一文解析拉曼散射和光譜學

本文簡單地介紹了拉曼散射和拉曼光譜。

拉曼散射現象是印度物理學家拉曼(C.V.Raman)于1928年發現。當光照射在介質上，除被介質反射、吸收和透射及瑞利散射外，還有一部分與入射光波長不同的散射光，稱之為拉曼散射光，瑞利散射散射光波長與入射光波長相同。 拉曼光譜是一種功能強大且用途廣泛的分析技術，用于研究分子和材料樣品。該技術基于光的非彈性散射，也稱為拉曼散射，可以識別和定量樣品中的化學鍵。 每個分子或材料都有一組獨特的化學鍵，這些鍵振動的頻率取決于當地的化學環境。這為每個分子提供了可用于識別的獨特拉曼“指紋”。 觀察到的轉變強度也可用于獲取有關樣品的定量信息。典型的拉曼光譜儀器由光源、光束處理光學器件和探測器組成。

了解拉曼散射

拉曼光譜最常見的方法是通過用光誘導分子的振動轉變來監測化學振動。當光照射到樣品上時，一些光子會受到彈性或非彈性散射。 由于在彈性散射中，入射光子和樣品之間沒有能量轉移，因此被測光的波長與輸入光相同。這種散射叫瑞利散射。 在非彈性散射事件中，樣品和光子之間存在能量轉移，進而散射波長與入射波長不一樣。這種散射叫拉曼散射。 拉曼頻移（Raman shift）：拉曼光譜的橫坐標稱作拉曼頻移。拉曼散射分為斯托克斯散射和反斯托克斯散射，通常的拉曼實驗檢測到的是斯托克斯散射，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取決于分子振動能級的改變，所以他是特征的，并且拉曼光譜與入射光波長無關，適應于分子結構的分析。

圖片來自濱松光子。

拉曼光譜原理和儀器

測量拉曼光譜的困難之一是拉曼過程并不是唯一可能由光引發的過程。如果分子受到光源的電刺激，它可能會發出熒光，表明通過光子發射的能量弛豫。 熒光背景是拉曼光譜中的一個嚴重問題，因為這些背景信號具有更寬的能量范圍，并且比非彈性散射的拉曼信號更強大。拉曼信號自然較弱，強度標度為 1/λ^4，其中 λ 是用于啟動拉曼過程的激發波長。 在拉曼光譜中使用較短波長的激發源可以提高拉曼的強度，但也增加了有足夠的能量來激活樣品中的電子躍遷并啟動熒光過程的可能性。 為了充分利用拉曼光譜在樣品鑒定中的強大功能，必須仔細布局拉曼光譜光譜，以盡量減少這些相互競爭的貢獻。 近年來，更長波長的激發和使用更靈敏的傅里葉變換拉曼光譜儀器，以及提高拉曼信號電平的表面增強方法已經變得普遍。

審核編輯：黃飛