拉曼测量解决方案

拉曼光谱测量是一种无损的光学分析技术，其基本原理基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，它是基于光和材料的相互作用而产生的。拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度及分子相互作用的详细信息。

发现并理解拉曼效应为一种新的光谱学打开了大门。然而，只有随着激光的发现，拉曼光谱才真正扎根。因此，拉曼光谱需要单色光，用激光照射样品，并用光谱仪（色散或傅里叶转换技术）分析部分散射光。最后我们得到了一份拉曼光谱，它显示了我们所研究的材料的特征信号或“谱带”。

能级图展表示出不同的能级相对应的拉曼讯号，线的粗细大致成比例约略描述讯号的大小

基本概念

• 斯托克斯位移/反斯托克斯位移

如果最终振动状态的分子比初始状态时能量高，所激发出来的光子频率则较低，以确保系统的总能量守恒。这一个频率的改变被名为斯托克斯位移（Stokes shift）。如果最终振动状态的分子比初始状态时能量低，所激发出来的光子频率则较高，这一个频率的改变被名为反斯托克斯位移（Anti-Stokes shift）。

二次谐波产生（SHG)、双光子激发荧光（TPEF)、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）以及受激拉曼散射（SRS）的能级图

• 瑞利散射

激光光源的高强度入射光被分子散射时，大多数散射光与入射激光具有相同的波长（颜色），例如，如果用绿色激光笔指向一堵墙，你总是会看到一个绿点。散射光的颜色明显没有发生改变，这种散射称为瑞利散射。

• 拉曼散射

然而，当光子与物质分子相互作用时，还有极小一部分（大约1/10⁹）散射光的波长（颜色）与入射光不同，其波长的改变由测试样品（所谓散射物质）的化学结构所决定，光子的能量会转移到分子振动的振动能级上，导致其能量发生变化，从而产生散射光，这部分散射光称为拉曼散射。

关于振动的配位，分子极化电势的改变或称电子云的改变量，是分子拉曼效应必定的结果。极化率的变化量将决定拉曼散射强度。该模式频率的改变是由样品的旋转和振动状态决定。

然而，也可能发生非弹性散射过程，从而导致发射不同波长的光。这通常与分子振动有关。这种散射现象被称为拉曼效应，它是由阿道夫·斯梅卡尔于1923年预言并由C.V.Raman于1930年发现的。

分子碰撞模型产生的散射现象示意图

拉曼光谱的基本原理

拉曼光谱是由物质分子对光源的散射产生的，与分子的振动与转动能级的变化有关，来源于分子极化度的变化，是由有对称电荷分布的键的对称振动引起的。如-C=C-、-N=N-及-S-S-等，这些键振动时偶极矩不发生变化。因此，我们可以通过光激发分子运动，然后解释这种相互作用，从而对样品进行化学分析。拉曼光谱常用于研究非极性基团与骨架的对称振动。

当光线照射到分子并且和分子中的电子云及分子键结产生相互作用，就会发生拉曼效应。对于自发拉曼效应，光子将分子从基态激发到一个虚能量状态。当激发态的分子放出一个光子后并返回到一个不同于基态的旋转或振动状态。在基态与新状态间的能量差会使得释放光子的频率与激发光线的波长不同。

单光束电子共振增强相干拉曼散射的基本原理

拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度及分子相互作用的详细信息。一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中既包括单一的化学键，例如C-C，C=C，N-O，C-H等，也包括由数个化学键组成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动、多聚物长链的振动以及晶格振动等。

• 拉曼光谱特点

拉曼光谱图与物质特征之间的关系

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，而不同物质的拉曼位移是不一样的（这也是用拉曼光谱定性分析样品结构的依据）

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。

4、拉曼光谱（Raman Spectra）与红外线光谱（IR spectra）都是分子振动光谱，两者本身是属于互补关系。当样品属于偶极矩较强的结构，例如：C-O或C=O键结，对于红外线光源(IR source)有较强的吸收，反之，若是极矩较弱的结构，例如C-C或C=C等，则是较容易使用拉曼光谱仪(Raman Spectrometer)进行分析。

trans-Cinnamyl acetate（菌桂精油成分之一）结构的红外线光谱和拉曼光谱

拉曼测量解决方案

要获得拉曼光谱，只需要把激光聚焦在你想研究的样品上。但是，该样品在用于激发的激光下不能产生荧光。如果样品产生荧光的话，荧光将掩盖大部分拉曼效应，因为与荧光信号相比，拉曼信号显得十分微弱。

激光照射样品后，散射光通过滤光片（以去除激发激光中的任何光）。然后散射光被导入到一个光栅上，光栅像棱镜一样将非弹性散射光按波长进行分布。最后这些光线被导入到一个CCD传感器，然后根据强度生成一张光谱。

测量拉曼光谱的基本设置

拉曼光谱既可用于定性测试，也可用于定量测试。通常情况下，拉曼光谱（包括峰位和相对强度） 提供了物质独一无二的化学指纹，可以用于识别该物质并区别于其他物质。实际测试的拉曼光谱往往很复杂，通过谱峰归属来判定未知物相对比较复杂，而通过拉曼光谱数据库进行搜索来寻找与之匹配的结果，则可以快速对未知物进行判别。

拉曼测量连接示意图

• 拉曼光谱测量过程

1. 激光光源：选择适当波长的激光作为入射光源，如氦氖激光器。

2. 样品制备：将待测样品放置在一个专门设计的拉曼光谱仪的样品池中，以便激光束能够照射到样品表面。

几乎所有包含真实的分子键的物质都可以用于拉曼光谱分析，即固体、粉末、软膏、液体、胶体和气体都可以使用拉曼光谱进行分析；拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物，甚至是生物材料进行分析（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）；拉曼对溶液，固体混合物和纯物质都可以进行分析。

混合材料样品的拉曼光谱：从某个样品获取的拉曼光谱包含了测试体积（激光照射到的体积）内所有分子的信息。因此，混合物的拉曼光谱中包含了代表测试体积内所有不同分子的拉曼信号。如果混合样品的各种成分是已知的，那么根据相对峰强可以衡量混合物组分的相对含量。

乙醇、甲醇拉曼光谱图

气体样品的拉曼光谱：虽然气体样品也可以通过拉曼光谱进行分析，但是由于气体的分子密度特别低，所以测量气体的拉曼光谱相对较难，通常需要用到大功率激光器和较长路径的样品池。

1. 激光照射：将激光束对准样品表面，使其与样品相互作用，产生拉曼散射。

2. 拉曼光谱获取：拉曼散射光被探测器接收，并转换为电信号。探测器通常采用光电倍增管（PMT）或电荷耦合器件（CCD），用于收集和记录散射光的强度和频率信息。

3. 数据处理与分析：采集到的数据被传输到计算机进行处理和分析。

通过对比拉曼光谱与标准数据库中的拉曼光谱，可以确定待测样品的分子结构、化学组成和晶体结构等信息。

在其他条件不变的情况下，光谱的强度正比于样品浓度。通过标准浓度的样品来确定峰强和浓度之间的关系（标准曲线） 后，即可进行浓度分析。对于混合物，相对峰强可以提供各种组分相对浓度的信息，与此同时，绝对峰强可以体现绝对浓度信息（参考标准浓度校正）。

1. 结果解释与应用：根据拉曼光谱的信息，可以对物质进行定性和定量分析，从而为科学研究、材料开发和实际应用提供有价值的信息。

左上：样品和测量的示意图；左下：光学图像缺陷；右：缺陷区域不同位置的红外光谱

金属薄膜下20 μm的黑色污染

应用领域

拉曼光谱包含某些“谱带”或信号。这些“谱带”或信号对于某些官能团和物质是独一无二的。拉曼光谱技术可以快速、非破坏性地获取大量信息，它们不仅提供了物质化学成分的信息，也提供了有关分子振动频率和强度的信息、结晶度、多态性或压力和温度变化的信息，为理解和解析物质的结构和功能提供基础。

目前拉曼光谱可应用在半导体材料、聚合体、碳材料、地质学/矿物学/宝石鉴定、生命科学、医药、化学、环境、物理、考古、薄膜以及法庭科学中违禁药品检查、区分各种颜料、色素、油漆、纤维等；另外在爆炸物的研究、墨迹研究、子弹残留物和地质碎片研究中也有一定的应用。

常见生物组分和分子的拉曼光谱

在材料科学领域，拉曼光谱可以用于研究材料的微观结构和性能，如晶体结构、缺陷和相变等。通过研究材料的拉曼光谱，可以评估其化学成分、晶体缺陷和性能参数等，从而为材料设计、制备和改性提供指导。

碳纳米管具有“奇妙的碳纳米管”、“太空电梯的绳索”之称，且具有极好的可弯折性、密度小、硬度强等特点，是钢的100倍

不同碳材料的拉曼光谱

单物种生物膜的拉曼光谱

TiO₂拉曼光谱图

在生物学领域，拉曼光谱技术可用于研究生物分子的结构和功能，如蛋白质、核酸和多糖等。通过研究生物大分子的拉曼光谱，可以获得关于分子结构、活性和相互作用等方面的信息，为疾病诊断、药物研发和生物学研究提供有力支持。

线粒体细胞色素、肌红蛋白和血红蛋白在氧合和脱氧状况下拉曼光谱出现的位移和峰值变化

在环境科学领域，拉曼光谱可以用于监测和分析水体、土壤和大气中的污染物，为环境保护和治理提供科学依据。同时，拉曼光谱技术在考古、地质学等其他领域也有一定的应用前景。

矿物分布

宝石样品拉曼光谱图

在医疗诊断领域，拉曼光谱技术可以辅助诊断肿瘤、炎症和感染等疾病，为疾病的早期发现和治疗提供新的手段。

14例（左上）结石为草酸钙；3例（右上）为磷酸钙结石；3例（下）为尿酸结石

皮肤组织拉曼光谱

在安全检查领域，拉曼光谱技术可以检测金属材料中的夹杂物、裂纹等缺陷，提高工业生产和安全检查的效率和准确。

钢板锈层五个样品点位的成像图

785nm激发拉曼测试结果

在化学领域，是因为化学键以及对称分子都有其特殊振动的光谱信息，因此提供作为分子鉴别时的重要特征。例如，SiO, Si2O₂, 和Si₃O₃的振动频率是可被鉴别出来的，并列为红外线光谱学以及拉曼光谱学配位分析的基础。有机分子的特殊（波数）范围在500-2000nm。另外一方面，光谱学配位分析技术也被运用到化学键结研究上，例如，在基质中加入酵素。

二甲基硅酮样品（蓝色）拉曼光谱与光谱库中的光谱进行比较

亚硝酸钴钠溶液（蓝色）与亚硝酸钴钠钾（红色）拉曼光谱图

配置推荐：

• 拉曼光谱仪

莱森光学拉曼光谱仪采用微型共聚焦设计，抑制荧光，体积小巧，重量轻，可单独使用，也可集成入手持式、便携式、箱体式等多种制式的拉曼光谱仪系统中；具有高灵敏度、高信噪比、宽光谱范围等优异的性能。能够充分满足科研院所，企业在无机/有机材料、生物生命，化学/化工、药物分析，食品安全，刑侦鉴定，环境污染检测等研究中的需求。