拉曼光譜原理

拉曼散射光譜是用於研究物質結構的分子光譜技術。早在1923年，德國科學家Adolf Smekal便從理論上預言了入射單色光照射物質的光波頻率發生改變的現象的存在。1928年由印度物理學家拉曼(C. V. Raman)在研究液體苯的散射實驗時，發現散射光頻率改變現象，並用分子振動能級與虛能級對這種散射現象進行解釋，因而稱為拉曼散射(Raman scattering)。拉曼光譜是通過散射光的頻移量來獲得分子振動、轉動情況，從而分析分子的結構、對稱性、電子環境和分子結合情況，是定量和定性分析物質結構的一種強有力的分析技術。

圖拉曼及瑞利散射能級示意圖
拉曼光譜是由於光學模晶格振動、電荷密度起伏、自旋密度起伏、電子躍遷以及它們的耦合等因素引起的。當以一定頻率的光源激發樣品時，會產生彈性和非彈性散射現象。大部分分子發生彈性碰撞，光子的頻率沒有改變或者說波長與能量沒有任何改變，不進行能量轉移；小部分分子發生非彈性碰撞，由於勵磁或失活的分子振動使光子可能會失去或增加一些能量，頻率發生改變。當入射光波在分子中傳播擴散時，以下三種類型的現象可能發生，如圖所示：
首先，當一束光線照射分子時，它可以與其進行能量交換，但分子的淨能量交換為零，所以散射光頻率與入射光相同，即，這個過程被稱為瑞利散射(Rayleigh Scattering)。
第二，入射光能夠與分子進行能量交換而且淨交換能量是一個分子的振動能量。如果這種相互作用使光子獲得振動能量，則散射光頻率與入射光相比變高，即，稱為反-斯托克斯散射。
第三，如果光與分子相互作用使分子獲得能量，而光子失去能量，則光子的頻率會降低，散射光與入射光相比能量降低，即，這個過程被稱為斯托克斯拉曼散射。
從拉曼散射形成機理可以確認，拉曼散射光能量等於入射光能量加上或減去分子振動能級的能量差，即拉曼散射光的頻率取決於激發光的入射頻率。

拉曼光譜分析系統

在線拉曼光譜分析系統的基本結構如圖所示，主要由五個部分組成，包括激發光源、拉曼探頭、光譜儀、檢測器和拉曼分析軟體。首先由雷射產生單色光經雷射光路傳輸後照射於被測樣品激發散射光，散射光收集光路聚焦後經收集進入分光系統-光譜儀，光譜儀內部須設置濾光片以濾除強瑞利散射，經濾波後的拉曼散射光由檢測器記錄，並轉換為數字信號進入計算機，最終由分析軟體根據所獲得的光譜數據得出分析結果。在這個過程中光源、光譜儀、檢測器的選擇對所獲得的拉曼光譜質量有著重要影響，而最終在計算機上所運行的分析模型決定了樣本待測屬性分析結果的正確性。

拉曼光譜能為我們做什麼

每種物質都有其獨特的拉曼光譜"指紋"。不同的物質由於化學組分和分子結合情況不同，具有不同的拉曼待徵峰。據此可以結合光譜分光元件、高分辨率測器件等探測拉曼光譜，達到定性和定量分析物質的目的。拉曼光譜已在科學領域具有越來越重要的應用價值。