拉曼測量解決方案

拉曼光譜測量是一種無損的光學分析技術，其基本原理基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現的拉曼散射效應，它是基于光和材料的相互作用而產生的。拉曼光譜可以提供樣品化學結構、相和形態(tài)、結晶度及分子相互作用的詳細信息。

發(fā)現并理解拉曼效應為一種新的光譜學打開了大門。然而，只有隨著激光的發(fā)現，拉曼光譜才真正扎根。因此，拉曼光譜需要單色光，用激光照射樣品，并用光譜儀（色散或傅里葉轉換技術）分析部分散射光。最后我們得到了一份拉曼光譜，它顯示了我們所研究的材料的特征信號或“譜帶”。

能級圖展表示出不同的能級相對應的拉曼訊號，線的粗細大致成比例約略描述訊號的大小

基本概念

• 斯托克斯位移/反斯托克斯位移

如果最終振動狀態(tài)的分子比初始狀態(tài)時能量高，所激發(fā)出來的光子頻率則較低，以確保系統(tǒng)的總能量守恒。這一個頻率的改變被名為斯托克斯位移（Stokes shift）。如果最終振動狀態(tài)的分子比初始狀態(tài)時能量低，所激發(fā)出來的光子頻率則較高，這一個頻率的改變被名為反斯托克斯位移（Anti-Stokes shift）。

二次諧波產生（SHG)、雙光子激發(fā)熒光（TPEF)、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）以及受激拉曼散射（SRS）的能級圖

• 瑞利散射

激光光源的高強度入射光被分子散射時，大多數散射光與入射激光具有相同的波長（顏色），例如，如果用綠色激光筆指向一堵墻，你總是會看到一個綠點。散射光的顏色明顯沒有發(fā)生改變，這種散射稱為瑞利散射。

• 拉曼散射

然而，當光子與物質分子相互作用時，還有極小一部分（大約1/10⁹）散射光的波長（顏色）與入射光不同，其波長的改變由測試樣品（所謂散射物質）的化學結構所決定，光子的能量會轉移到分子振動的振動能級上，導致其能量發(fā)生變化，從而產生散射光，這部分散射光稱為拉曼散射。

關于振動的配位，分子極化電勢的改變或稱電子云的改變量，是分子拉曼效應必定的結果。極化率的變化量將決定拉曼散射強度。該模式頻率的改變是由樣品的旋轉和振動狀態(tài)決定。

然而，也可能發(fā)生非彈性散射過程，從而導致發(fā)射不同波長的光。這通常與分子振動有關。這種散射現象被稱為拉曼效應，它是由阿道夫·斯梅卡爾于1923年預言并由C.V.Raman于1930年發(fā)現的。

分子碰撞模型產生的散射現象示意圖

拉曼光譜的基本原理

拉曼光譜是由物質分子對光源的散射產生的，與分子的振動與轉動能級的變化有關，來源于分子極化度的變化，是由有對稱電荷分布的鍵的對稱振動引起的。如-C=C-、-N=N-及-S-S-等，這些鍵振動時偶極矩不發(fā)生變化。因此，我們可以通過光激發(fā)分子運動，然后解釋這種相互作用，從而對樣品進行化學分析。拉曼光譜常用于研究非極性基團與骨架的對稱振動。

當光線照射到分子并且和分子中的電子云及分子鍵結產生相互作用，就會發(fā)生拉曼效應。對于自發(fā)拉曼效應，光子將分子從基態(tài)激發(fā)到一個虛能量狀態(tài)。當激發(fā)態(tài)的分子放出一個光子后并返回到一個不同于基態(tài)的旋轉或振動狀態(tài)。在基態(tài)與新狀態(tài)間的能量差會使得釋放光子的頻率與激發(fā)光線的波長不同。

單光束電子共振增強相干拉曼散射的基本原理

拉曼光譜可以提供樣品化學結構、相和形態(tài)、結晶度及分子相互作用的詳細信息。一張拉曼譜圖通常由一定數量的拉曼峰構成，每個拉曼峰代表了相應的拉曼散射光的波長位置和強度。每個譜峰對應于一種特定的分子鍵振動，其中既包括單一的化學鍵，例如C-C，C=C，N-O，C-H等，也包括由數個化學鍵組成的基團的振動，例如苯環(huán)的呼吸振動、多聚物長鏈的振動以及晶格振動等。

• 拉曼光譜特點

拉曼光譜圖與物質特征之間的關系

1、拉曼散射譜線的波數雖然隨入射光的波數而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關，只和樣品的振動轉動能級有關，而不同物質的拉曼位移是不一樣的（這也是用拉曼光譜定性分析樣品結構的依據）

2 、在以波數為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側， 這是由于在上述兩種情況下分別相應于得到或失去了一個振動量子的能量。

3、一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數遠大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數。

4、拉曼光譜（Raman Spectra）與紅外線光譜（IR spectra）都是分子振動光譜，兩者本身是屬于互補關系。當樣品屬于偶極矩較強的結構，例如：C-O或C=O鍵結，對于紅外線光源(IR source)有較強的吸收，反之，若是極矩較弱的結構，例如C-C或C=C等，則是較容易使用拉曼光譜儀(Raman Spectrometer)進行分析。

trans-Cinnamyl acetate（菌桂精油成分之一）結構的紅外線光譜和拉曼光譜

拉曼測量解決方案

要獲得拉曼光譜，只需要把激光聚焦在你想研究的樣品上。但是，該樣品在用于激發(fā)的激光下不能產生熒光。如果樣品產生熒光的話，熒光將掩蓋大部分拉曼效應，因為與熒光信號相比，拉曼信號顯得十分微弱。

激光照射樣品后，散射光通過濾光片（以去除激發(fā)激光中的任何光）。然后散射光被導入到一個光柵上，光柵像棱鏡一樣將非彈性散射光按波長進行分布。最后這些光線被導入到一個CCD傳感器，然后根據強度生成一張光譜。

測量拉曼光譜的基本設置

拉曼光譜既可用于定性測試，也可用于定量測試。通常情況下，拉曼光譜（包括峰位和相對強度） 提供了物質獨一無二的化學指紋，可以用于識別該物質并區(qū)別于其他物質。實際測試的拉曼光譜往往很復雜，通過譜峰歸屬來判定未知物相對比較復雜，而通過拉曼光譜數據庫進行搜索來尋找與之匹配的結果，則可以快速對未知物進行判別。

拉曼測量連接示意圖

• 拉曼光譜測量過程

1. 激光光源：選擇適當波長的激光作為入射光源，如氦氖激光器。

2. 樣品制備：將待測樣品放置在一個專門設計的拉曼光譜儀的樣品池中，以便激光束能夠照射到樣品表面。

幾乎所有包含真實的分子鍵的物質都可以用于拉曼光譜分析，即固體、粉末、軟膏、液體、膠體和氣體都可以使用拉曼光譜進行分析；拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數的區(qū)間，可對有機物及無機物，甚至是生物材料進行分析（若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器）；拉曼對溶液，固體混合物和純物質都可以進行分析。

混合材料樣品的拉曼光譜：從某個樣品獲取的拉曼光譜包含了測試體積（激光照射到的體積）內所有分子的信息。因此，混合物的拉曼光譜中包含了代表測試體積內所有不同分子的拉曼信號。如果混合樣品的各種成分是已知的，那么根據相對峰強可以衡量混合物組分的相對含量。

乙醇、甲醇拉曼光譜圖

氣體樣品的拉曼光譜：雖然氣體樣品也可以通過拉曼光譜進行分析，但是由于氣體的分子密度特別低，所以測量氣體的拉曼光譜相對較難，通常需要用到大功率激光器和較長路徑的樣品池。

1. 激光照射：將激光束對準樣品表面，使其與樣品相互作用，產生拉曼散射。

2. 拉曼光譜獲取：拉曼散射光被探測器接收，并轉換為電信號。探測器通常采用光電倍增管（PMT）或電荷耦合器件（CCD），用于收集和記錄散射光的強度和頻率信息。

3. 數據處理與分析：采集到的數據被傳輸到計算機進行處理和分析。

通過對比拉曼光譜與標準數據庫中的拉曼光譜，可以確定待測樣品的分子結構、化學組成和晶體結構等信息。

在其他條件不變的情況下，光譜的強度正比于樣品濃度。通過標準濃度的樣品來確定峰強和濃度之間的關系（標準曲線） 后，即可進行濃度分析。對于混合物，相對峰強可以提供各種組分相對濃度的信息，與此同時，絕對峰強可以體現絕對濃度信息（參考標準濃度校正）。

1. 結果解釋與應用：根據拉曼光譜的信息，可以對物質進行定性和定量分析，從而為科學研究、材料開發(fā)和實際應用提供有價值的信息。

左上：樣品和測量的示意圖；左下：光學圖像缺陷；右：缺陷區(qū)域不同位置的紅外光譜

金屬薄膜下20 μm的黑色污染

應用領域

拉曼光譜包含某些“譜帶”或信號。這些“譜帶”或信號對于某些官能團和物質是獨一無二的。拉曼光譜技術可以快速、非破壞性地獲取大量信息，它們不僅提供了物質化學成分的信息，也提供了有關分子振動頻率和強度的信息、結晶度、多態(tài)性或壓力和溫度變化的信息，為理解和解析物質的結構和功能提供基礎。

目前拉曼光譜可應用在半導體材料、聚合體、碳材料、地質學/礦物學/寶石鑒定、生命科學、醫(yī)藥、化學、環(huán)境、物理、考古、薄膜以及法庭科學中違禁藥品檢查、區(qū)分各種顏料、色素、油漆、纖維等；另外在爆炸物的研究、墨跡研究、子彈殘留物和地質碎片研究中也有一定的應用。

常見生物組分和分子的拉曼光譜

在材料科學領域，拉曼光譜可以用于研究材料的微觀結構和性能，如晶體結構、缺陷和相變等。通過研究材料的拉曼光譜，可以評估其化學成分、晶體缺陷和性能參數等，從而為材料設計、制備和改性提供指導。

碳納米管具有“奇妙的碳納米管”、“太空電梯的繩索”之稱，且具有極好的可彎折性、密度小、硬度強等特點，是鋼的100倍

不同碳材料的拉曼光譜

單物種生物膜的拉曼光譜

TiO₂拉曼光譜圖

在生物學領域，拉曼光譜技術可用于研究生物分子的結構和功能，如蛋白質、核酸和多糖等。通過研究生物大分子的拉曼光譜，可以獲得關于分子結構、活性和相互作用等方面的信息，為疾病診斷、藥物研發(fā)和生物學研究提供有力支持。

線粒體細胞色素、肌紅蛋白和血紅蛋白在氧合和脫氧狀況下拉曼光譜出現的位移和峰值變化

在環(huán)境科學領域，拉曼光譜可以用于監(jiān)測和分析水體、土壤和大氣中的污染物，為環(huán)境保護和治理提供科學依據。同時，拉曼光譜技術在考古、地質學等其他領域也有一定的應用前景。

礦物分布

寶石樣品拉曼光譜圖

在醫(yī)療診斷領域，拉曼光譜技術可以輔助診斷腫瘤、炎癥和感染等疾病，為疾病的早期發(fā)現和治療提供新的手段。

14例（左上）結石為草酸鈣；3例（右上）為磷酸鈣結石；3例（下）為尿酸結石

皮膚組織拉曼光譜

在安全檢查領域，拉曼光譜技術可以檢測金屬材料中的夾雜物、裂紋等缺陷，提高工業(yè)生產和安全檢查的效率和準確。

鋼板銹層五個樣品點位的成像圖

785nm激發(fā)拉曼測試結果

在化學領域，是因為化學鍵以及對稱分子都有其特殊振動的光譜信息，因此提供作為分子鑒別時的重要特征。例如，SiO, Si2O₂, 和Si₃O₃的振動頻率是可被鑒別出來的，并列為紅外線光譜學以及拉曼光譜學配位分析的基礎。有機分子的特殊（波數）范圍在500-2000nm。另外一方面，光譜學配位分析技術也被運用到化學鍵結研究上，例如，在基質中加入酵素。

二甲基硅酮樣品（藍色）拉曼光譜與光譜庫中的光譜進行比較

亞硝酸鈷鈉溶液（藍色）與亞硝酸鈷鈉鉀（紅色）拉曼光譜圖

配置推薦：

• 拉曼光譜儀

萊森光學拉曼光譜儀采用微型共聚焦設計，抑制熒光，體積小巧，重量輕，可單獨使用，也可集成入手持式、便攜式、箱體式等多種制式的拉曼光譜儀系統(tǒng)中；具有高靈敏度、高信噪比、寬光譜范圍等優(yōu)異的性能。能夠充分滿足科研院所，企業(yè)在無機/有機材料、生物生命，化學/化工、藥物分析，食品安全，刑偵鑒定，環(huán)境污染檢測等研究中的需求。