淺析拉曼光譜的原理及其應用

劉順彭

摘 要 本文簡述了拉曼光譜產生的基本原理及其發展，從礦床學、無機物等方面討論了拉曼光譜在不同研究領域的應用，簡要介紹了表面增強拉曼光譜技術、高溫拉曼光譜技術、共振拉曼光譜技術、共焦顯微拉曼光譜技術等。關鍵詞 拉曼光譜；原理；應用

中圖分類號 O6 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）07-0001-01

1 拉曼光譜的發展

1928年，一個叫C.V.Raman的印度物理學家發現一種散射光譜，并稱之為拉曼光譜。剛發現該光譜的時候它的聚焦必須要用日光來當光源，后來人們慢慢發現汞弧燈的聚集性更好更方便，就用汞孤燈替代了日光。但是汞弧燈存在強度不太高、單色性差等缺點，這在一定程度上阻礙了拉曼光譜的發展。到60年代后，微弱信號檢測技術得到改善，計算機應用普及，又引入激光光源，這些都給拉曼光譜的發展帶來了新的轉機。再后來，激光拉曼探針的出現使拉曼光譜技術出現了質的飛躍。

2 拉曼光譜的特點

分子的簡正振動過程中極化率的變化的大小不能決定紅外光譜中的譜線強度，但是能決定拉曼光譜的譜線強度，這也就使得通過拉曼光譜可以檢測紅外光譜儀中無法檢測出來的信息。拉曼效應是所有分子的共性，且其存在的形態不影響這一效應，這也說明拉曼效應具有普遍性。用拉曼散射光譜檢測樣品時，樣品不需要特殊制備，樣品數量的多少也無所謂，在探測樣品時拉曼散射采用光子探針，這種探針不會損傷樣品，可保全樣品的完整性。

3 拉曼光譜在不同研究領域的應用

3.1 在無機材料中的應用

在研究低維納米材料的眾多方法中，拉曼光譜法儼然成為了首選。在納米材料中，包括組成成分、鍵合類型、制備納米材料的方法以及制作工程中必要的熱處理環節，都能影響納晶界結構本身又比較復雜，這就使得納米材料的研究難以進行，而拉曼光譜法恰恰可以解決這一問題，納米材料的結構信息可以通過拉曼頻率表現出來。所以不管是從納米材料的分子結構去分析，還是從鍵態特征角度去看，又或者是進行其定性鑒定，都能利用拉曼光譜獲得重要信息資料。

3.2 在礦床學中的應用

拉曼光譜法可應用在礦床學中，對沉積有機質或有機碳質物進行研究。沉積有機質會發生熱蝕變現象，拉曼光譜對這種變化異常敏感，所以有機質的拉曼光譜會隨著演化階段而發生系統性的變化。根據這一特性，研究沉積有機質時，就可以依靠有機質的拉曼譜圖建立拉曼譜參數回歸方程，再利用方程計算源巖的埋藏歷史、沉積環境，然后綜合分析判定其具有的油、氣潛力。拉曼光譜在一定程度上促進了礦床學的研究。

4 拉曼光譜技術

4.1 表面增強拉曼光譜技術

在一些特殊的金屬良導體表面或溶膠的制備過程中，表面增強拉曼散射的吸附分子的拉曼散射信號遠大于普通拉曼散射信號。拉曼光譜最顯著的缺點是靈敏度很低，而表面增強拉技術恰好克服了這一缺點，并且能夠獲得常規拉曼光譜不易獲得的結構信息。這也就是表面研究、吸附界面表面狀研態究等都運用表面增強拉曼光譜技術的原因。

4.2 高溫拉曼光譜技術

運用高溫激光拉曼技術時，拉曼光譜的譜峰頻率、位移、峰高、峰寬、峰面積及其包絡線的量化解析都會發生變化。因此，工業冶金、制作玻璃、研究地質化學、探究晶體的生長等涉及固體的高溫相變過程，熔體的鍵合結構的研究領域，通常都會使用高溫拉曼光譜技術。

4.3 共振拉曼光譜技術

要想提高分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度，并使其達到正常拉曼譜帶的104～106倍，就必須用到共振拉曼光譜技術。共振拉曼光譜不僅彌補了拉曼光譜靈敏低這一缺點，同時它還具有一個非常大的特點，就是只要共振拉曼光譜產生的激光頻率與待測分子的電子吸收峰接近或重合時，就可以觀察到泛音及組合振動光譜，這在常規的拉曼光譜中是極難見到的。共振拉曼光譜的高靈敏性，用于低濃度檢測再好不過，甚至可以不加任何處理就得到人體體液的光譜圖。若要其靈敏度可以達到單分子檢測，只需將共振拉曼光譜技術與表面增強技術相結合。

4.4 共焦顯微拉曼光譜技術

要想提高分子強度，就必須用到共振拉曼光譜技術。共振拉曼光譜不僅彌補了拉曼光譜靈敏低這一缺點，同時它還具有一個非常大的特點，就是只要共振拉曼光譜產生的激光頻率與待測分子的電子吸收峰接近或重合時，就可以觀察到泛音及組合振動光譜，這在常規的拉曼光譜中是極難見到的。共振拉曼光譜的高靈敏性，用于低濃度檢測再好不過，甚至可以不加任何處理就得到人體體液的光譜圖。若要其靈敏度可以達到單分子檢測，只需將共振拉曼光譜技術與表面增強技術相結合。

4.5 傅立葉變換拉曼光譜技術

從20世紀90開始，傅立葉變換拉曼光譜逐漸發展起來。在1987年，第一臺近紅外激發傅立葉變換拉曼光譜（N IR FT-R）儀面向世界，由Perkin Elmer公司推出了。為了減弱熒光背景，照射樣品采用的是1 064mm的近紅外激光。此后，化學、生物學和生物醫學樣品的非破壞性結構分析研究中都有用到傅立葉變換拉曼光譜技術。

4.6 拉曼光譜與其他儀器聯用技術

拉曼光譜與其他儀器的聯用與其單獨使用相比，可以獲得更多的有用信息，且信息的可靠度也得到大大提高。正是如此，拉曼光譜儀和這些不同儀器的聯用得到了全球各地的研究單位的密切關注，并且開始著手研究。

5 結論

通過以上理論分析，我們可以總結出來這樣一個結論：拉曼光譜技術是所有化學、物理技術中最為卓越的，而拉曼光譜儀的發展對各個領域的研究都有著非凡的意義。

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