拉曼光谱技术综述

拉曼光谱技术综述

摘要：本文从拉曼散射原理出发，介绍了拉曼技术的特征，以及拉曼技术的优势和不足，从激光技术和纳米技术出发介绍了当前拉曼技术的广泛发展和应用。综述了近年来了曼技术的主要的分析技术。涉及拉曼光谱技术的发展简史，发展现状和最新研究进展等方面。

关键字：光谱分析、拉曼散射、激光、光子

1、拉曼光谱的发展简史

印度物理学家拉曼于1928年用水银灯照射苯液体,发现了新的辐射谱线:在入射光频率ω0的两边出现呈对称分布的,频率为ω0-ω和ω0+ω的明锐边带,这是属于一种新的分子辐射,称为拉曼散射,其中ω是介质的元激发频率。与此同时,前苏联兰茨堡格和曼德尔斯塔报导在石英晶体中发现了类似的现象,即由光学声子引起的拉曼散射,称之谓并合散射。然而到1940年,拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱(约为入射光强的),人们难以观测研究较弱的拉曼散射信号,更谈不上测量研究二级以上的高阶拉曼散射效应。并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期,红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。1960年以后,红宝石激光器的出现,使得拉曼散射的研究进入了一个全新的时期。由于激光器的单色性好,方向性强,功率密度高,用它作为激发光源,大大提高了激发效率。成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低,目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用,越来越受研究者的重视。

70年代中期,激光拉曼探针的出现,给微区分析注人活力。80年代以来,美国Spex公司和英国Rrin show公司相继推出,拉曼探针共焦激光拉曼光谱仪,由于采用了凹陷滤波器(notch filter)来过滤掉激发光,使杂散光得到抑制,这样入射光的功率可以很低,灵敏度得到很大的提高。Di l o公司推出了多测点在线工业用拉曼系统,采用的光纤可达200m,从而使拉曼光谱的应用范围更加广阔。

2、拉曼光谱简介：

拉曼光谱（Raman spectra），是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。

3、拉曼光谱原理：

3.1、瑞利散射与拉曼散射

当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用时,大部分光子仅是改变了方向,发生散射,而光的频率仍与激发光源一致,这种散射称为瑞利散射。但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向,而且也改变了光波的频率,这种散射称为拉曼散射。其散射光的强度约占总散射光强度的10-6～10-10。拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换改变了光子的能量。

3.2、拉曼散射的产生

光子和样品分子之间的作用可以从能级之间的跃迁来分析。样品分子处于电子能级和振动能级的基态,入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量,但又不足以将分子激发到电子能级激发态。这样,样品分子吸收光子后到达一种准激发状态,又称为虚能态。样品分子在准激发态时是不稳定的,它将回到电子能级的基态。若分子回到电子能级基态中的振动能级基态,则光子的能量未发生改变,发生瑞利散射。如果样品分子回到电子能级基态中的较高振动能级即某些振动激发态,则散射的光子能量小于入射光子的能量,其波长大于入射光。这时散射光谱的瑞利散射谱线较低频率侧将出现一根拉曼散射光的谱线,称为St okes线。如果样品分子在与入射光子作用前的瞬间不是处于电子能级基态的最低振动能级,而是处于电子能级基态中的某个振动能级激发态,则入射光光子作用使之跃迁到准激发态后,该分子退激回到电子能级基态的振动能级基态,这样散射光能量大于入射光子能量,其谱线位于瑞利谱线的高频侧,称为antiStokes线。Stokes线和anti-Stokes线位于瑞利谱线两侧,间距相等。Stokes线和anti-Stokes线统称为拉曼谱线。由于振动能级间距还是比较大的,因此,根据波尔兹曼定律,在室温下,分子绝大多数处于振动能级基态,所以Stokes线的强度远远强于anti-Stokes线。拉曼光谱仪一般记录的都只是Stokes线。

3.3、拉曼散射光谱的特征

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；

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。

实验做出的谱图(以波长为单位)

标准的谱图(以波数为单位)

3.4、通过的结构分析解释光谱：

分子为四面体结构，一个碳原子在中心，四个氯原子在四面体的四个顶点。当四面体绕其自身的一轴旋转一定角度，或记性反演(r—-r)、或旋转加反演之后，分子的几何构形不变的操作称为对称操作，其旋转轴成为对称轴。CCI4有13个对称轴，有案可查4个对称操作。我们知道，N个原子构成的分子有（3N—6）个内部振动自由度。因此分子可以有9个(3×5—6)自由度，或称为9个独立的简正振动。根据分子的对称性，这9种简正振动可归纳成下列四类：

第一类，只有一种振动方式，4个氯原子沿与C原子的联线方向作伸缩振动，记作v1，表示非简并振动。

第二类，有两种振动方式，相邻两对CI原子在与C原子联线方向上，或在该联线垂直方向上同时作反向运动，记作v2，表示二重简并振动。

第三类，有三种振动方式，4个CI与C原子作反向运动，记作v3，表示三重简并振动。

第四类，有三种振动方式，相邻的一对CI原子作伸张运动，另一对作压缩运动，记作v4，表示另一种三重简并振动。

上面所说的“简并”，是指在同一类振动中，虽然包含不同的振动方式但具有相同的能量，它们在拉曼光谱中对应同一条谱线。因此，分子振动拉曼光谱应有4个基本谱线，根据实验中测得各谱线的相对强度依次为v1>v2>v3>v4。

4、拉曼光谱技术的优越性

拉曼光谱要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。

此外： 1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。

2 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进行分析。相反，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

3 拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

4 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。

5 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。

5、拉曼技术的发展

5.1拉曼光谱技术的发展得益于以下两种技术的高速发展：

激光技术

非线性拉曼光谱技术已经在生命科学领域研究中发挥它的独特和重要作用。高质量的超快激光器还推动了另一个极具前途的表面光谱技术，就是合频（SFG）技术的发展，它作为具有独特的界面选择性的非线性光谱方法，已经在界面和表面科学、材料乃至生命领域研究中发挥着越来越重要的作用。

纳米科技

第二个重要方面就是纳米科技的迅猛发展，它使得基于纳米结构的表面增强拉曼光谱（SERS）和针尖增强拉曼光谱（TERS）在超高灵敏度检测方面取得了长足的进步，推动拉曼光谱成为迄今很少的、可达到单分子检测水平的技术。现在不论是拉曼光谱刊物，还是拉曼光谱会议，SERS都是一个最受关注的内容。在近几届的国际拉曼光谱会议上，SERS分会都是最大的分会。近几年，有关SERS的论文数量也呈显著的上升趋势。SERS和TERS不仅仅在表面科学研究领域，而且在生命科学领域将具有很大的发展潜力，由此可以为研究各类重要的生命科学体系和解决基本问题作出贡献。拉曼光谱相对于红外光谱，其优势之一体现在用拉曼研究水溶液中比较方便，而生命科学的许多研究往往需要的水溶液环境。共振拉曼、表面增强拉曼和非线性拉曼光谱以及它们的联用将成为生命科学前沿领域具有重要价值的研究方法，因为21世纪是生命科学的世纪，我以为也是纳米技术和激光技术的世纪。

5.2分析技术

5.2.1几种重要的拉曼光谱分析技术

1、单道检测的拉曼光谱分析技术

拉曼光谱

2、以CCD为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术

3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术

4、共振拉曼光谱分析技术

5、表面增强拉曼效应分析技术

5.2.2拉曼光谱用于分析的优点和缺点

优点

拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，避免了一些误差的产生，并且在分析过程中操作简便，测定时间短，灵敏度高等优点。

不足

1、拉曼散射面积

2、不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响

3、荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰

4、在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题

5、任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。

6、拉曼光谱技术的应用

激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面上的应用，在表面和薄膜方面的应用。

有机化学：拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是碇化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依据。

高聚物：拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体（单休异构、位置异构、几何异构和空间立现异构等）的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。电活性聚合物如聚毗咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具，在高聚物的工业生产方面，如对受挤压线性聚乙烯的形态、高强度纤维中紧束分子的观测，以及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究中都彩了拉曼光谱。

生物：拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。拉曼光谱在蛋白质二级结构的研究、DNA和致癌物分子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、动脉硬化操作中的钙化沉积和红细胞膜的等研究中的应用均有文献报道。

表面和薄膜：拉曼光谱在材料的研究方面，在相组成界面、晶界等课题中可以做很多例作。

最近，对于拉曼光谱在金刚石和类金刚石薄膜的研究工作中的应用，国内外学者的兴趣有增无减。

拉曼光谱已成CVD（化学气相沉积法）制备薄膜的检测和鉴定手段。

另外，LB膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光谱研究都已见报道。

（尽管拉曼散射很弱，拉曼光谱通常不够灵敏，但利用共振或表面增强拉曼技术就可以大大加强拉曼光谱的灵敏度。表面增强拉曼光谱学（SERS）已成为拉曼光谱研究中活跃的一个领域。）

7、拉曼光谱技术研究方向

7.1表面增强拉曼光谱技术

自1974年Fleischmann等人发现吸附在粗糙化的Ag电极表现的吡啶分子具有巨大的拉曼散射现象，加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制，使

拉曼光谱

激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，这种表面增强效应被称为表面增强拉曼散射(SERS)。SERS技术是一种新的表面测试技术，可以在分子水平上研究材料分子的结构信息。

7.2高温拉曼光谱技术

高温激光拉曼技术被用于冶金、玻璃、地质化学、晶体生长等领域，用它来研究固体的高温相变过程，熔体的键合结构等。然而这些测试需在高温下进行，必须对常规拉曼仪进行技术改造。

7.3共振拉曼光谱技术

激光共振拉曼光谱(RRS)产生激光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104～106倍，并观察到正常拉曼效应中难以出现的、其强度可与基频相比拟的泛音及组合振动光谱。与正常拉曼光谱相比，共振拉曼光谱灵敏充高，结合表面增强技术，灵敏度已达到单分子检测。

7.4共焦显微拉曼光谱技术

显微拉曼光谱技术是将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种应用技术。与其他传统技术相比，更易于直接获得大量有价值信息，共聚焦显微拉曼光谱不仅具有常规拉曼光谱的特点，还有自己的独特优势。辅以高倍光学显微镜，具有微观、原位、多相态、稳定性好、空间分辨率高等特点，可实现逐点扫描，获得高分辨率的三维图像，近几年共聚焦显微拉曼光谱在肿瘤检测、文物考古、公安法学等领域有着广泛的应用。

7.5傅立叶变换拉曼光谱技术

傅立叶变换拉曼光谱是上世纪90年代发展起来的新技术，1987年，Perkin Elmer公司推出第一台近红外激发傅立叶变换拉曼光谱(NIR FT—R)仪，采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来提高信噪比，并用1064mm的近红外激光照射样品，大大减弱了荧光背景。从此，Fr—Raman在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力。

7.6拉曼光谱与光导纤维技术的联用

光导纤维的引入,使拉曼光谱仪用于工业在线分析以及现场遥测分析成为可能。Huy 等使用两个10m长、100μm 直径的光纤,激光波长为514. 5nm ,对苯/ 庚烷混合物进行分析,获得非常好的结果。Benoit 等将光导纤维传感器用于拉曼光谱仪, 使得液体样品的拉曼信号增强了50 倍。Cooney 等人比较单个光纤与多个光纤应用于拉曼光谱仪的结果,发现多个光纤的应用将改善收集拉曼光的有效性。Cooper 等利用光纤遥控拉曼技术分析了石油染料中的二甲苯异构体。近年来,国外将1550nm 光纤激光器、EDFA 光纤放大器技术应用于拉曼散射型分布光纤温度传感器系统,取得了较好的结果。分布式光纤拉曼光子温度传感器已成

为光纤传感技术和检测技术的发展趋势。由于它具有独特的性能,因此已成为工业过程控制中的一种新的检测装置,发展成一个工业自动化测量网络。

7.7固体光声拉曼技术

光声拉曼技术是通过光声方法来直接探测样品中因相干拉曼过程而存储能量的一种非

线性光存储技术。光声拉曼信号正比于固体介质三阶拉曼极化率的虚部,与非共振拉曼极化率无关,因而完全避免了非共振拉曼散射的影响,并且克服了传统的光学法受瑞利散射,布里渊散射干扰的缺点,具有高灵敏度(能探测到10 - 6cm- 1的拉曼系数) 、高分辨率和基本上没有光学背景等优点。在气体、液体样品的检测分析中获得了理想的效果。由于不像相干斯托克斯拉曼过程那样有比较严格的相位匹配角要求,因而它也很适合用于研究固体介质特性。Barrett 等人从理论上分析了气体样品中的光声拉曼光谱技术过程,但与之不同,固体介质

的光声拉曼效应是由相干拉曼增益过程产生的局部热能耦合到样品本身的振动模式的热弹

过程,对于介质各向异性结构,三阶非线性拉曼极化率张量形式表现出对称性,因而,情况要

复杂得多,运用平行模型和热弹性理论,导出固体介质样品中光声拉曼信号的解析式,对固体中光声拉曼效应的一些特性进行分析。

7.8拉曼光谱与其他仪器联用技术

近两年，实现拉曼与其它多种微区分析测试仪器的联用，其中有：拉曼与扫描电镜联用(Raman—SEM)；拉曼与原子力显微镜/近场光学显微镜联用(Raman—AFM/NSOM)；拉曼与红外联用(Raman—iR)；拉曼与激光扫描共聚焦显微镜联用(Raman— CLSM)，这些联用的着眼点是微区的原位检测。通过联用可以获得更多的信息，并提高可靠度。[1]

8、结束语

拉曼光谱技术己广泛应用于医药、文物、宝石鉴定和法庭科学等领域。对文物样品的无损分析研究。使文物的鉴定、年代的测定及文物的恢复和保存的方法更安全可靠；对爆炸物、毒品、墨迹等的痕迹无损检测为法庭提供科学证据的有力手段：对宝石的光谱分析研究认识各地宝石中的包含物差异性。并使宝石的鉴别与评价有了科学依据。近年来该技术在细胞和组织的癌变方面的检测也取得了很大的进展，随着分析方法完善和研究病例的增多以及对于病变组织差异性的规律性认识深化。拉曼光谱发展成诊断肿瘤方法的可行性将得到确认．总

之，随着激光技术的发展和检测装置的改进。拉曼光谱技术在当代工业生产和科学研究中必将得到越来越广泛的应用。