拉曼光谱的前世今生：拉曼光谱运用现状以及优越性

　　拉曼光谱是一种散射光谱。早在30年代，拉曼光谱就曾是研究分子结构的主要手段。后来随着实验内容的不断深入，拉曼光谱的弱点(主要是拉曼效应太弱)越来越突出，特别是 40 年代以后，由于红外光谱的迅速发展，拉曼光谱的地位更是一落千丈。直到 1960 年激光问世并将这种新型光源引入拉曼光谱后，拉曼光谱出现了崭新的局面。拉曼光谱由于具有与红外光谱不同的选择性定则而常常作为红外光谱的必要补充而配合使用，可以更完整地研究分子的振动和转动能级，更好底解决结构分析问题。与红外光谱方法比较，拉曼光谱分析无需样品制备、不受样品水分的干扰、可以获得骨架结构方面的信息而日益受到重视，特别适合生物体系的研究。近年来一系列新型拉曼光谱技术的发展进一步显示它的应用潜力。

　　拉曼散射的发现

　　拉曼散射是印度科学家 Raman在 1928年发现的，拉曼光谱因之得名。光和分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率和入射光的频率相同的这种散射称为瑞利散射，由英国科学家瑞利于 1899 年进行了研究。但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯溶液中时，他发现经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。拉曼因此获得1930年诺贝尔物理学奖，成为第一个获得这一奖项、并且没有接受过西方教育的亚洲人。

　　拉曼光谱的发展

　　自拉曼效应在 1928 年被发现以后，30 年代拉曼光谱曾是研究分子结构的主要手段。拉曼光谱为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光谱学的一个分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。那时的拉曼光谱仪是以汞弧灯为光源，物质产生的拉曼散射谱线极其微弱，强度大约为瑞利散射的千分之一，对样品进行拉曼散射研究时常有较强的荧光及瑞利散射干扰等等，因此它在相当长一段时间里未真正成为一种有实际应用价值的工具，应用受到限制，尤其是红外光谱的出现，使得拉曼光谱在分子结构分析中的地位一落千丈。直至 60 年代激光光源的问世，以及光电讯号转换器件的发展才有力推动了拉曼散射的研究及其应用。优质的单色光、高强度的激光的使用极大地提高了包含双光子过程的拉曼光谱分辩率和实用性。此外强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。为了进一步提高拉曼散射的强度，人们先后发展了傅立叶变换拉曼光谱、时间分辨拉曼光谱等新技术，使光谱仪的效率和灵敏度得到更大的提高。目前拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域。世界上各大仪器厂家相继推出了激光拉曼光谱仪，拉曼光谱的应用领域还在不断拓宽。70年代中期，激光拉曼探针的出现，给微区分析注入活力。80 年代以来，随着科学技术的飞速发展，激光拉曼光谱仪在性能方面日臻完善。

　　拉曼散射的经典理论

　　当物质的大小远远小于入射光的波长时，会发生散射现象。瑞利散射与拉曼散射光的强度都与入射光频率的四次方成正比。但是瑞利散射光的频率没有变化，而拉曼散射光的频率则发生了变化。造成这些现象的原因，从经典的理论来说，可以看作是入射光电磁波使原子或分子电极化以后产生的，因为原子和分子都是可以被极化的，因而产生瑞利散射;又因为极化率随着分子内部的运动(转动、振动)而变化，所以产生拉曼散射。拉曼线是入射光场与分子振动相互作用的结果。利用拉曼光谱可以去研究分子内部振动和转动特性。拉曼谱线的频率、强度和偏振度可以研究物质的结构和性质。经典理论成功的解释了分子振动的拉曼散射，但是存在不足之处。推导出大公式表明斯托克斯和反斯托克斯线的强度应该相等，但是实验上证明这个结果并不正确。实验结果是反斯托克斯线比斯托克斯线弱几个数量级，这个疑团只有用量子理论来解释。

　　拉曼散射光谱明显的特征

　　(1)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;

　　(2)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。

　　(3)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。

　　拉曼光谱技术的优越性

　　(1)它适于分子骨架的测定，且无需制样。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。

　　(2)不受水的干扰。由于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。拉曼光谱工作在可见光区，用拉曼光谱进行光谱分析时，水是有用的溶剂，而对红外光谱水是差的溶剂。此外，拉曼光谱测量所用的器件和样品池材料可以由玻璃或石英制成，而红外光谱测量需要用盐材料。

　　(3)拉曼一次可以同时覆盖 50～4000 cm -1 的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，用传统的红外光谱仪测量必须使用两台以上仪器才能覆盖这一区域。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。拉曼仪器中用的传感器都是标准的紫外、可见光器件，检测响应得非常快，所以拉曼光谱法可用于研究寿命，并可用于跟踪快速反应的动力学过程。

　　(4)因为谐波和合频带都不是非常强，所以拉曼光谱一般都比红外光谱简单，重叠带很少见到。拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

　　(5)拉曼光谱使用的激光光源性质使其相当易于探测微量样品，如表面、薄膜、粉末、溶液、气体和许多其他类型的样品。因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2～2 mm，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 μm 甚至更小，可分析更小面积的样品。

　　(6)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10-3 ～10-4倍。偏振测量也给拉曼光谱所得信息增加了一个额外的因素，这对带的认定和结构测定是一个帮助。拉曼光谱技术自身的这些优点使之成为现代光谱分析中重要的一员。