拉曼光譜的前世今生：拉曼光譜運用現狀以及優越性

　　拉曼光譜是一種散射光譜。早在30年代，拉曼光譜就曾是研究分子結構的主要手段。后來隨著實驗內容的不斷深入，拉曼光譜的弱點(主要是拉曼效應太弱)越來越突出，特別是 40 年代以后，由于紅外光譜的迅速發展，拉曼光譜的地位更是一落千丈。直到 1960 年激光問世并將這種新型光源引入拉曼光譜后，拉曼光譜出現了嶄新的局面。拉曼光譜由于具有與紅外光譜不同的選擇性定則而常常作為紅外光譜的必要補充而配合使用，可以更完整地研究分子的振動和轉動能級，更好底解決結構分析問題。與紅外光譜方法比較，拉曼光譜分析無需樣品制備、不受樣品水分的干擾、可以獲得骨架結構方面的信息而日益受到重視，特別適合生物體系的研究。近年來一系列新型拉曼光譜技術的發展進一步顯示它的應用潛力。

　　拉曼散射的發現

　　拉曼散射是印度科學家 Raman在 1928年發現的，拉曼光譜因之得名。光和分子相互作用時引起每個分子作受迫振動從而產生散射光，散射光的頻率和入射光的頻率相同的這種散射稱為瑞利散射，由英國科學家瑞利于 1899 年進行了研究。但當拉曼在他的實驗室里用一個大透鏡將太陽光聚焦到一瓶苯溶液中時，他發現經過濾光的陽光呈藍色，但是當光束進入溶液之后，除了入射的藍光之外，拉曼還觀察到了很微弱的綠光。拉曼認為這是光與分子相互作用而產生的一種新頻率的光譜帶。拉曼因此獲得1930年諾貝爾物理學獎，成為第一個獲得這一獎項、并且沒有接受過西方教育的亞洲人。

　　拉曼光譜的發展

　　自拉曼效應在 1928 年被發現以后，30 年代拉曼光譜曾是研究分子結構的主要手段。拉曼光譜為研究晶體或分子的結構提供了重要手段，在光譜學中形成了拉曼光譜學的一個分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振動的固有頻率，并可決定分子的對稱性、分子內部的作用力等。那時的拉曼光譜儀是以汞弧燈為光源，物質產生的拉曼散射譜線極其微弱，強度大約為瑞利散射的千分之一，對樣品進行拉曼散射研究時常有較強的熒光及瑞利散射干擾等等，因此它在相當長一段時間里未真正成為一種有實際應用價值的工具，應用受到限制，尤其是紅外光譜的出現，使得拉曼光譜在分子結構分析中的地位一落千丈。直至 60 年代激光光源的問世，以及光電訊號轉換器件的發展才有力推動了拉曼散射的研究及其應用。優質的單色光、高強度的激光的使用極大地提高了包含雙光子過程的拉曼光譜分辯率和實用性。此外強激光引起的非線性效應導致了新的拉曼散射現象。為了進一步提高拉曼散射的強度，人們先后發展了傅立葉變換拉曼光譜、時間分辨拉曼光譜等新技術，使光譜儀的效率和靈敏度得到更大的提高。目前拉曼光譜的應用范圍遍及化學、物理學、生物學和醫學等各個領域。世界上各大儀器廠家相繼推出了激光拉曼光譜儀，拉曼光譜的應用領域還在不斷拓寬。70年代中期，激光拉曼探針的出現，給微區分析注入活力。80 年代以來，隨著科學技術的飛速發展，激光拉曼光譜儀在性能方面日臻完善。

　　拉曼散射的經典理論

　　當物質的大小遠遠小于入射光的波長時，會發生散射現象。瑞利散射與拉曼散射光的強度都與入射光頻率的四次方成正比。但是瑞利散射光的頻率沒有變化，而拉曼散射光的頻率則發生了變化。造成這些現象的原因，從經典的理論來說，可以看作是入射光電磁波使原子或分子電極化以后產生的，因為原子和分子都是可以被極化的，因而產生瑞利散射;又因為極化率隨著分子內部的運動(轉動、振動)而變化，所以產生拉曼散射。拉曼線是入射光場與分子振動相互作用的結果。利用拉曼光譜可以去研究分子內部振動和轉動特性。拉曼譜線的頻率、強度和偏振度可以研究物質的結構和性質。經典理論成功的解釋了分子振動的拉曼散射，但是存在不足之處。推導出大公式表明斯托克斯和反斯托克斯線的強度應該相等，但是實驗上證明這個結果并不正確。實驗結果是反斯托克斯線比斯托克斯線弱幾個數量級，這個疑團只有用量子理論來解釋。

　　拉曼散射光譜明顯的特征

　　(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;

　　(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，處于振動基態上的粒子數遠大于處于振動激發態上的粒子數。

　　拉曼光譜技術的優越性

　　(1)它適于分子骨架的測定，且無需制樣。提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。

　　(2)不受水的干擾。由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。拉曼光譜工作在可見光區，用拉曼光譜進行光譜分析時，水是有用的溶劑，而對紅外光譜水是差的溶劑。此外，拉曼光譜測量所用的器件和樣品池材料可以由玻璃或石英制成，而紅外光譜測量需要用鹽材料。

　　(3)拉曼一次可以同時覆蓋 50～4000 cm -1 的區間，可對有機物及無機物進行分析。相反，用傳統的紅外光譜儀測量必須使用兩臺以上儀器才能覆蓋這一區域。若讓紅外光譜覆蓋相同的區間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。拉曼儀器中用的傳感器都是標準的紫外、可見光器件，檢測響應得非常快，所以拉曼光譜法可用于研究壽命，并可用于跟蹤快速反應的動力學過程。

　　(4)因為諧波和合頻帶都不是非常強，所以拉曼光譜一般都比紅外光譜簡單，重疊帶很少見到。拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數據庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區間的強度可以和功能集團的數量相關。

　　(5)拉曼光譜使用的激光光源性質使其相當易于探測微量樣品，如表面、薄膜、粉末、溶液、氣體和許多其他類型的樣品。因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2～2 mm，常規拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規紅外光譜一個很大的優勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至 20 μm 甚至更小，可分析更小面積的樣品。

　　(6)共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發色基團的振動，這些發色基團的拉曼光強能被選擇性地增強10-3 ～10-4倍。偏振測量也給拉曼光譜所得信息增加了一個額外的因素，這對帶的認定和結構測定是一個幫助。拉曼光譜技術自身的這些優點使之成為現代光譜分析中重要的一員。