子能量差△E=h△v =h（v-v′）。△v就是拉曼散射光谱的频率位移。反之发射光子频率高于原入射光子频率，为反斯托克斯线(anti-Stokes)。

斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼谱线。由于在通常情况下，分子绝大多数处于振动能级基态，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。

拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；

在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧， 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量；

一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；

一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中既包括单一的化学键，例如C-C, C=C, N-O, C-H等，也包括由数个化学键组成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动，多聚物长链的振动以及晶格振动等。

物质的组成：物质的具体组成通常通过分子键的振动来综合判断，该信息由拉曼频率确认；

被研究物质的张力/应力：通过拉曼峰位的变化可以判断被研究材料的部分力学性能；

物质总量：拉曼峰强度的大小决定了物质的总量；

晶体质量：该信息由拉曼峰的峰宽决定；

晶体对称性和取向：拉曼的偏振情况反映了晶体的对称性和取向。

一般而言，拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹，能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱，通过快速搜索，找到与被分析物质相匹配的光谱数据，即可鉴别被分析物质。

拉曼光谱仪一般由光源、外光路、色散系统、及信息处理与显示系统五部分组成。拉曼光谱仪分为激光Raman光谱仪(laser Raman spectroscopy)和傅立叶变换-拉曼光谱仪(FT-Ramanspectroscopy)。

激发光源： 常用的有Ar离子激光器，Kr离子激光器，He-Ne激光器，Nd-YAG激光器，二极管激光器等。

样品装置： 样品放置方式，包括直接的光学界面，显微镜，光纤维探针和样品。

滤光器：激光波长的散射光（瑞利光）要比拉曼信号强几个数量级，必须在进入检测器前滤除，另外，为防止样品不被外辐射源照射，需要设置适宜的滤波器或者物理屏障。

单色器和迈克尔逊干涉仪： 有单光栅、双光栅或三光栅，一般使用平面全息光栅干涉器一般与FTIR上使用的相同，为多层镀硅的CaF2或镀Fe2O3的CaF2分束器。也有用石英分束器及扩展范围的KBr分束器。

检测器：传统的采用光电倍增管，目前多采用CCD探测器，FTRaman常用的检测器为Ge或InGaAs检测器。

激光Raman光谱仪(laser Raman spectroscopy)：激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm；Ar激光器，波长514.5 nm，488.0nm；散射强度∝1/λ； 单色器： 光栅，多单色器； 检测器： 光电倍增管， 光子计数器。

从紫外、可见到近红外波长范围内的激光器都可以用作拉曼光谱分析的激发光源，典型的激光器有（不限于）：

紫外：244 nm，257 nm，325 nm，364 nm

可见：457 nm，488 nm，514 nm， 532 nm，633 nm，660nm

近红外：785 nm，830 nm，980 nm，1064 nm

激光波长的选择对于实验的结果有着重要的影响：

灵敏度：拉曼散射强度与激光波长的四次方成反比，因此，蓝/绿可见激光的散射强度比近红外激光要强15倍以上。

空间分辨率：在衍射极限条件下，激光光斑的直径可以根据公式计算得出，其中是激发激光的波长，是所使用显微物镜的数值孔径。例如，采用数值孔径为0.9的物镜，波长532 nm激光的光斑直径理论上可以小到0.72微米，在同样条件下使用785 nm波长激光时，激光光斑直径理论上最小值为1.1微米，因此，最终的空间分辨率在一定程度上取决于激发激光的选择。

可以基于样品特性对激发波长进行优化：激发光波长的选择一般是为了避开荧光的干扰，因为拉曼位移与激发光频率无关，不同物质产生荧光的范围不同，只要能避开该物质的荧光带的激发光都是可以的。例如，蓝/绿色激光（440－565 nm）适合无机材料和共振拉曼实验（如碳纳米管和其它碳材料）以及表面增强拉曼实验（SERS）；红色和近红外激光（660－830nm）适合于抑制样品荧光；紫外激光适合生物分子（蛋白质、DNA、RNA等）的共振拉曼实验以及抑制样品荧光。

拉曼光谱通常用于定性测试，在特定条件下也可用于定量。通常情况下，拉曼光谱（包括峰位和相对强度）提供了物质独一无二的化学指纹，可以用于识别该物质并区别于其他物质。实际测试的拉曼光谱往往很复杂，通过谱峰归属来判定未知物相对比较复杂，而通过拉曼光谱数据库进行搜索来寻找与之匹配的结果，则可以快速对未知物进行判别。

在其它条件不变的情况下，光谱的强度正比于样品浓度。通过标准浓度的样品来确定峰强和浓度之间的关系（标准曲线）后，即可进行浓度分析。对于混合物，相对峰强可以提供各种组分相对浓度的信息，与此同时，绝对峰强可以体现绝对浓度信息（参考标准浓度校正）。

拉曼光谱优点：提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量；水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具；拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析，相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器。

化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关；因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。

这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品；共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。

拉曼光谱不足之处：

(1) 拉曼散射面积；

(2) 不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响；

(3) 荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰 ；

(4) 在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题 ；

(5) 任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。

红外光谱测量样品吸收入射（激光）光子的频率，而拉曼光谱测量散射拉曼光子的波长偏移，这种偏移是由入射（激光）光子激发样品引起的。这两种技术都是振动的，并且需要分子共价键的存在。下图显示了这两个过程中涉及的量子化能级。

之前的问题已经描述了拉曼或红外光谱活性的要求，但此处的差异使得红外和拉曼光谱既是互补技术，也是组合技术。例如，红外光谱对水中的OH键拉伸敏感，因此强水峰通常主导任何水相测量。然而，在拉曼光谱常用的波段（200至2,000 cm-1），来自水的信号极其微弱，通常可以忽略不计。这使得强大的拉曼光谱成为水相样品测量的理想选择。

为了增强可用性：

透射拉曼光谱 (TRS)：与传统拉曼光谱的表面分析不同， TRS能够对药片和胶囊等分析物进行深入研究。TRS 利用光在粉末等浑浊介质中传播的特性，以及低光损耗的特性，对分析物进行本体分析。

空间偏移拉曼光谱 (SORS)：SORS利用光在浑浊介质中的随机散射，实现地下探测。在传统的背散射拉曼光谱仪中，通过在激发区域和检测区域之间引入空间偏移，可以分离出特定地下层、信息丰富的拉曼光谱。该技术可用于透过透明和不透明屏障识别化学物质（例如，识别密封不透明容器内的爆炸物或有害麻醉品）。

傅里叶变换拉曼光谱法 (FT-Raman)：傅里叶变换拉曼光谱法发展于 20 世纪 80 年代，主要用于获取无荧光且强度更高的光谱。此外，这种基于干涉仪的技术通常能够获得更高的波长精度和光谱分辨率。与FTIR一样，FT-Raman 也利用了 Jacquinot 优势（由于没有狭缝而信号更佳）、Conne 优势（通过激光束校准波长）和 Fellget 优势（一次性收集所有波长），并且通常使用 1,064 nm 激光来减弱荧光。

为了改善信号：

共振拉曼光谱（RR光谱）：该技术通常用于增强低浓度分子的检测，或通过简化光谱以识别特定基团来识别大分子蛋白质的存在。当激光入射光子的能量与分析物中某个电子跃迁的能量相当时，可以获得更强烈、更易于检测的拉曼信号。相关的振动电子模式被共振激发，从而产生更强烈的拉曼谱带。

表面增强拉曼光谱 (SERS)：拉曼光谱通常是一种低灵敏度解决方案，适用于体相分析。1974 年，弗莱施曼 (Fleischmann) 偶然发现，结构化金属表面附近的分析物会发出增强的拉曼信号。这项技术被称为表面增强拉曼光谱 (SERS)。据说，它源于拉曼激光激发后在金属表面产生的电磁场（也称为等离子体振荡）产生的放大现象。SERS 非常有效，因为它可以增强激光功率以及由该激光激发产生的拉曼信号。

针尖增强拉曼光谱 (TERS)：生物分子显微镜学家利用 SERS 改进了拉曼和光学显微镜。通过在金属表面使用原子级削尖的金属涂层针尖，他们可以精确控制 SERS 现象发生的位置，并克服传统光学显微镜和拉曼显微镜的空间分辨率限制。

相干拉曼散射：在相干拉曼光谱中，使用多个激光频率来激发分析物并改善后续的拉曼信号：

（1）相干斯托克斯反斯托克斯拉曼光谱 (CARS)： CARS 的原理是利用三台激光器（两个泵浦激光器（通常相同）和一个斯托克斯激光器）与分析物相互作用后，产生波长较短（蓝移）的相干反斯托克斯信号。CARS 主要用于显微镜，因为在显微镜中，速度快且无荧光干扰信号是其一大优势。

（2）受激拉曼散射 (SRS)：受激拉曼散射比 CARS 更先进，常用于拉曼显微镜，以缩短采集时间。它还有助于获得相干或定向信号，并消除非共振和荧光背景。使用两个高强度短脉冲激光器，一个称为泵浦激光器，频率为 ωp，另一个称为斯托克斯激光器，频率为 ωs，可以通过受激现象增强频率 ωp-ωs 或接近该频率的分子振动或拉曼谱带。

1. 关键参数物理意义

峰位（Raman Shift）：直接对应分子振动模式。例如，MoS2的E2g和A1g峰间距（Δ19–25 cm-1）可判断层数。

峰强度：与物质浓度正相关。

半峰宽（FWHM）：反映晶体缺陷或应力。Cr掺杂BaTiO3中，FWHM随掺杂量增加而增大，指示晶格畸变。

2. 典型物质特征峰数据库

碳材料：单壁碳纳米管D峰（1350 cm-1）与G峰（1580 cm-1）强度比（ID/IG）反映缺陷密度。

爆炸物：硝酸酯类（850 cm-1）、硝基芳烃（1340 cm-1）具有特异性峰。

药物分子：如降糖药片通过特征峰匹配可实现真伪鉴别（灵敏度100%，准确度96.36%）。

碳纳米材料由对称的碳-碳共价键构成。这些材料的结构即使发生微小的变化，也可用拉曼光谱检测到，从而使拉曼光谱成为碳纳米材料表征的强大工具。

拉曼光谱可以区分碳材料的同素异形体：

D 波段可能代表SP3键（四面体结构）或者杂化缺陷的SP2键(石墨烯边缘结构）；

G波段代表SP2键（平面体结构）

●可用于分析碳纳米管管径

单壁碳管主要由SP2键组成，有些缺陷(D波段），并呈现许多新模式

呼吸模(RBM），与碳管伸缩振动有关系，表征碳管管径

多壁碳管

●不呈现呼吸模

●D/G的强度要比单壁碳管高

案例1：WTe2薄膜热稳定性研究

DOI: 10.7498/aps.71.20220712

实验背景：WTe2作为拓扑材料，其热稳定性对器件应用至关重要。

图谱解析

厚度依赖性（下图a）：当WTe2的厚度超过19 nm时，WTe2/Ti异质结的拉曼光谱与WTe2单晶纳米片的拉曼光谱基本一致，且未观察到新的拉曼峰出现，这表明在该厚度下，异质结及其界面并未发生显著变化。然而，随着WTe2层的厚度减小至18 nm，两个特征拉曼峰P4（约117.5 cm-1）和P5（约133.7 cm-1）开始减弱。当WTe2层的厚度进一步降至最薄的12 nm时，P4和P5峰几乎无法分辨，在约141.8 cm-1的位置附近似乎出现了微弱的新峰。

垂直偏振拉曼光谱（图b）：当WTe2的厚度小于19 nm时，除了在P2（约90 cm-1）、P3（约112 cm-1）和P6（约161 cm-1）处出现WTe2的特征拉曼峰外，还明显观测到了新峰的出现，即波数约为141.8 cm-1（12 nm）和141.4 cm-1（18 nm）。这些新峰并不属于WTe2的特征峰，且由于金属材料通常不表现出极化率的变化，因而没有拉曼振动，因此这些新峰也不来源于Ti层。推测这些新的拉曼峰很可能来源于一种新的物质。

平行偏振拉曼光谱（图c）：当WTe2的厚度降低到18 nm和12 nm时，在约125 cm-1和124 cm-1的位置分别出现了新的拉曼峰。在先前的研究中，Ti与CdTe、GeTe和PbTe2等二维材料的界面会发生界面反应并形成TixTe1-x，且组分会随着退火温度的变化而变化。因此，这些新的拉曼峰很可能是由于WTe2与Ti之间的界面反应而产生的。

热稳定性机制：较厚薄膜（>20 nm）因层间耦合增强，峰位稳定性（如P3，P4，P5峰）提升，适用于高温器件。

案例2：SERS检测染料分子（R6G与MB）

DOI: 10.7498/aps.72.20221958

实验背景：痕量染料检测在环境监测中具有重要意义。

图谱解析：

R6G（10-9 mol/L） ：612 cm-1（C-C环呼吸振动）和773 cm-1（C-H弯曲振动）峰强度随时间衰减。

MB（10-5 mol/L）：1393 cm-1（C-N伸缩振动）和1624 cm-1（芳环振动）峰强度在30分钟内下降50%。

结论：SERS基底可稳定检测染料分子，但需控制检测时间以避免光降解。

目前拉曼光谱在药物分析、矿物分析、材料分析、食品安全、水质和环境监测、生命科学、刑事侦查等多种领域得到了非常广泛的应用。

1、药物分析

在药物分析领域，拉曼光谱可以对药物进行质量控制、成分鉴定、药物鉴别。还可以定量测定不同配方中的药物活性成分，提供多晶型筛选等。

2、矿物分析

拉曼光谱是矿物表征和检测水及有机/无机碳形态的强大工具，通过拉曼光谱可以有效地对行星表面的岩石和土壤中的矿物比例进行量化。还可用于文物颜料鉴定分析、宝石/玉石鉴定等。

3、材料分析

拉曼光谱可以说是材料分析的权威方法之一，适用于任何材料体系（超导体、半导体、碳材料、纳米材料等），能够提供材料结构方面的许多重要信息，如分子结构与组成、立体规整性、结晶与去向、分子相互作用，以及表面和界面的结构等。

4、食品安全

拉曼光谱在食品安全领域的应用主要包括食品成分分析、食品掺假检测、微生物检测、农药残留检测、肉制品检测、乳饮品检测、食品添加剂的分析、食品包装材料分析等。

5、环境监测

在环境监测中，拉曼光谱主要用于水质污染监测、表面污染检测和其他有机污染物。例如，可以实时监测废水中的有机污染物，或追踪大气中的有害气体。

6、生命科学

拉曼光谱可用于蛋白质、核酸等生物大分子的结构分析，检测细胞内特定分子的浓度变化等。此外，拉曼光谱还可以用于细胞和组织的癌变检测，成为诊断肿瘤方法之一。

7、刑事科学

拉曼光谱可用于分析犯罪现场的物证。还可对爆炸物、墨迹等的痕迹进行无损检测，为法庭提供科学证据的有力手段。

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