第1章 拉曼光谱发展历史

1928年印度科学家拉曼实验发现，单色入射光透射到物质中的散射光包含与入射光频率不同的光，即拉曼散射。他也因此获得诺贝尔奖。但拉曼效应很弱，且当时散射光强度低，使得以拉曼效应为基础的拉曼光谱法经历了30年的应用发展严重限制期。直到1960年后，激光技术的引入，拉曼光谱仪以激光作为光源，光的单色性和强度大大提高，拉曼光谱技术才得以迅速发展。

第2章 拉曼光谱原理

用波长比试样粒径小得多的单色光照射试样时，大部分光会透过该样品，而小部分光被样品分子发生各个方向上散射。通过散射光的不同，这些散射过程又被分为瑞利散射和拉曼散射。

第2.1节 瑞利散射及拉曼散射

入射光的光子与物质分子的碰撞，既有弹性碰撞，又有非弹性碰撞，二者对于光子能量（频率）的影响是不同的。

在光子和样品分子发生弹性碰撞的过程中，光子和分子之间没有能量交换，即光子只改变运动方向，而频率保持不变，因此散射光能量和入射光能量相同。这种弹性散射被称为瑞利散射。

当光子和样品分子发生非弹性碰撞时，光子与分子之间发生能量交换，使得散射光能量和入射光能量大小不同，光的频率和方向都有所改变。这种由于非弹性散射导致出现其他频率的散射光的现象被称为拉曼效应，该过程被称为拉曼散射。

拉曼散射的散射光强度约占总散射光强度的10^-6~10^-10。

第2.2节 拉曼光谱理论

样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。样品分子在吸收了光子后，被激发到较高的不稳定的能态（虚态）。总的来说，就是散射物质光子吸收部分能量，或把自身的部分能量加到光子身上去，再发射出的光子就和原光子不相干，形成新的谱结构。

我们将频率未变的散射线（即ν=ν₀）称为瑞利线，频率变低的散射线（ν<ν₀）称为斯托克斯线，频率变高的散射线（ν>ν₀）称为反斯托克斯线。

由上图可知，

瑞利线（黑-蓝线）：处于基态E₀的分子受入射光hν₀的激发而跃迁到受激虚态后很快地跃迁回基态，将吸收的能量hν₀以光子形式释放；处于激发态E₁的分子受入射光hν₀的激发而跃迁到受激虚态，然后跃迁回激发态，释放能量为hν₀的光子。

stokes线（左边红-黑线）：从基态跃迁至受激虚态的分子，跃迁回E₁激发态，释放能量为h（ν₀-ν₁）的光子。

anti-stokes线：从E₁激发态跃迁至受激虚态的分子，跃迁回基态，释放能量为h（ν₀+ν₁）的光子。

拉曼位移：即Stokes与Anti-stokes散射光的频率与激发光之间频率的差值Δν。

对于同一物质，拉曼位移与入射光频率无关，取决于分子振动能级的变化，其数值决定于振动的第一激发态与振动基态的能级差。因而，同一振动方式产生的拉曼位移频率与红外吸收的频率吧范围是相同的。

不同的化学键或基态有不同的振动方式，决定了其能级间的能量变化，与之对应的拉曼位移是具有特征性的。

散射线强度：瑞利线的强度约为入射光的10^-3量级^[^1]；较强的斯托克斯线则不到10^-6，反斯托克斯线起因于样品中较高能态的作用，由玻尔兹曼分布定律可知，通常情况下，分子绝大多数处于振动能级基态，因而反斯托克斯线强度不到斯托克斯线的1%^[^1]。因此，在一般的拉曼光谱图中只有斯托克斯线。

拉曼谱线强度与入射光强度和样品浓度成正比，若入射光强度一定，则可从谱线强度定量测得样品浓度。

第2.3节 拉曼活性判断^[^2]

由拉曼光谱的原理可知，拉曼光谱与红外光谱有许多相似之处，因而两者的活性判断也具有相应的规律性。

1. 凡具有对称中心的分子，如CS₂、CO₂和XeF₄等，其对称振动是拉曼活性、红外非活性的，而非对称振动是红外活性、拉曼非活性的，两者具有互斥性。

2. 不具有对称中心的分子，如H₂O、氯仿（CHCl₃)其红外和拉曼活性是并存。

3. 有少数分子的振动，例如平面对称分子乙烯的卷曲振动，既没有偶极矩变化，也没有极化度的改变，所以其红外和拉曼都是非活性的。

第3章 拉曼光谱谱图及仪器简介

第3.1节 拉曼光谱特征

拉曼光谱图横坐标是拉曼位移（波数），纵坐标是谱带的强度。

上图是已略去反斯托克斯谱带得到的类似于红外光谱的拉曼光谱图。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。

对于未略去反斯托克斯谱带的拉曼光谱而言，

1. 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。

2. 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。

第3.2节 拉曼光谱仪器

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。

第4章 拉曼光谱应用

拉曼光谱既可进行定性分析，又可以进行定量分析。它可以提供聚合物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。从拉曼峰的宽度可以表征高分子材料的立体化学纯度。

1. 拉曼光谱与红外光谱互补，目前被广泛用于有机化合物的结构分析。利用拉曼光谱法可以鉴定某些红外光谱法无法鉴别的窗能团。例如，非极性碳碳双键可产生强的拉曼谱带，且其强度随分子结构而异，利用这一特性，可用拉曼光谱法测定顺反异构体和双键上取代基的位置。

2. 拉曼光谱特别适合高聚物碳链骨架或环的测定，并能很好地区分各种异构体，如单体异构、位置异构、儿何异构和顺反异构等，还可用于聚合物的立体规整性研究，以及结晶度和取向度的研究。

3. 水的拉曼散射很弱，因此很多水溶性物质，包括一些生物大分予及生物体内的其他组分都可以用拉曼光谱来研究。拉曼光谐已用于测定氨基酸、糖、胰岛素、激素、核酸、DNA等生化物质。

4. 当实验条件一定时，拉曼光谱的强度与样品的浓度成级性关系，拉曼光谱常用的定量方法为内标法，检出限在 μg·cm^-3 数量级，可用于有机物和无机例离子的定量分析。

第4.1节 拉曼光谱仪具体应用举例

4.1.1化工领域

孔安栋^[^3]等人利用改良过的拉曼光谱气体技术（近共心腔设计），可实时测定钻井液中溶解气体的成分和含量，即利用气测录井的手段，来判断油气层储量、位置等信息。而Bauer等人则同样利用拉曼光谱的手段，成功分析出了苯乙烯单体在乳液聚合反应中浓度变化的情况。拉曼光谱在化工生产领域可以实时的监测分析混合物成分，在与其他计算技术手段联用，可获得生产所需要的更多信息。

4.1.2生物领域

马建锋^[^5]等人通过纤维素拉曼光谱，成功分析出植物细胞壁内天然纤维素拉伸状态和微区分布等生物学信息，对纤维素酶水解过程中产物的浓度进行了有效的实时监测，同时成功利用拉曼光谱技术说明了了丝光化过程中纤维素内化学键的改变及分子间相互作用。韩晓霞等人将蛋白质印迹技术和和表面增强拉曼光谱技术结合起来，设计出一种基于表面增强拉曼光谱法的蛋白质组鉴定方法^[^6]。事实上，由于水具有拉曼光谱弱、谱图简单的特点，因此拉曼光谱技术就可以在接近自然活性状态的情况下研究生物大分子的结构及其变化，因而拉曼光谱在生物领域具有广阔的前景。

4.1.3材料领域

吕刚^[^7]等人通过拉曼光谱与电化学工作站测试手段联用的方法，成功分析出所制备的电致变色材料——氧化钨复合共生薄膜的结构和它的电致变色性能。王昕^[^8]等人通过拉曼光谱分析手段证明p-型多孔硅是更类似于纳米晶结构特征的材料。除此之外，拉曼光谱在其他薄膜材料、金刚石材料的结构和定性分析中都发挥着巨大作用。

4.1.4环境领域

在环境领域，已经有很多利用拉曼光谱技术分析水环境污染信息的文献报道。如徐阳^[^8]通过基于Au@MIL-101(Cr)/PATP金属有机框架复合材料基底的表面增强拉曼光谱来测定水中的戊二醛；通过基于MIL-101-MA@Ag的表面增强拉曼光谱测定鱼肉中的违禁鱼药。宋洪艳^[^9]等人通过表面增强拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)联用的方法，研究了海洋中的污染物多氯联苯的吸附特性和定性定量分析方法。除此之外，拉曼光谱还可用于污染物氰化物、硝酸盐、亚硝酸盐及其他一些有机污染物的鉴定和分析。

第5章总结

从拉曼光谱产生到现在，已经衍生出了许多不同特点不同应用领域的拉曼光谱技术，如共焦显微拉曼光谱技术、傅里叶变换拉曼光谱技术、表面增强拉曼光谱技术、激光共振拉曼光谱技术、光声拉曼技术、高温高压原位拉曼技术等等，与此同时，越来越多文献报道的对物质的定性定量分析的技术是利用拉曼光谱和其他分析技术联用来实现的。拉曼光谱快速和无损伤分析在对微量成分或珍贵物质的定性定量分析中有着非常重要的作用。可以想象，随着技术的进一步发展，拉曼光谱的应用领域将会越来越多，改良手段会越来越丰富，科研前景也会越来越广阔。

参考文献

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[2]董慧茹. 仪器分析[M]. 北京：北京工业出版社，2016：233-238.

[3]孔安栋, 杨德旺, 郭金家等. 腔增强气体拉曼光谱仪在气测录井中的应用[J]. 光学精密工程, 2022, 第30卷(10):1151-1159.

[4]Bauer C, Amram B, Agnely M. On-line monitoring of a latex emulsion polymerization by fiber-optic FT-raman spectroscopy[J]. Applied pectroscopy, 2000, 54(4): 528-535.

[5]马建锋, 杨淑敏, 田根林等. 拉曼光谱在天然纤维素结构研究中的应用进展[J]. 光谱学与光谱分析, 2016, 第36卷(6):1734-1739.

[6]韩晓霞, 阮伟东, 王延飞, 吕志成, 王春旭, 王旭, 赵冰. 基于表面增强拉曼光谱的蛋白质组分析方法[C]//. 第十四届全国光散射学术会议论文摘要集. [出版者不详], 2007: 93.

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[9]宋洪艳, 赵航, 严霞等. 基于表面增强拉曼光谱技术的海洋污染物多氯联苯吸附特性分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2022, 第42卷(3):704-712.

附件：

拉曼光谱技术的原理及应用研究.docx