淺析拉曼光譜的原理及其應(yīng)用

劉順彭

摘 要 本文簡述了拉曼光譜產(chǎn)生的基本原理及其發(fā)展，從礦床學(xué)、無機(jī)物等方面討論了拉曼光譜在不同研究領(lǐng)域的應(yīng)用，簡要介紹了表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)、高溫拉曼光譜技術(shù)、共振拉曼光譜技術(shù)、共焦顯微拉曼光譜技術(shù)等。關(guān)鍵詞 拉曼光譜；原理；應(yīng)用

中圖分類號 O6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）07-0001-01

1 拉曼光譜的發(fā)展

1928年，一個(gè)叫C.V.Raman的印度物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種散射光譜，并稱之為拉曼光譜。剛發(fā)現(xiàn)該光譜的時(shí)候它的聚焦必須要用日光來當(dāng)光源，后來人們慢慢發(fā)現(xiàn)汞弧燈的聚集性更好更方便，就用汞孤燈替代了日光。但是汞弧燈存在強(qiáng)度不太高、單色性差等缺點(diǎn)，這在一定程度上阻礙了拉曼光譜的發(fā)展。到60年代后，微弱信號檢測技術(shù)得到改善，計(jì)算機(jī)應(yīng)用普及，又引入激光光源，這些都給拉曼光譜的發(fā)展帶來了新的轉(zhuǎn)機(jī)。再后來，激光拉曼探針的出現(xiàn)使拉曼光譜技術(shù)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

2 拉曼光譜的特點(diǎn)

分子的簡正振動過程中極化率的變化的大小不能決定紅外光譜中的譜線強(qiáng)度，但是能決定拉曼光譜的譜線強(qiáng)度，這也就使得通過拉曼光譜可以檢測紅外光譜儀中無法檢測出來的信息。拉曼效應(yīng)是所有分子的共性，且其存在的形態(tài)不影響這一效應(yīng)，這也說明拉曼效應(yīng)具有普遍性。用拉曼散射光譜檢測樣品時(shí)，樣品不需要特殊制備，樣品數(shù)量的多少也無所謂，在探測樣品時(shí)拉曼散射采用光子探針，這種探針不會損傷樣品，可保全樣品的完整性。

3 拉曼光譜在不同研究領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 在無機(jī)材料中的應(yīng)用

在研究低維納米材料的眾多方法中，拉曼光譜法儼然成為了首選。在納米材料中，包括組成成分、鍵合類型、制備納米材料的方法以及制作工程中必要的熱處理環(huán)節(jié)，都能影響納晶界結(jié)構(gòu)本身又比較復(fù)雜，這就使得納米材料的研究難以進(jìn)行，而拉曼光譜法恰恰可以解決這一問題，納米材料的結(jié)構(gòu)信息可以通過拉曼頻率表現(xiàn)出來。所以不管是從納米材料的分子結(jié)構(gòu)去分析，還是從鍵態(tài)特征角度去看，又或者是進(jìn)行其定性鑒定，都能利用拉曼光譜獲得重要信息資料。

3.2 在礦床學(xué)中的應(yīng)用

拉曼光譜法可應(yīng)用在礦床學(xué)中，對沉積有機(jī)質(zhì)或有機(jī)碳質(zhì)物進(jìn)行研究。沉積有機(jī)質(zhì)會發(fā)生熱蝕變現(xiàn)象，拉曼光譜對這種變化異常敏感，所以有機(jī)質(zhì)的拉曼光譜會隨著演化階段而發(fā)生系統(tǒng)性的變化。根據(jù)這一特性，研究沉積有機(jī)質(zhì)時(shí)，就可以依靠有機(jī)質(zhì)的拉曼譜圖建立拉曼譜參數(shù)回歸方程，再利用方程計(jì)算源巖的埋藏歷史、沉積環(huán)境，然后綜合分析判定其具有的油、氣潛力。拉曼光譜在一定程度上促進(jìn)了礦床學(xué)的研究。

4 拉曼光譜技術(shù)

4.1 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)

在一些特殊的金屬良導(dǎo)體表面或溶膠的制備過程中，表面增強(qiáng)拉曼散射的吸附分子的拉曼散射信號遠(yuǎn)大于普通拉曼散射信號。拉曼光譜最顯著的缺點(diǎn)是靈敏度很低，而表面增強(qiáng)拉技術(shù)恰好克服了這一缺點(diǎn)，并且能夠獲得常規(guī)拉曼光譜不易獲得的結(jié)構(gòu)信息。這也就是表面研究、吸附界面表面狀研態(tài)究等都運(yùn)用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的原因。

4.2 高溫拉曼光譜技術(shù)

運(yùn)用高溫激光拉曼技術(shù)時(shí)，拉曼光譜的譜峰頻率、位移、峰高、峰寬、峰面積及其包絡(luò)線的量化解析都會發(fā)生變化。因此，工業(yè)冶金、制作玻璃、研究地質(zhì)化學(xué)、探究晶體的生長等涉及固體的高溫相變過程，熔體的鍵合結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域，通常都會使用高溫拉曼光譜技術(shù)。

4.3 共振拉曼光譜技術(shù)

要想提高分子的某個(gè)或幾個(gè)特征拉曼譜帶強(qiáng)度，并使其達(dá)到正常拉曼譜帶的104～106倍，就必須用到共振拉曼光譜技術(shù)。共振拉曼光譜不僅彌補(bǔ)了拉曼光譜靈敏低這一缺點(diǎn)，同時(shí)它還具有一個(gè)非常大的特點(diǎn)，就是只要共振拉曼光譜產(chǎn)生的激光頻率與待測分子的電子吸收峰接近或重合時(shí)，就可以觀察到泛音及組合振動光譜，這在常規(guī)的拉曼光譜中是極難見到的。共振拉曼光譜的高靈敏性，用于低濃度檢測再好不過，甚至可以不加任何處理就得到人體體液的光譜圖。若要其靈敏度可以達(dá)到單分子檢測，只需將共振拉曼光譜技術(shù)與表面增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合。

4.4 共焦顯微拉曼光譜技術(shù)

要想提高分子強(qiáng)度，就必須用到共振拉曼光譜技術(shù)。共振拉曼光譜不僅彌補(bǔ)了拉曼光譜靈敏低這一缺點(diǎn)，同時(shí)它還具有一個(gè)非常大的特點(diǎn)，就是只要共振拉曼光譜產(chǎn)生的激光頻率與待測分子的電子吸收峰接近或重合時(shí)，就可以觀察到泛音及組合振動光譜，這在常規(guī)的拉曼光譜中是極難見到的。共振拉曼光譜的高靈敏性，用于低濃度檢測再好不過，甚至可以不加任何處理就得到人體體液的光譜圖。若要其靈敏度可以達(dá)到單分子檢測，只需將共振拉曼光譜技術(shù)與表面增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合。

4.5 傅立葉變換拉曼光譜技術(shù)

從20世紀(jì)90開始，傅立葉變換拉曼光譜逐漸發(fā)展起來。在1987年，第一臺近紅外激發(fā)傅立葉變換拉曼光譜（N IR FT-R）儀面向世界，由Perkin Elmer公司推出了。為了減弱熒光背景，照射樣品采用的是1 064mm的近紅外激光。此后，化學(xué)、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)樣品的非破壞性結(jié)構(gòu)分析研究中都有用到傅立葉變換拉曼光譜技術(shù)。

4.6 拉曼光譜與其他儀器聯(lián)用技術(shù)

拉曼光譜與其他儀器的聯(lián)用與其單獨(dú)使用相比，可以獲得更多的有用信息，且信息的可靠度也得到大大提高。正是如此，拉曼光譜儀和這些不同儀器的聯(lián)用得到了全球各地的研究單位的密切關(guān)注，并且開始著手研究。

5 結(jié)論

通過以上理論分析，我們可以總結(jié)出來這樣一個(gè)結(jié)論：拉曼光譜技術(shù)是所有化學(xué)、物理技術(shù)中最為卓越的，而拉曼光譜儀的發(fā)展對各個(gè)領(lǐng)域的研究都有著非凡的意義。

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