红外光谱 vs 拉曼光谱
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关注：1) &红外活性2) &Raman活性光源发出的光被分束器（类似半透半反镜）分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。 国产主流厂家：天津港东生产的FTIR-650 傅里叶变换红外光谱仪、FTIR-850 傅里叶变换红外光谱仪；北京瑞利生产的WQF-510 傅里叶变换红外光谱仪、WQF-520 傅里叶变换红外光谱仪；进口品牌厂家：日本SHIMADZU 生产的IRAffinity-1,IRAffinity-21 傅里叶变换红外光谱仪；美国Thermo Fisher 生产的Nicolet 6700、IS10、IS5 傅里叶变换红外光谱仪；德国Bruker Optics 生产的Tensor 27、Tensor 37 傅立叶变换红外光谱仪；美国尼高力仪器公司010-2王峥(010)美国尼高力仪器公司(Thermo Nicolet Corporation)是世界上最大的傅立叶红外光谱仪(FT-IR)和拉曼光谱仪(Raman)的专业生产厂家。几十年来以精湛的技术、卓越的产品与优质的服务居于红外及拉曼领域的前列。 尼高力仪器公司以其卓越的成就曾赢得美国总统“E星奖”。“E”代表优秀(Excellence)，发展(Expansion)，进取(Effort)，和出口(Export)。ISO9001证书的获得标志着尼高力公司从原材料的选择，产品设计，制造，销售到售后服务全方位的规范化管理。各部门出色的专业人员组成了一个强大的产品开发体系，而每一台光谱仪的诞生都是这个体系的结晶。 尼高力公司的主要产品有：各种普及型、分析型及研究型FT-IR光谱仪；独立型和联机型FT-Raman光谱仪；CCD激光拉曼光谱仪及拉曼探针；专用近红外光谱仪、红外气体分析仪、红外油分析仪及红外半导体分析仪；各种联机技术如GC-FTIR联用、TGA-FTIR、LC-FTIR联用等；红外显微镜，拉曼显微镜；红外光纤附件；各种应用软件，如智能化定量分析软件，红外谱图解析软件，红外应用文献库软件；各种红外，拉曼标准谱库和各类制样附件等。 尼高力公司在中国开展业务已有20多年的历史，销售咨询和技术支持机构健全；在中国的FT-IR光谱仪的市场占有率最高，用户遍及教育、科研、石油、化工、农业、食品、医药、商检、质检、海关、公安、汽车、珠宝、环保及国防科学等众多领域。这些用户使用尼高力公司的光谱仪在各自领域做出了许多出色的工作。为促进用户间的交流，尼高力公司还组织成立了尼高力中国用户协会，定期举办用户交流会，各种操作、制样及应用学习班，出版FT-IR专业书籍等。尼高力用户协会现已组织出版了〈〈傅立叶变换红外光谱技术及应用研讨会论文集&&4集，组织全国四十多位红外光谱专家撰写出版了〈〈近代傅立叶变换红外光谱技术及应用&&(上下册240万字，此书荣获中宣部颁发的第九届中国图书奖)。 作为尼高力的用户，不仅意味着拥有一台高质量和良好售后服务的仪器，而且在整个使用过程中还会得到公司、用户协会等多方面的帮助和支持，以便于能更好地开发仪器功能，解决工作中的实际问题。美国珀金埃尔默PerkinElmer傅立叶变换红外-近红外光谱仪Spectrum 400系列 详细参数：光谱范围: cm-1 无需手动插拔更换光学部件，通过软件操作，即可实现中红外及近红外双波段的全自动切换，永久准直，无须进行光路校准！
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& & & 红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶合作用，为了满足这个条件，分子振动时其偶极矩必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子，这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。并非所有的振动都会产生红外吸收，只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收，这种振动称为红外活性振动；偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收，称为红外非活性振动。
& & 分子的振动形式可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。前者是指原子沿键轴方向的往复运动，振动过程中键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向的振动。通常用不同的符号表示不同的振动形式，例如，伸缩振动可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动，分别用 Vs 和Vas 表示。弯曲振动可分为面内弯曲振动(δ)和面外弯曲振动(γ)。从理论上来说，每一个基本振动都能吸收与红外光谱仪其频率相同的红外光，在红外光谱图对应的位置上出现一个吸收峰。实际上有一些振动分子没有偶极矩变化是红外非活性的；另外有一些振动的频率相同，发生简并；还有一些振动频率超出了仪器可以检测的范围，这些都使得实际红外谱图中的吸收峰数目大大低于理论值。　　组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰。不同化合物中，同一种官能团的吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但它不是出现在一个固定波数上，具体出现在哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关。引起基团频率位移的因素是多方面的，其中外部因素主要是分子所处的物理状态和化学环境，如温度效应和溶剂效应等。对于导致基团频率位移的内部因素，迄今已知的有分子中取代基的电性效应：如诱导效应、共轭效应、中介效应、偶极场效应等；机械效应：如质量效应、张力引起的键角效应、振动之间的耦合效应等。这些问题虽然已有不少研究报道，并有较为系统的论述，但是，若想按照某种效应的结果来定量地预测有关基团频率位移的方向和大小，却往往难以做到，因为这些效应大都不是单一出现的。这样，在进行不同分子间的比较时就很困难。 另外氢键效应和配位效应也会导致基团频率位移，如果发生在分子间，则属于外部因素，若发生在分子内，则属于分子内部因素。 红外谱带的强度是一个振动跃迁概率的量度，而跃迁概率与分子振动时偶极矩的变化大小有关，偶极矩变化愈大，谱带强度愈大。偶极矩的变化与基团本身固有的偶极矩有关，故基团极性越强，振动时偶极矩变化越大，吸收谱带越强；分子的对称性越高，振动时偶极矩变化越小，吸收谱带越弱。
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拉曼光谱法及其在材料研究中的应用
拉曼光谱法及其在材料研究中的应用Raman Spectroscopy and Its Application to Materials Science
第一节 拉曼光谱基本原理1.1 拉曼散射与拉曼位移1.2 拉曼活性和拉曼选律1.3 拉曼光谱与红外光谱比较1.4 拉曼光谱的特征谱带1.5 拉曼光谱的分辨能力
第二节 激光拉曼光谱仪2.1 激光光源2.2 外光路系统及样品装置2.3 分光系统2.4 探测、放大和记录系统2.5 喇曼光谱实验中应注意的几个问题2.4.1 狭缝2.4.2 孔径角的匹配2.4.3 激发功率2.4.4 激发波长2.6 拉曼光谱数据处理
第三节 拉曼光谱技术3.1 傅立叶变换拉曼光谱技术3.2 表面增强拉曼光谱技术3.3 激光共振拉曼光谱技术3.4 激光扫描共聚焦显微术目录 13.5 纤维光学拉曼光谱术3.6 固体光声拉曼技术3.7 拉曼光谱与其它技术的联用第四节 拉曼光谱的应用4.1聚合物4.1.1 聚合物的分子结构4.1.2 聚合物的结晶结构4.1.3 聚合物的取向结构4.1.4 共混聚合物的相结构4.1.5 聚合反应动力学4.1.6 聚合物加工的在线测试4.1.7 聚合物形变的拉曼光谱行为4.1.8复合材料的界面行为4.2无机物、半导体及其低维材料4.2.1 炭基材料4.2.2 无机材料表面4.2.3 纳米半导体4.2.4 纳米结构的表面4.3生物体系4.3.1 蛋白质构型4.3.2 自组装行为4.3.3 生物组织分子诊断4.4 拉曼技术的特殊应用4.4.1遥感探测4.4.2 原位无损检测4.4.3 超快过程检测4.4.4 特殊环境中的监测
[1] 薛奇，高分子结构研究中的光谱方法，高等教育出版社(1995)[2] 张树霖，拉曼光谱学与低维纳米半导体，科学出版社 (2008)[3] Ewen Smith and Geoffrey Dent, Modern Raman Spectroscopy - A Practical Approach, John Wiley & Sons, Inc.(2005)[4] Richard L. McCreery, Raman Spectroscopy for Chemica1 Analysis, John Wiley & Sons, Inc.(2000)[5] Maher S. Amer, Raman Spectroscopy for Soft Matter Applications, John Wiley & Sons, Inc.(2009)[6] John R. Ferraro, Kazuo Nakamoto and Chris W. Brown, Introductory Raman Spectroscopy (Second Edition), Academic Press (2003)
（1）拉曼光谱与红外光谱的本质区别是什么，如何判断待测样品是不是具有拉曼活性、红外活性，还是两者都有活性？（2）结合拉曼光谱的特点，从仪器结构上简述共聚焦显微拉曼光谱仪成为分析测试实验室最常见的拉曼光谱仪器的主要原因。
3拉曼光谱法及其在材料研究中的应用Raman Spectroscopy and Its Application to Materials Science主要叙述拉曼光谱学的理论和实验基础，介绍了拉曼光谱的理论和激光拉曼光谱仪，较全面地总结了拉曼光谱学所发展起来的新兴技术，并从实验工作需要的角度，相当具体地介绍了有关拉曼光谱法在聚合物，无机物、半导体及其低维材料，生物体系及其特殊场合下的应用。
第一节 拉曼光谱基本原理
拉曼光谱是一种散射光谱。早在30年代，拉曼光谱就曾是研究分子结构的主要手段。后来随着实验内容的不断深入，拉曼光谱的弱点（主要是拉曼效应太弱）越来越突出，特别是40年代以后，由于红外光谱的迅速发展，拉曼光谱的地位更是一落千丈。直到1960年激光问世并将这种新型光源引入拉曼光谱后，拉曼光谱出现了崭新的局面。拉曼光谱由于具有与红外光谱不同的选择性定则而常常作为红外光谱的必要补充而配合使用，可以更完整地研究分子的振动和转动能级，更好底解决结构分析问题。与红外光谱方法比较，拉曼光谱分析无需样品制备、不受样品水分的干扰、可以获得骨架结构方面的信息而日益受到重视，特别适合生物体系的研究。近年来一系列新型拉曼光谱技术的发展进一步显示它的应用潜力。
1.1 拉曼散射与拉曼位移
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。
4拉曼散射的发现
拉曼散射是印度科学家Raman在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。光和分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率和入射光的频率相同的这种散射称为瑞利散射，由英国科学家瑞利于1899年进行了研究。但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯溶液中时，他发现经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。拉曼因此获得1930年诺贝尔物理学奖，成为第一个获得这一奖项、并且没有接受过西方教育的亚洲人。
拉曼光谱的发展
自拉曼效应在1928年被发现以后，30年代拉曼光谱曾是研究分子结构的主要手段。拉曼光谱为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光谱学的一个分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。那时的拉曼光谱仪是以汞弧灯为光源，物质产生的拉曼散射谱线极其微弱，强度大约为瑞利散射的千分之一，对样品进行拉曼散射研究时常有较强的荧光及瑞利散射干扰等等，因此它在相当长一段时间里未真正成为一种有实际应用价值的工具，应用受到限制，尤其是红外光谱的出现，使得拉曼光谱在分子结构分析中的地位一落千丈。直至60年代激光光源的问世，以及光电讯号转换器件的发展才有力推动了拉曼散射的研究及其应用。优质的单色光、高强度的激光的使用极大地提高了包含双光子过程的拉曼光谱分辩率和实用性。此外强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。为了进一步提高拉曼散射的强度，人们先后发展了傅立叶变换拉曼光谱、时间分辨拉曼光谱等新技术，使光谱仪的效率和灵敏度得到更大的提高。目前拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域。世界上各大仪器厂家相继推出了激光拉曼光谱仪，拉曼光谱的应用领域还在不断拓宽。70年代中期，激光拉曼探针的出现，给微区分析注入活力。80年代以来，随着科学技术的飞速发展，激光拉曼光谱仪在性能方面日臻完善。
5拉曼散射的产生
光子和分子间的作用可以从能级之间的跃迁来分析。但拉曼效应的机制和荧光现象并不相同，并不吸收激发光，因此不能用实际的上能级来解释，只能用虚的上能级概念说明拉曼效应。假设散射物分子原来处于电子能级和振动能级的基态，当受到入射光照射时，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（Virtual state）。分子在准激发态时是不稳定的，虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。存在着三种情况，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，称为斯托克斯线（Stokes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，称为反斯托克斯线（anti-Stokes线）。斯托克斯线和反斯托克斯线位于瑞利谱线两侧，间距相等。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼谱线。由于室温下基态的最低振动能级的分子数目最多，与光子作用后返回同一振动能级的分子也最多，所以上述散射出现的几率大小顺序为：瑞利散射&斯托克斯线&反斯托克斯线。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，由于振动能级间距还是比较大的，因此，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。随温度升高，反斯托克斯线的强度增加。拉曼光谱仪一般记录的都只是斯托克斯线。
拉曼散射的经典理论
当物质的大小远远小于入射光的波长时，会发生散射现象。瑞利散射与拉曼散射光的强度都与入射光频率的四次方成正比。但是瑞利散射光的频率没有变化，而拉曼散射光的频率则发生了变化。造成这些现象的原因，从经典的理论来说，可以看作是入射光电磁波使原子或分子电极化以后产生的，因为原子和分子都是可以被极化的， 6因而产生瑞利散射；又因为极化率随着分子内部的运动（转动、振动）而变化，所以产生拉曼散射。拉曼线是入射光场与分子振动相互作用的结果。利用拉曼光谱可以去研究分子内部振动和转动特性。拉曼谱线的频率、强度和偏振度可以研究物质的结构和性质。经典理论成功的解释了分子振动的拉曼散射，但是存在不足之处。推导出大公式表明斯托克斯和反斯托克斯线的强度应该相等，但是实验上证明这个结果并不正确。实验结果是反斯托克斯线比斯托克斯线弱几个数量级，这个疑团只有用量子理论来解释。
拉曼散射的量子理论解释
量子理论的基本观点是把拉曼散射过程看成是光量子与分子相互碰撞时产生的非弹性碰撞过程。当入射的光量子与分子相碰撞时，弹性碰撞过程中，光量子与分子无能量交换，他们的频率保持不变，由此产生的散射光称为瑞利散射，非弹性碰撞过程中，光量子与分子有能量交换，光量子转移一部分能量或者从分子中吸收一部分能量，从而频率发生改变。它改变的能量只能是分子两能级之间的能量差。当光子把一部分能量交换给分子时，光量子就以比入射时较小的频率射出，形成斯托克斯线，同时散射分子得到的能量转变成分子的转动或振动能量。反之，当光子从散射分子中吸收一部分能量，它将以较高的频率散射出去，形成反斯托克斯线。如果此相应的跃迁能级有关的频率是ν1，那么分子从低能级跃迁到高能级从入射光中得到的能量为hν1，而散射光子能量要降到hν0-hν1，频率降低ν0-ν1。另一种情况是分子处于振动的激发态上，并且在与光子碰撞时把hν1的能量移给光子，形成一条能量为hν0+hν1和频率为ν0+ν1的谱线。通常把低于入射光频率的散射线ν0-ν1称为斯托克斯线；高于入射光频率的散射ν0+ν1线称为反斯托克斯线，ν1称为拉曼位移。如果考虑更多能级上的分子散射光子，则可产生更多的拉曼线，当这些能级的间隔不相等时，产生的各散射线相对于入射谱线的频移也是不同的。在理论上，我们可以把拉曼散射看成是光子场与分子系统相互作用的结果。在散射过程中，入射光子的湮没和散射光子的发射，伴随着分子从原来某一本征能级跃迁到另一本征能级。但是按照电磁场分子体系相互作用的量子理论，在一级近似下当分子在本征能级间跃迁时，只伴随着电磁波的一个波形内的一个光子数的变化才是被允许的。但在拉曼散射过程中，当散射分子从一个本征能级向另一本征能级跃迁时，电 7磁场内伴随着两个光子数的变化，也就是入射光波形内的一个光子数减少，散射光波形内的一个光子数增加，因此只能把它看成是二阶过程，在过程的第一阶段，散射分子先吸收（或者先散射）一个光子并离开它所处的初始本征能级；过程的第二阶段，分子发射（或者吸收）一个光子并跃迁到新的本征能级上。对于这个二阶过程，我们可以把量子化的电磁场与量子化的分子体系作为一个统一的整体加以考虑。
处于较低能级E2上的分子数密度为N2，处于较高能级E1上的分子数密度为N1，则能级E2上的分子向能级E1跃迁的谱线（斯托克斯）的增益因子正比于N2，则能级E1上的分子向能级E2跃迁的谱线（反斯托克斯）的增益因子正比于N1。因此各谱线的光强正比于相应的N2和N1。但是在一般情况下，散射分子的分布服从玻尔兹曼分布。由此可以知道，低能级上的分子数要大于高能级上的分子数，所以斯托克斯线的强度要大于反斯托克斯线的强度。同一种物质，随着入射光频率的改变，拉曼线的频率也随之发生改变，但拉曼位移Δν保持不变，拉曼位移与入射光的频率无关，仅与物质的振动和转动能级有关。不同的物质有不同的振动和转动能级，因此拉曼位移不同。
拉曼位移（Raman Shift）
在透明介质散射光谱中，入射光子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为ν0的光子，发射ν0-ν1的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（斯托克斯线）；分子吸收频率为ν0的光子，发射ν0+ν1的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯线）。靠近瑞利散射线的两侧出现的谱线称为小拉曼光谱；远离瑞利散射线的两侧的谱线称为大拉曼光谱。斯托克斯与反斯托克斯散射光的频率与激发光源频率之差Δν统称为拉曼位移（Raman Shift）。拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同的化学键或基态有不同的振动方式，决定了其能级间的能量变化，因此，与之对应的拉曼位移是特征的。与分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。这是拉曼光谱进行分子结构定性分析的理论依据。拉曼散射的强度比瑞利散射要弱得多。瑞利光谱强度大约只有入射光强度的千分之一，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的千分之一。分子能级的跃迁仅涉及转动能级，发射的是小拉曼光谱；涉及到振动－转动能级，发射的是大拉曼光谱。斯托克斯散射 8的强度通常要比反斯托克斯散射强度强得多，在拉曼光谱分析中，通常测定斯托克斯散射光线。
拉曼谱参数
拉曼谱的参数主要是谱峰的位置和强度。峰位是样品分子电子能级基态的振动态性质的一种反映，它是用入射光与散射光的波数差来表示的。峰位的移动与激发光的频率无关。拉曼散射强度与产生谱线的特定物质的浓度有关，成正比例关系。而在红外谱中，谱的强度与样品浓度成指数关系。样品分子量也与拉曼散射有关，样品分子量增加，拉曼散射强度一般也会增加。对于一定的样品，强度I与入射光强度I0、散射光频率ns、分子极化率α有如下关系：I = CI0ns4α2 （这里C是一个常数）。拉曼散射光谱明显的特征
（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。
1.2 拉曼活性和拉曼选律
拉曼散射的选择定则
在拉曼光谱中的选择定则，虽然容许跃迁也要求Δν＝±1，但是它的条件与红外光谱的不同。红外吸收振动要有分子偶极矩的变化，而拉曼散射却要有分子极化率的变化。按照极化原理，把一个原子或分子放到静电场E 中，感应出原子的偶极子μ，原子核移向偶极子负端，电子云移向偶极子正端。这个过程应用到分子在入射光的电场作用下同样是合适的。这时，正负电荷中心相对移动，极化产生诱导偶极矩P，它正与 9电场强度E，有P＝αE 的关系，比例常数α称为分子的极化率。拉曼散射的发生必须在有相应极化率α的变化时才能实现，这是和红外光谱所不同的。因而在红外光谱中检测不出的光谱，可以在拉曼光谱中得到，使得两种光谱相互补充。在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱是相互补充的。例如：电荷分布中心对称的键，如C－C、N＝N、S－S 等，红外吸收很弱，而拉曼散射却很强，因此，一些在红外光谱仪无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。外加交变电磁场作用于分子内的原子核和核外电子，可以使分子电荷分布的形状发生畸变，产生诱导偶极矩。极化率是分子在外加交变电磁场作用下产生诱导偶极矩大小的一种度量。极化率高，表明分子电荷分布容易发生变化。如果分子的振动过程中分子极化率也发生变化，则分子能对电磁波产生拉曼散射，称分子有拉曼活性。有红外活性的分子振动过程中有偶极矩的变化，而有拉曼活性的分子振动时伴随着分子极化率的改变。因此，具有固有偶极矩的极化基团，一般有明显的红外活性，而非极化基团没有明显的红外活性。拉曼光谱恰恰与红外光谱具有互补性。凡是具有对称中心的分子或基团，如果有红外活性，则没有拉曼活性；反之，如果没有红外活性，则拉曼活性比较明显。一般分子或基团多数是没有对称中心的，因而很多基团常常同时具有红外和拉曼活性。当然，具体到某个基团的某个振动，红外活性和拉曼活性强弱可能有所不同。有的基团如乙烯分子的扭曲振动，则既无红外活性又无拉曼活性。
拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线（频率为ν）两侧对称地伴有频率为ν0±νi（i＝1，2，3，……）的谱线，长波一侧的谱线称红外线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫外线或反斯托克斯线；频率差νi与入射光频率ν0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。
1.3 拉曼光谱与红外光谱比较
拉曼光谱与红外光谱的区别
拉曼光谱是研究分子振动的一种光谱方法，它的原理和机制都与红外光谱不同，红外光谱的产生是由于吸收光的能量，引起分子中偶极矩改变的振动；拉曼光谱的产生是由于单色光照射后产生光的综合散射效应，引起分子中极化率改变的振动。红外 10光谱是吸收光谱，拉曼光谱是散射光谱，但它们提供的结构信息是类似的，只是研究分子间作用力的种类不同，对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量，都是关于分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况，从而可以用来鉴定分子中存在的官能团。对某一给定的化合物，某些峰的红外吸收波数与拉曼位移完全相同，红外吸收波数与拉曼位移均在红外光区，两者都反映分子的结构信息。分子偶极矩变化是红外光谱产生的原因，而拉曼光谱是分子极化率变化诱导的，它的谱线强度取决于相应的简正振动过程中极化率的变化的大小。由于拉曼光谱对振动基团极化率的变化敏感，所以喇曼光谱对于研究物质的骨架特征最为有效。一般对称振动会出现显著的喇曼谱带。在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱是相互补充的。拉曼光谱适于表征对称性高而电子云密度变化大的振动，而红外光谱则适于表征对称性低而偶极矩改变大的振动。例如：电荷分布中心对称的键，如C－C、N＝N、S－S等，红外吸收很弱，而拉曼散射却很强，因此，一些在红外光谱仪无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。（1） 红外光谱的入射光及检测光均是红外光，而拉曼光谱的入射光大多数是可见光 ，散射光也是可见光；（2） 红外谱测定的是光的吸收，横坐标用波数或波长表示，而拉曼光谱测定的是光的散射，横坐标是拉曼位移；（3） 两者的产生机理不同。红外吸收是由于振动引起分子偶极矩或电荷分布变化产生的。拉曼散射是由于键上电子云分布产生瞬间变形引起暂时极化，是极化率的改变，产生诱导偶极，当返回基态时发生的散射。散射的同时电子云也恢复原态；（4） 红外光谱用能斯特灯、碳化硅棒或白炽线圈作光源而拉曼光谱仪用激光作光源；（5） 用拉曼光谱分析时，样品不需前处理。而用红外光谱分析样品时，样品要经过前处理，液体样品常用液膜法和液体样品常用液膜法，固体样品可用调糊法，高分子化合物常用薄膜法，体样品的测定可使用窗板间隔为2.5～10 cm的大容量气体池；（6） 红外光谱主要反映分子的官能团，而拉曼光谱主要反映分子的骨架主要用于分析生物大分子；（7） 拉曼光谱和红外光谱可以互相补充，对于具有对称中心的分子来说，具有一互斥规则：与对称中心有对称关系的振动，红外不可见，拉曼可见；与对称中心无对称关系的振动，红外可见，拉曼不可见。11
拉曼或红外是否有活性的判别规则
在拉曼光谱中，官能团谱带的频率与其在红外光谱中出现的频率基本一致。不同的是两者选律不同，所以在红外光谱中甚至不出现的振动在拉曼光谱可能是强谱带。 对任何分子，可粗略地用下面的规则来判别其拉曼或红外是否有活性：（1）相互排斥规则：凡有对称中心的分子，若红外是活性，则拉曼是非活性的；反之，若红外为非活性，则拉曼是活性的。如O2只有一个对称伸缩振动，它在红外中很弱或不可见，而在拉曼中较强。而聚乙烯具有对称中心，所以它的红外光谱与拉曼光谱没有一条谱带的频率是一样的。从理论上将聚硫化乙烯（PES）应该在红外光谱与拉曼光谱中没有频率相同的谱带，但如果PES采取象聚氧化乙烯（PEO）那样的螺旋结构，那就不存在对称中心，它们的红外与拉曼光谱中就有频率相同的谱带。（2）相互允许规则：一般来说，没有对称中心的分子，其红外和拉曼光谱可以都是活性的。例如水的三个振动νas、νs和δ皆是红外和拉曼活性的。（3）相互禁阻规则：有少数分子的振动在红外和拉曼中都是非活性的。如乙烯分子的扭曲振动，既没有偶极矩的变化，亦没有极化度的变化，在红外和拉曼光谱中均得不到谱峰。
拉曼光谱技术的优越性
（1）它适于分子骨架的测定，且无需制样。提供快速、简单、可重复、且更重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。（2）不受水的干扰。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。拉曼光谱工作在可见光区，用拉曼光谱进行光谱分析时，水是有用的溶剂，而对红外光谱水是差的溶剂。此外，拉曼光谱测量所用的器件和样品池材料可以由玻璃或石英制成，而红外光谱测量需要用盐材料。（3）拉曼一次可以同时覆盖50～4000 cm-1的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，用传统的红外光谱仪测量必须使用两台以上仪器才能覆盖这一区域。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。拉曼仪器 12中用的传感器都是标准的紫外、可见光器件，检测响应得非常快，所以拉曼光谱法可用于研究寿命，并可用于跟踪快速反应的动力学过程。（4）因为谐波和合频带都不是非常强，所以拉曼光谱一般都比红外光谱简单，重叠带很少见到。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。（5）拉曼光谱使用的激光光源性质使其相当易于探测微量样品，如表面、薄膜、粉末、溶液、气体和许多其他类型的样品。因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2～2 mm，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 μm甚至更小，可分析更小面积的样品。（6）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103～104倍。偏振测量也给拉曼光谱所得信息增加了一个额外的因素，这对带的认定和结构测定是一个帮助。拉曼光谱技术自身的这些优点使之成为现代光谱分析中重要的一员。
1.4 拉曼光谱的特征谱带
激光拉曼光谱振动叠加效应小，谱带较为清晰，倍频和组频很弱，易于进行偏振度的测量，以确定物质分子的对称性，因此比较容易确定谱带的归宿。拉曼光谱目前标准谱图的数量还有限，因而与红外光谱配合使用，能更好地解决分子结构测定的问题。拉曼谱图特定位置上的信号往往对应于某一具体物质或特定信息，通常以各种类型的谱峰形式表现。谱峰信号的强度或大小又与此物质的组分、物理化学性质，结构活性等有关，因此从信号的位置，大小和形状可以获取物质的定量定性信息。所以谱峰的准确检测是光谱数据处理，获取有效信息的关键问题。谱图检测包括峰检测（主要是指峰起止点和顶点的检测）、峰上各特征点的检测、峰结构的识别、相邻峰重叠的判别等。通过谱图检测，就可以获取谱图中谱峰的位置及强度，为后续的定性定量计算提供依据，因此准确性是光谱检测中所着重强调的。谱图检测在拉曼光谱分析中 13尤为重要，光谱峰的起点、终点、峰顶点、半峰宽等信息直接关系着定性定量分析结果的精度。
拉曼散射光谱明显的特点
在众多光谱技术中，拉曼光谱有其独特的优势：（１）拉曼光谱的频移不受光源频率的限制，光源频率可根据样品的不同特点而有所选择。（２）检测范围广，包括常见的无机物和有机物，能对生物大分子、天然与合成材料（如碳纳米管、光子晶体等）、矿石、活体动植物组织、水污染样品、化学反应催化剂等等实现检测。（３）拉曼光谱不破坏样品，毋需样品制备，一般样品可装于毛细管内直接测定，玻璃即为理想的窗口材料，危险及热敏样品可在密封的容器内测试。（４）所需样品量少，只需要几毫克、几毫升甚至更少就可以给出样品浓度信息。
（５）适用于水溶液体系的测量，这是拉曼光谱与红外光谱相比最显著的优点之一。由于水分子的不对称性，在拉曼光谱上没有伸缩振动频率带，并且其他的变形，剪切等振动频率谱带很弱，因而水的拉曼光谱很弱。而水的红外光谱带数很多且强度大，对溶质的谱图分析带来很大干扰。对醇类溶液，拉曼光谱也有同样的优点。（６）可用于低浓度样品检测。拉曼光谱方法的检测灵敏度非常高，尤其是对水环境中有机成分和生物大分子等，有着很低的检测限，一般可达10-3 g/L或10-3 mol/L。特别是在水质分析中，很多需要检测的成分浓度都非常低。但是某些物质即使只是处于痕量的范围，对水质的影响也是巨大的，如杀虫剂、多环芳烃类物质、氰化物等，正需要像拉曼光谱这样高灵敏度的检测手段。近几年的研究表明，运用CCD技术，结合其本身的高灵敏度特性，采用共振表面增强拉曼增强光谱，可获得超高灵敏度的检测限，可达10-6 g/L，10-12 g或10-15 mol，检测下限直逼单分子。（７）拉曼散射的强度通常与散射物质的浓度呈线性的关系，这为样品的定量分析提供了理论依据。（８）拉曼活性的谱带是基团极化率随简谐振动改变的关系，而红外活性的谱带是基团偶极矩随简谐振动改变的关系，拉曼光谱中包含的倍频及组频谱带比红外光谱少。14（９）拉曼光谱能对C＝C，S＝S，N＝N等红外吸收较弱官能团给出强的拉曼信号，对易产生偏振的一切重要元素（过渡金属、超铀元素等）的组合键均可出现拉曼强谱带。（１０）可以实时、实地检测。光谱仪可以采用CCD作为光谱探测器，利用CCD能实现高速的全波段光谱扫描特性，可将光谱扫描时间缩短至几秒甚至更短。结合发达的计算机分析和管理方法，完全可能实现实时分析和在线监测功能。这一特点使得拉曼光谱在工业监控和环境质量在线监测中受到特别的关注和欢迎。
拉曼光谱的特征谱带
拉曼光谱可提供有关样品分子中存在何种功能团的结构信息。所以可用于鉴别试验和结构解析。 在相同的测定条件下，绘制供试品与对照品的拉曼光谱进行比对，若两光谱相同，即鉴别为同一化合物。如遇多晶现象，可参照红外鉴别的相关内容进行处理。（1）同种分子的非极性键S－S，C＝C，N＝N，C＝C产生强的拉曼谱带，并按单键－双键－三键的序谱带强度增加。（2）红外光谱中，由C≡N，C＝S，S－H伸缩振动产生的谱带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中它们则是强谱带。（3）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。（4）在拉曼光谱中，X＝Y＝Z，C＝N＝C，O＝C＝O这类键的对称伸缩振动是强谱带，红外光谱与此相反。（5）C－C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。（6）醇和烷烃的拉曼光谱相似：（I）C－O键与C－C键的力常数或键的强度没有很大差别。（II）羟基和甲基质量仅相差2单位。（III）与C－H和N－H谱带比较，O－H拉曼谱带较弱。
1.5 拉曼光谱的分辨能力
影响定量测定的因素
15拉曼谱带的强度与待测物浓度的关系遵守比尔定律：IV = KLCI0，其中IV是给定波长处的峰强，K代表仪器和样品的参数，L是光路长度，C是样品中特定组分的摩尔浓度，I0是激光强度。实际工作中，光路长度被更准确的描述为样品体积，这是一种描述激光聚焦和采集光学的仪器变量。上述等式是拉曼定量应用的基础。最主要的干扰因素是荧光、样品的热效应和基质或样品自身的吸收。在拉曼光谱中，荧光干扰表现为一个典型的倾斜宽背景。因此，荧光对定量的影响主要为基线的偏离和信噪比下降，荧光的波长和强度取决于荧光物质的种类和浓度。与拉曼散射相比，荧光通常是一种量子效率更高的过程，甚至很少量不纯物质的荧光也可以导致显著的拉曼信号降低。使用更长的波长例如785 nm 或1.064 μm 的激发光可使荧光显著减弱。然而，拉曼信号的强度与λ-4成比例，λ是激发波长。通过平衡荧光干扰、信号强度和检测器响应可获得最佳信噪比。测量前将样品用激光照射一定时间，固态物质的荧光也可得以减弱。这个过程被称为光致漂白，是通过降解高吸收物质来实现的。光致漂白作用在液体中并不明显，可能是由于液体样品流动性，或荧光物质不是痕量。样品加热会造成一系列的问题，例如物理状态的改变（熔化），晶型的转变或样品的烧灼。这是有色的、具强吸收或低热传导的小颗粒物质常出现的问题。样品加热的影响通常是可观察的，表现在一定时间内拉曼光谱或样品的表观变化。除了减少激光通量，有许多种方法可用来降低热效应，例如在测量过程中移动样品或激光，或者通过热接触或液体浸入来改善样品的热传导。基质或样品本身也可吸收拉曼信号。在长波傅里叶变换拉曼系统中，拉曼信号可以与近红外的泛频吸收重叠。这种影响与系统的光学以及样品的形态有关。装填和颗粒大小的差异而引起的固体散射的可变性与这种效应有关。然而，由于在拉曼光谱中样品的有限穿透深度和相对狭窄的波长范围，所有这些效应的大小都没有近红外光谱严重。定量拉曼光谱与许多其它的光谱技术不同，它是单光束零背景测量。谨慎地进行样品测定以及使用设计合理的仪器可以使这种变异减到最小，但是并不能全部消除。所以，绝对的拉曼信号强度很难直接用于待测物的定量。变异的潜在来源是样品的不透明性和样品的不均匀性、照射样品的激光功率的变化以及光学几何学或样品位置的变化。这些影响可以通过能重复的或有代表性的样品处置方式予以减小。16由于拉曼信号绝对强度的波动，使用内标是最普通和有效的减少可变性的方法。内标方法有几种变通选择。可以有目的地加入一种内标，该内标应具有与待测物互不干扰的独特谱带以便检测。在溶液中，也可利用溶剂的独特谱带，因为溶剂随样品不同将相对保持不变。另外，在制剂中，如果赋形剂量大大超过待测组分，则可以使用该赋形剂的峰。在假设激光和样品定位的改变将会同等地影响全光谱的前提下，全光谱同样可以用作参比。样品测定中需考虑的重要因素还有光谱的污染。拉曼是一种可以被许多外源影响掩蔽的弱效应。普通的污染源包括样品支持物（容器或基质）和周围光线。通常，这些问题可以通过细致的实验方法来识别和解决。
拉曼光谱用于分析的不足
拉曼效应普遍存在于一切分子中，无论是气态，液态和固态，拉曼散射光谱对于样品制备没有特殊要求；对于样品数量要求比较少，可以是毫克甚至微克的数量级。拉曼散射最突出的优点是采用光子探针，对于样品是无损伤探测，尤其适合对那些稀有或珍贵的样品进行分析，甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物质。拉曼光谱的缺点之一是会产生荧光干扰，样品一旦产生荧光，拉曼光谱会被荧光所湮灭检测不到样品的拉曼信号。二是检测灵敏度低。（1）拉曼散射面积；拉曼信号受样品颗粒的大小、密度和均匀性等因素导致光程差长短不同带来的分析误差的影响，拉曼特征峰强度的变化并不能严格反映化学反应发生的量的变化，要进行定量分析，必须加以校正。本实验中，以峰面积作为拉曼信号强度的量度，采用内标法加以校正。利用共焦显微镜的纵向分辨功能，把光点聚焦在树脂珠的内部，避免了同一树脂珠边缘和内部Raman峰强度差异所带来的分析误差。（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；三级光栅拉曼系统，具有极高的光谱分辨率。大光谱测量范围的应用具有抑制杂散光的能力，宏观大光路和共焦显微镜等多种取样途径可以有效减少杂散光的干扰。（3）荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰；荧光背景的干扰是Raman光谱分析固相合成样品的主要问题，对于比较纯净的样品，荧光干扰主要来源于两方面：一是样品本身产生的荧光，二是样品在激光的照射下发生了光化学反应。降低荧光背景一般可采用纯化试样，长时间辐照试样，改变激发波长等方法。为防止强激光照射下 17样品炭化以及由此带来的荧光干扰，控制激光以较小的强度(1～2 mW)照射到样品上。1.064 μm 近红外区激光激发以抑制电子吸收，这样既阻止了样品的光分解又抑制了荧光的产生。（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。
第二节 激光拉曼光谱仪
拉曼光谱仪由激光源、收集系统、分光系统和检测系统构成，光源一般采用能量集中、功率密度高的激光，收集系统由透镜组构成，分光系统采用光栅或陷波滤光片结合光栅以滤除瑞利散射和杂散光，检测系统采用光电倍增管检测器、半导体阵检测器或多通道的电荷藕合器件。
2.1 激光光源
由于拉曼散射很弱，因此要求光源强度大，一般用激光光源。有可见及红外激光光源等。如具有308 nm，351 nm发射线的紫外激光器；Ar+激光器一般在488.0nm，514.5 nm等可见区发光；而Nd:YAG激光器则在1.064 μm的近红外区使用。对常规的拉曼光谱实验，常见的气体激光器基本上可以满足实验的需要。在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定。作为光源的激光器应该具有满足使用要求的输出功率、波长和稳定度。为了激发拉曼光谱，对光源最主要的要求是应当具有相当好的单色性，即线宽要窄，并能够在试样上给出高辐照度。气体激光器能够满足这些要求，自准性能好，而且是平面偏振的。最常用的是氩离子激光，也可以用氦氖激光。拉曼光谱法的检测是用可见激光（或紫外激光或近红外激光进行检测）来检测处于红外区（或紫外、可见区）的分子的振动和转动能量，它是一种间接的检测方法：把红外区的信息变到可见光区，并通过差频（即拉曼位移）的方法来检测。由于可见光区是电子跃迁的能量区，当用可见激光激发样品时，电子跃迁所产生的光致发光信 18号会对拉曼信号产生干扰，严重时，拉曼信号会被完全淹没。光致发光信号的特点是谱带较宽，最高强度处的波长（或频率）一定。根据这个特点，拉曼光谱仪一般都配备多种激光器，当一种激光激发样品时产生很强的光致发光干扰信号时，就改用另一种激光，目的是避开光致发光的干扰。
2.2 外光路系统及样品装置
外光路系统是激光器之后到分光系统前面的一切设备（包括样品池）。它们的作用主要是为了在试样上能够得到最有效的照射，充分滤除相对强度很大的瑞利散射线，最大限度地收集散射光，还要适合于作不同状态的试样在各种不同条件（如高、低温）等条件下的测试。由于拉曼散射的效率很低，试样装置要能以最有效的方式照射样品和聚集散射光，它的光学设计是非常重要的。通常采用聚集激光束照射到试样上，以提高试样的辐照度，产生拉曼散射。合理设计的旋转样品装置，能有效解决样品局部过热问题，提高拉曼信号强度，而且具有灵活、方便的特点。另外，低价格低损耗光纤照明和取样（传感）器使遥测成为可能。外光路系统一般是指在激光器之后、单色器之前的光学系统，它的作用是为了有效地收集拉曼散射光。在外光路系统中，激光器输出的激光首先经过光栅，以消除激光中可能混有的其它波长的激光以及气体放电的谱线（若激光无杂线时，可不用此光栅）。纯化后的激光经棱镜折光改变光路再由透镜准确地聚焦在样品上。样品所发出的拉曼散射光再经聚光透镜准确地聚集在单色仪的入射狭缝上。外光路部分包括聚光、集光、样品架、滤光和偏振等部件。外光路系统主要由激发光源、五维可调样品支架、偏振组件以及聚光透镜等组成。激光器射出的激光束被反射镜反向后，照射到样品上。为了得到较强的激发光，采用一聚光镜使激光聚焦，使在样品容器的中央部位形成激光的束腰。为了增强效果，在容器的另一侧放一凹面反射镜。凹面镜可使样品在该侧的散射光返回，最后由聚光镜把散射光会聚到单色仪的入射狭缝上。（1）聚光：用一块或二块焦距合适的会聚透镜，使样品处于会聚激光束的腰部，以提高样品光的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功率比不用透镜会聚前增强105倍。19（2）集光：常用透镜组或反射凹面镜作散射光的收集镜。通常是由相对孔径数值在1左右的透镜组成。为了更多地收集散射光，对某些实验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加反射镜。（3）样品架：样品架的设计要保证使照明最有效和杂散光最少，尤其要避免入射激光进入光谱仪的入射狭缝。为此，对于透明样品，最佳的样品布置方案是使样品被照明部分呈光谱仪入射狭缝形状的长圆柱体，并使收集光方向垂直于入射光的传播方向。拉曼样品主要有：透明液体、透明固体、不透明固体、加温样品、背向散射样品和前向散射样品。可有各种各样的样品放置方式，包括直接的光学界面，显微镜，光纤维探针（不接触或光学浸入）和样品室（包括特殊的样品盛器和自动样品转换器）。样品光路也可被设计成能获得偏振相关拉曼光谱，这种光谱通常包含附加信息。样品装置的选择应根据待测物的具体情况（如样品的状态、体积等）以及测量的速度，激光的安全性和样品图谱的质量要求等决定。由于在可见光区域内，拉曼散射不会被玻璃吸收，因此拉曼光谱的一大优点是样品可放在玻璃制成的各种样品池中，这给样品的拉曼测试带来很大便利。样品池可以根据实验要求和样品的形状和数量而设计成不同的形状。（4） 滤光：安置滤光部件的主要目的是为了抑制杂散光以提高拉曼散射的信噪比。在样品前面，典型的滤光部件是前置单色器或干涉滤光片，它们可以滤去光源中非激光频率的大部分光能。小孔光栏对滤去激光器产生的等离子线有很好的作用。在样品后面，用合适的干涉滤光片或吸收盒可以滤去不需要的瑞利线的一大部分能量，提高拉曼散射的相对强度。激光波长的散射光（瑞利光）要比拉曼信号强几个数量级，必须在进入检测器前滤除。陷波滤波器几乎被普遍应用于这个目的，它具有滤波效果好和体积小等优点。另外，为防止样品不被外辐射源（例如：房间的灯光，激光等离子体）照射，需要设置适宜的滤波器或者物理屏障。（5）偏振：做偏振谱测量时，必须在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋转器可以改变入射光的偏振方向；在光谱仪入射狭缝前加入检偏器，可以改变进入光谱仪的散射光的偏振；在检偏器后设置偏振扰乱器，可以消除光谱仪的退偏干扰。调节好外光路是获得拉曼光谱的关键，首先应使外光路与单色仪的内光路共轴。一般情况下，它们都已调好并被固定在一个钢性台架上。可调的主要是激光照射在样品上的束腰，束腰应恰好被成像在单色仪的狭缝上。是否处于最佳成像位置，可通过单色仪扫描出的某条拉曼谱线的强弱来判断。20
2.3 分光系统
分光系统是拉曼光谱仪的核心部分，它的主要作用是把散射光分光并减弱杂散光。分光系统要求有高的分辨率和低的杂散光，一般用双联单色仪。两个单色仪耦合起来，第一个单色仪的出射狭缝即为第二个单色仪的入射狭缝。两个光栅同向转动时，色散是相加的，可以得到较高的分辨率（约1cm-1）。双联单色仪的杂散光（在50 cm-1处），可以达到10-11。为了进一步降低杂散光，有时要再加一个联动的第三单色仪，此时分辨率提高了，但谱线强度也相应减弱了。自从90年代以后，高质量的全息光栅出现，逐渐取代了分光系统中普通刻划光栅，不仅改善了光谱分辨率，避免了“鬼线”的出现，而且容易形成平象场，为使用CCD阵列接收器提高条件。色散系统使拉曼散射光按波长在空间分开，通常使用单色仪。由于拉曼散射强度很弱，因而要求拉曼光谱仪有很好的杂散光水平。各种光学部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是仪器杂散光的主要来源。当仪器的杂散光本领小于10-4时，只能作气体、透明液体和透明晶体的拉曼光谱。光波信号可通过色散或者干涉（傅里叶变换）来处理。任何合格仪器都适用于定性鉴别。然而，选择定量测定用仪器时，应注意色散和线性响应可能在整个波谱范围内并不均衡（例如当使用阶梯光栅分光镜时）。为了降低散射光对检测强度较弱的拉曼散射光的影响，通常采用双单色仪，有时甚至采用三单色仪来进一步降低杂散光，提高分辨率。但光栅的反射率一般小于100%，使用多光栅必然要降低光通量，另外，由于多光栅的分光系统不可避免地采用多个反射镜，也会使光通量降低，特别在紫外区镜子的反射率往往不容易达到90%以上的，故光反射损失较严重。
2.4 探测、放大和记录系统
传统的拉曼光谱探测系统一般采用光电倍增管或电子计数器，通过对分光后的光谱逐点（即逐频率）扫描得到完整的拉曼光谱。自20世纪60年代多种系列的多通道探测器DD包括增强光导摄像管、增强光电二极管列阵、增强阻抗阳极探测器和电耦合器件（CCD）发展起来以后，逐渐成为流行的光谱探测方法。其中CCD已经成为当今拉曼光谱探测的主流器件。21拉曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。激光拉曼光谱仪中一般采用单通道接收光电倍增管做探测器，由于拉曼散射强度很弱，这就要求光电倍增管要有高的量子效率和尽可能低的热离子暗电流。液氮冷却的CCD电子偶合器件探测器的使用可大大提高探测器的灵敏度。为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处理方法是直流放大、选频和光子计数，然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。光电倍增管将光信号变成电信号并进行信号放大，最后送入电脑显示系统，在电脑上显示出拉曼光谱。硅质 CCD 是色散仪器中最常用的检测器。这种冷却的阵列检测器允许在低噪声下的快速全光谱扫描。常与通常使用的785 nm二极管激光器配合使用。傅里叶变换仪器通常采用单通道锗或铟镓砷化合物(InGaAs)检测器以配合钕:钇铝石榴红(Nd:YAG) 1.064 μm的激光器在近红区使用。累积时间分辨技术是从时间域上将拉曼散射信号与绝大部分背景热辐射分离开来，用脉冲激光代替连续激光，并在信号的收集上也与激光脉冲峰值保持一致，在此期间同步记录拉曼散射和相应的背景辐射，在两个相邻脉冲的间隙期中则关闭探测器(CCD 或光电倍增管) 。通过累积多次脉冲期间的拉曼信号便可获得质量较好的拉曼谱图，此方式下，信背比约能提高τc/τ倍。τc是脉冲周期，τ为脉冲宽度。
2.5 显微拉曼的实验步骤
（1）样品平摊或滴加到普通载玻片上，将载玻片置于光学显微镜的载物台上。（2）选定目镜和物镜倍数。物镜倍数决定了打在样品上的光斑大小和显微镜的放大倍数。将光源置于白色照明状态；用肉眼观察，并调节手柄，使白光恰好照射在所要观测的样品上。（3）关上显微镜遮光盖，调至绿光状态。根据实验样品不同，事先查阅相关资料确定激光器种类。发射材料不同，产生激光的波长也不同，波长越长，能量越低。对于不了解的材料，应从发射较低能量的激光器开始尝试，避免损坏样品。（4）在计算机上切换至显微镜显示模式，此时显示屏上可见样品表面。（5）右键选定一点，十字叉中心对准该点。（6）调节各参数。选定拉曼位移为100～4000 cm-1；激光发射强度有100%，50%，25%，10%，1%（满功率为4.7 mW）五个档次可供选择。22（7） 开始进行数据采集。通常采集三次。每次数据采集峰强是作叠加，因此无法根据单一峰强进行量化计算，可以采用峰峰间相比，根据比值获得相对含量多少的信息。同时数据采集过程中噪音是以约1.732的倍数增长，因此随着采集次数增加，所得信号的信噪比将不断增大，最后图像质量也有所改善。
仪器与方法校正
拉曼仪器的校准包括三个要素：初始波长，激光波长以及强度。特别需要注意到，激光波长变化可影响仪器的波长精度和光度（强度）精度。即使是最稳定的激光器在使用过程中，其输出波长也会有轻微变化。所以，激光波长必须被校正以确保拉曼位移的准确性。必须确定激光是否对样品造成影响。在不同激光功率和暴露时间的条件下，对样品目视检查和仔细审视测得的拉曼光谱测量可以确定样品是否改变（而不是光漂白作用）。观察到依据是谱带的位置、峰强和谱带宽度是否改变或者背景强度是否有明显的变化。对拉曼方法进行验证是必须的，至少应考察准确度，精密度等主要指标，然而，这些指标受诸多可变因素的影响，其中荧光可能是影响方法适用性的主要变量。样品中荧光杂质的存在完全随样品而异。所以，方法必须能适应不同样品体系，必须足以将杂质的影响降到最小。由于荧光使基线漂移可能同样会影响定量，所以使用时，同样需要在不同的光漂白作用水平进行可接受的定量验证。可以使用仪器公司提供的拉曼位移标准参考物质进行定期校正。某些仪器可以用一种拉曼内标物与初级光路分离，外在校准装置通过散射辐射准确地重现这一光路。
检测器的线性必须适应可能的信号水平范围。荧光可能使信号基线比验证时高，这时必须设法将荧光减弱或者使验证的方法适应较高的荧光水平。这一要求对方法的精密度，检测限（LOD）和定量限（LOQ）同样适用，因为基线噪声的增加会对这些数值产生影响。影响方法精密度的因素还包括样品的位置。样品的形态对于固体或液体都是非常重要的因素，在校正模型中必须严密控制或说明。样品的制备方法或样品试架的形状可能影响测量灵敏度，而且，该灵敏度会随着仪器的激发光和采集光学设置的不同而不同。
232.6 喇曼光谱实验中应注意的几个问题
在喇曼光谱实验中，为了得到高质量的谱图，除了选用性能优异的谱仪外，准确地使用光谱仪，控制和提高仪器分辨率和信噪比是很重要的。
2.6.1 狭缝
出射入射和中间狭缝是喇曼光谱仪的重要部分。入射、出射狭缝的主要功能是控制仪器分辨率，中间狭缝主要是用来抑制杂散光。对于一个光谱仪，即使用一绝对单色光照射狭缝，其出射光也总有一宽度为Δν的光谱分布。这主要是由仪器光栅，光学系统的象差，零件加工及系统调整等因素造成的，并由此决定了仪器的极限分辨率。在实际测量中，随着狭缝宽度加大，分辨率还要线性下降，使谱线展宽。
2.6.2 孔径角的匹配
由于分辨率是光栅宽度的线性函数，如果收集光系统不能照明整个光栅，则仪器分辨率将会下降。自己组装光谱仪系统时更应注意这一点，要使收集散射光的立体角与单色仪的集光立体角相匹配。实际测量中也应注意把散射光正确地聚焦到入射狭缝上，否则不但降低了分辨率也影响了信号灵敏度。
2.6.3 激发功率
提高激发光强度或增加缝宽能够提高信噪比，但在进行低波数测量时这样做常常会因增加了杂散光而适得其反。一般应首先尽量降低杂散光，例如，适当减小狭缝宽度，保证仪器光路准直等；然后再考虑用重复扫描，增加取样时间或计算机累加平均等方法来消除激光器、光电倍增管及电子学系统带来的噪声。
2.6.4 激发波长
激光波长对杂散光及信噪比的影响十分显著，当狭缝宽度不变时，用氩激光514.5 nm比用488.0 nm波长激发样品，杂散光要小1～2数量级（±100 cm-1范围内），并且 24分辨率有所提高。这一方面是由于长波长激光对仪器内少量灰尘或试样中缺陷的散射弱；另一方面由于狭缝宽度一样时，不同波长的光由出射狭缝出射时所包含的谱带宽度不一样。所以一般用长波长的激光谱线作为激发光，对获得高质量的谱图有利。伴随喇曼光谱出现的光背景是一种难以克服的噪声来源。强的荧光谱带不单会淹没弱的喇曼信号，而且由于光电倍增管的发射噪声会随入射光的平方根增加，在非常强的荧光背景的情况下，将导致发射噪声的涨落，从而破坏了所要测量的光谱。降低荧光背景一般可采用纯化试样，长时间辐照试样，改变激发波长等方法。1.064 μm 近红外区激光激发以抑制电子吸收，这样既阻止了样品的光分解又抑制了荧光的产生。2.6.5其他
获得拉曼光谱可以采用下述任一物质态：结晶态、无定型、液体、气体或等离子体。液体能够在玻璃管或石英管中直接测量。无定型和微晶固体也可充填入玻璃管或石英管中直接测定。为了获得较大的拉曼散射光强度，通常使照射在样品上的入射光与所检测的拉曼散射光之间的夹角为0o，90o 和180o。样品池的放置可有多种方式。某些特殊样品技术可被应用于表面增强拉曼光谱和显微拉曼光谱测量。为防止样品分解常采用的一种办法是旋转技术，利用特殊的装置使激光光束的焦点和样品的表面做相对运动，从而避免了样品的局部过热现象。样品旋转技术除能防止样品分解外，还能提高分析的灵敏度。常采用内标法定量，在激光照射下，加入的内标也产生拉曼光谱，选择其一条拉曼谱带作为标准，将样品的拉曼谱带强度与内标谱带的强度进行比较(通常比较谱带的面积或高度)。由于内标和样品完全处于相同的实验条件下，一些影响因素可以相互抵消。所选择的内标应满足以下要求：（1）化学性质比较稳定，不与样品中被测成分或其它成分发生化学反应；（2）内标拉曼谱带和待测物的拉曼谱带互不干扰；（3）内标应比较纯，不含有被测成分或其他干扰成分。对于非水溶液，常用的内标为四氯化碳（459 cm-1）；而对于水溶液，常用的内标是硝酸根离子（1050 cm-1）和高氯酸根离子。对于固体样品，有时选择样品中某一拉曼谱带作为自身对照内标谱带。光谱的形状与所用的仪器型号和性能、激发波长、样品测定状态、及吸水程度等因素相关。因此，进行光谱比对时，应考虑各种因素可能造成的影响。
252.7 拉曼光谱数据处理
在红外光谱原理中曾提及凡不引起分子偶极距改变的振动是红外非活性的振动，不能形成振动吸收，使红外光谱的应用受到一定程度的限制。但是，这些红外非活性的振动信息可以通过拉曼光谱来获得。故拉曼光谱常作为红外光谱分析的补充技术，俗称“姐妹光谱”。由于它们都反映了分子的振动频率特征，因此，在红外光谱中的几种分析方法同样也适用于拉曼光谱，不过，在分析拉曼光谱图时要注意下列几个问题。在拉曼光谱分析中，原始光谱中存在与样品组成无关的信息。这些无关信息包含杂散光引起的噪声和光源引起的噪声等。这些噪声的存在严重影响确定光谱峰值的位置、峰高数值、谱线宽度等。为了消除噪音干扰，优化拉曼光谱信号，提高信噪比，需要对光谱信号进行处理，以便准确地获得实验数据。当测得某种物质的拉曼谱图后，我们先注意1500 cm-1的分界点，1500 cm-1以上的带必定是一个基团的频率，解释通常是可靠的，一般可以确信其推论。因此，我们解释谱图通常从高波数端开始。1500 cm-1以下的区域叫做指纹区，该区域的谱带可以是基团频率也可以是指纹频率。通常频率越底，谱带就越不会是起因于基团振动，即使在这个区域内有一个谱带具有某一基团的确切频率，以不一定能断定这个基团的存在。在这个区域的谱图分析，除了频率之外，还应注意另外某些特征――很强、非常宽、或者非常尖、双重轮廓等等。一般说来，在指纹区内某一基团频率的不存在比它的存在是更可靠的论证。与红外光谱配合使用，须注意如下几点：（1）相互排斥规则。凡具有对称中心的分子，若其红外是活性的，则其拉曼就是非活性的，反之，若拉曼是活性的，则其红外是非活性的。（2）相互允许规则。一般来说，没有对称中心的分子，其红外和拉曼光谱都是活性的。（3）拉曼光谱对分子骨架较灵敏，红外光谱对连接在骨架上的官能团较灵敏。（4）水对拉曼光谱影响较小，较适合做水化物的结构测定。在获得拉曼光谱信号的过程中，由于受激发激光光强的漂移，CCD检测器热稳定噪声、样品放置位置与方向等多方面因素的影响，获得的拉曼光谱往往具有较强的荧光背景和其它噪声干扰。能否去除拉曼光谱的荧光背景和其它噪声干扰，提高信噪比，是这类拉曼光谱技术能否广泛应用的关键。现代分析仪器去除噪声的方法可分两个阶段进行，在仪器信号采集时，采用各种滤波措施来消除噪声；在获得仪器输出的 26数字信号后通过数据处理方法来减少噪声。在仪器信号采集阶段的噪声去除，可以通过信号调制、陷波滤波器、高通滤波器或者低通滤波器等滤波方法实现。这些滤波方法既可以通过硬件的方式（如模拟滤波器）实现，也可以通过软件的方式实现，但还是存在一部分难以消除的噪声。因此，在获得数字化形式的图谱信号后，还需要进一步的数据处理，也就是利用数字滤波器采用软件方法去除噪声。针对激光拉曼光谱数据的特点，目前在拉曼光谱数据处理中主要有平滑、求导和快速傅立叶变换等数据处理方法。
第三节 拉曼光谱技术
激光使拉曼光谱获得了新生，因为激光的高强度极大地提高了包含双光子过程的拉曼光谱分辨率和实用性。此外强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。为了进一步提高拉曼散射的强度，人们先后发展了傅立叶变换拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、超位拉曼光谱、共振拉曼光谱、时间分辨拉曼光谱等新技术，使光谱仪的效率和灵敏度得到更大的提高。目前拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。随着拉曼光谱学研究的深入，拉曼光谱的应用必将愈来愈广泛。
3.1 傅立叶变换拉曼光谱技术（Fourier Transform Raman Spectroscopy）
傅立叶变换拉曼光谱（Fourier Transform Raman Spectroscopy, FT-Rman）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。99%的傅立叶变换拉曼光谱仪都采用1.064 μm 的半导体激光器对做为激发光，减少激光诱导产生的荧光信号；同时由于原理上的优势，更易于和FT-IR 红外光谱仪联用，并且具有较高的光谱分辨率和优良的波长准确度。在实验室等场合的科学研究中对分辨率有较高的要求时是较好的选择。FT- 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。27由于当样品温度超过250 oC时，强烈的黑体辐射信号将掩盖傅立叶变换拉曼中的拉曼信号。FT-Raman 采用了高功率的1.064 μm半导体激光器做为激发光源，此时水相样品中会强烈吸收激光发射和拉曼信号；由于红外的热效应，当FT-Raman 用于分析深色样品时，会产生激发能量的强吸收，样品加热，强背景辐射，甚至导致样品降解等不利因素。因此，这三种类型的样品不适合利用FT-Raman 分析。近红外FT-Raman光谱仪采用麦克尔逊干涉仪代替色散型拉曼光谱系统中的光栅，将时间域中的相干图像转变成为频率域中的光谱图像并直接记录，使得测量光谱的分辨率和灵敏度不再受单色仪和光栅的限制。同时，采用激发波长为1.064 μm的Nd:YAG近红外激光器代替了传统的可见光激光器，大大减少了可见光激发时荧光背景对拉曼光谱的干扰。近红外FT-Raman光谱较传统的可见光激发色散型拉曼有如下优点：（1）用近红外光作激发光容易测定有荧光的和对光不稳定的化合物的拉曼光谱，大约有90%的化合物可获得拉曼光谱；（2）干涉仪没有任何狭缝或色散元件，一次扫描即可获得全谱，扫描一次只要一秒钟；（3）由于使用的干涉仪对仪器的漂移不敏感，故谱图测定重现性好；（4）分辨率和光通量在全谱范围内不变，所以光谱频率的准确度高；（5）在色散仪扫描一个谱点所用的时间内，干涉型仪己扫描完所有的谱点，因而信噪比高；（6）近红外光足以穿过生物组织，用近红外光激发可直接提取到生物组织内分子的有用信息。不过，傅立叶变换拉曼光谱仪也存在着一些不足之处，例如傅立叶变换拉曼光谱仪的单次扫描信噪比不高、在低波数区扫描方面傅立叶变换拉曼光谱仪不如色散型拉曼光谱仪、以及水影响傅立叶变换拉曼光谱仪的测试灵敏度等等。
3.2 表面增强拉曼光谱技术（Surface Enhanced Raman Spectroscopy）
用通常的拉曼光谱法测定吸附在胶质金属颗粒，如金、银或铜表面的样品，或吸附在这些金属片的粗糙表面上的样品，被吸附的样品其拉曼光谱的强度可提高104～106倍，这种现象就是表面增强拉曼（Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）现象。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，使得激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高。28表面增强拉曼光谱是一种非常有效的探测界面特性和分子间相互作用、表征表面分子吸附行为和分子结构的工具。表面增强拉曼散射更由于其高探测灵敏度、高分辨率、水干扰小、可猝灭荧光、稳定性好及适合研究界面等特点，尽管表面增强拉曼增强机理的解释尚未达成完全的共识，它被广泛应用于表面研究、吸附物界面表面状态研究、生物大分子的界面取向及构型、构象研究和结构分析等。最大范围地应用于研究吸附分子在表面的取向及吸附行为、吸附界面表面状态、生物大分子的界面取向及构型、构象和结构分析；实质上无论是表面或界面吸附、催化过程的研究、LB 膜结构分析、含量低达10-9 g 至10-12 g，检测限可低至10-9～10-12 mol/L的痕量分析，还是蛋白质、核酸或其他生物色素的测定，表面增强拉曼光谱术都起着越来越大的作用。表面增强拉曼光谱技术也逐渐成为表面科学和电化学领域有力的研究手段，并已在痕量分析乃至单分子检测、化学及工业、环境科学、生物医学体系、纳米材料以及传感器等方面的研究中得到了广泛应用。表面增强拉曼现象主要由金属表面基质受激而使局部电磁场增强所引起。效应的强弱取决于与光波长相对应的表面粗糙度大小，以及和波长相关的复杂的金属电介质作用的程度。表面增强拉曼活性基底已经扩展到表面粗糙的金电极、银电极、铜电极，甚至铁、铑、镍、铂等很多种金属甚至合金电极。带孤对电子或π电子云的分子呈现的表面增强拉曼效应最强，其他芳氮或含氧化合物，如芳胺和酚，也具有强的表面增强拉曼活性，这一效应在其他电负性功能团如羧酸中也能观察到。从少数分子获得大量结构信息的可能性使得表面增强拉曼光谱术可用于解决高灵敏度化学分析的许多问题。在表面增强拉曼光谱中，荧光的干扰可有效地得到抑制。表面增强拉曼技术的优越性表现在可获得痕量分子结构信号，但其用于表面增强拉曼的定量分析的结果不佳。主要的问题是在于除像拉曼光谱一样受到激光光源的光强的稳定性、照射的方向、计数器的稳定性等一般因素的影响外，表面增强拉曼光谱的基底重现性难于控制，难于寻找到合适的体系、基底或外标来用于实际样品测量。其检测限的报道依据其待测物的特征峰的线性回归曲线的下限或依据激光光源的照射截面和拉曼散射截面计算而得，其重现性和实用性离真正的实际分析应用还有一段距离。另外，表面增强拉曼技术要求所检测的分子必需含有芳环、杂环、氮原子、硝基氨基、狡酸基以及磷、硫原子(因这些基团具有拉曼活性)，这对表面增强拉曼的检测对象有一定的限制。与拉曼技术一样，表面增强拉曼也存在着共振增强现象。293.3 激光共振拉曼光谱技术（Laser Resonance Raman Spectroscopy）
激光共振拉曼光谱(Resonance Raman Spectroscopy)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 。共振拉曼技术与常规拉曼光谱技术不同之处在于要求光源可变，可调谐染料激光器是获得共振拉曼光谱的必要条件。受益于激光技术和纳米科技的迅猛发展，表面增强拉曼光谱和非线性拉曼光谱已经在界面和表面科学、材料分析、生物化学等领域广泛应。以分析物的紫外－可见吸收光谱峰的邻近处作为激发波长。样品分子吸光后跃迁至高电子能级并立即回到基态的某一振动能级，产生共振拉曼散射。该过程很短，约为10-14 s。而荧光发射是分子吸光后先发生振动松弛，回到第一电子激发态的第一振动能级，返回基态时的发光。荧光寿命一般为10-6～10-8 s。共振拉曼强度比普通的拉曼光谱法强度可提高102～106倍，检测限可达10-8 mol/L，而一般的拉曼光谱法只能用于测定0.1 mol/L以上浓度的样品。因此激光共振拉曼光谱法用于高灵敏度测定以及状态解析等，如低浓度生物大分子的水溶液测定。共振拉曼的主要不足是荧光干扰。有些化合物可通过化学反应改变其结构，使之最大吸收峰接近激发光频率，如生成有色化合物，然后再进行共振拉曼光谱测定也是一个提高灵敏度的较有效的方法。共振拉曼技术由于灵敏度高而特别适用于药物和生物大分子的研究。但伴随样品本身或由杂质引起的荧光，以及为这一特殊光谱所需的激光和光学设计费用，限制了共振拉曼光谱的应用。与普通拉曼相比，共振拉曼光谱有许多优点，例如：（1）利用强度增强效应可以获得低浓度样品和微量样品的拉曼谱；（2）从各种拉曼带的激发谱可以获得有关分子振动和电子相互作用的信息；（3）在共振拉曼中可能出现在普通拉曼光谱中观察不到的新谱带；（4）共振拉曼光谱具有选择性，即当激发频率接近复杂大分子的某个生色团的电子吸收峰时，只有生色团或与生色团相连的振动模才会产生共振增强，从而得到有关生色团的结构信息。利用共振拉曼的选择性，共振拉曼光谱已广泛地应用于生物大分子的结构、环境污染的探测、无机材料的检测等各个方面。共振拉曼谱的这种 30选择性对于研究电子跃迁与共振增强的振动之间的关系是非常重要的。近年来，随着可调谐染料可见激光器的不断发展，使该方法的应用范围不断扩大。
3.4 激光拉曼显微术（Laser Raman Microprobe Spectroscopy）
共聚焦技术（Confocal Microscopy）的原理早在1957 年就已提出，但是直到1967 年才被用于光学切片分析。1977 年，该技术开始用于拉曼光谱学。但是，直到九十年代共焦显微技术才真正在拉曼技术中得到广泛应用。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。当我们将样品沿着激光入射方向上下移动，可以将激光聚焦于样品的不同层，这样所采集的信号也将来自于样品的不同层，实现样品的剖层分析。可以看出，这种结构的最大特点就是可以有效地排除来自焦平面之外其它层信号的干扰，从而有效地排除溶液本体信号对所需要分析的层信号的影响。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。显微拉曼仪具有很好的空间分辨率，样品分析时将入射光通过显微镜聚焦到样品上，从而可以在不受周围物质干扰的情况下，精确获得所照样品微区的有关化学成分、晶体结构、分子相互作用以及分子取向等各种拉曼光谱信息。理论和实验都表明，显微镜头的数值孔径越大，探测针孔的直径越小，仪器的共焦性能就越好。同时，共焦显微系统本身还具有较高的水平方向的空间分辨率，而这一分辨率仅取决于显微镜头的放大倍数和所用的激光波长。传统的拉曼采集装置将光照区中所有的拉曼信号都收集入检测器，从而无法区分信号的来源。特别是当界面的信号有增强的情况下，将掩盖其它层信号的贡献。在共焦显微系统中，可以通过调焦使得收集的信号来自不同的层，从而可以区分信号的来源。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。拉曼光谱属于分子振动光谱，每种物质的拉曼线可以有若干队，每对线对应于物质的两个能级间差值（振动、转动或电子能量间的差值），所以能从分子水平上反映样品化学组成和分子结构上的差异。显微拉曼技术可将激发光的光斑聚焦到微米量级，进而对样品的微区进行精确分析，激光在样品上产生作用的确切部位，可以通过CCD 鉴定仪和一个TV 监视仪，清晰地显示出来，TV 屏幕，可以选择有关分析所感兴趣的任何样品的任意部位，整个分析鉴定过程，都非常直观，易于进行观察和控制。 31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，这对于肿瘤细胞间细微差异的检测、文物考古、公安法学中的痕量物质分析等而言，是一个十分理想的手段。由于光学衍射极限的限制，该技术的空间分辨通常仅能到亚微米级，无法与扫描探针技术相比拟。但是最近突破光学衍射极限、空间分辨值达数十纳米的近场光学Raman 显微技术的出现和进一步发展，必将带来一场拉曼光谱技术的新革命，使拉曼光谱在界面研究中得到更广泛的应用。3.5 纤维光学拉曼光谱术（Fiber-optic Raman spectroscopy）
随微小型光纤光谱仪的出现，光谱技术也经历着一场从实验室走向生产现场的革命，已转化为一种完全以被测样品为中心而设计现场仪器的实用技术。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。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，随着光纤耦合拉曼光谱仪的研发成功，拉曼光谱仪可以进行工业在线和远距离原位在线分析。拉曼光谱分析技术以检测速度快，并能实时获取详细的化学信息等特点，越来越多地被用于连续或间歇反应过程控制。光纤技术的引入，使测试人员远离危险工作现场，实现远程、在位多成分检测的可能性。科学界把探针与样品之间的距离小于几十纳米的范围称为近场，而大于这个距离的范围叫做远场。显然，扫描隧道显微镜和原子力显微镜（STM和AFM）等利用探针在样品表面的扫描的方法属于近场探测，而对于光学显微镜、电子显微镜等远离样品表面进行观测的方法称为远场方法。进行近场扫描光学显微镜实验，必须将点光源靠到样品表面纳米距离，然后点光源扫描样品表面，再收集探测经过样品表面的光学信号。近场光学技术是扫描探针技术中唯一使用可见光作为检测探针的技术，人们借助这个工具得以对衍射极限之下的物质结构进行光谱学分析。针尖增强拉曼光谱技术(Tip-enhanced Raman Spectroscopy, TERS)以其极高的空间分辨率和探测灵敏度受到了人们的重视。针尖增强拉曼光谱技术为纳米科学与生命科学等学科的研究提供了强有力的工具，使得纳米尺度光谱学研究成为现实。按针尖的作用分有照明、收集以及同时照明和收集三种模式。透射模式中，针尖与样品和收集物镜处在同一光轴，针尖以照明模式提供光源，或以收集模式在近场区域采集光子。在反射模式中，针尖同时在近场提供光源并采集信号；或者物镜在光纤 32同侧以一定倾角在远场发射或收集。由于隐失场是由针尖小孔产生或由小孔调制收集，并且近场信号一定要和样品表面相互作用才能获得，因此针尖和样品间的距离要求在近场区间内。光纤探针由于制备简单以及易于将光线在近场和远场间传输，因此得到了最广泛的应用，但是小于100 nm 的针尖小孔附近金属层覆盖下的高密度光强会产生高温，使得尖端熔化变钝，从而进一步使得在粗糙样品表面无法精确实现剪切力反馈控制而出现虚假的图像。当孔径小于20～30 nm，被小孔限制在针尖内的热能极容易破坏针尖，这也是光纤探针分辨率被限制在这个数量级的原因。光纤探针由于锥角较小，光通量平均为10-5，对其在光谱检测等应用领域的应用造成了一定障碍。随着针尖制备技术的不断进步和检测器灵敏度的提升，有望进一步借助亚波长尺度下的拉曼光谱对一些问题进行细致的观察和分析。
3.6 固体光声拉曼技术（Photoacoustic Raman Spectroscopy）
光声拉曼光谱术(Photoacoustic Raman Spectroscopy, PARS)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的能量的一种非线性光谱技术，它具有高灵敏度(能探测到10-6 cm-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均可取得理想的效果。由于不像相干反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的特性。与气体，液体不同，固体介质中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一定的对称性，因而，情况要复杂得多。光声拉曼光谱技术是通过光声方法来检测受激拉曼增益的，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，并且克服了传统光学方法受瑞利散射、布里渊散射干扰的缺点，基本上是一种无光学背景的非线性光谱技术，其谱线近似为洛仑兹线。由于光声拉曼信号并非来自样品对光的直接吸收，而是基于通过相干拉曼放大过程使分子产生具有拉曼活性的受激跃迁，并且光谱跃迁的发生取决于分子极化率的变化而非其固有偶极矩的变化，使得光声拉曼技术成为研究具有反演对称晶体中对红外不具活性的光学声子的有效手段。另外，由于光声拉曼光谱探测频率等于两光束的频率差，因而利用它可以在可见光区研究分子的振动特性，如观测分析分子晶体中的谱线频率比分子内部振动的频率小得多的分子间相对振动谱 33线，并且比使用红外光谱方法要方便简单。光声效应与调制频率有关，改变调制频率可获得样品表面不同深度的信息，所以光声拉曼光谱分析是提供表面不同深度结构信息的无损探测方法。目前，光声拉曼技术主要用于研究矿石内部化学结构及分子内部的多相动力学过程和监测气体的浓度及压力变化趋势。
3.7 拉曼光谱与其它技术的联用
电化学原位拉曼光谱法，是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象，将单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光) 激发受电极电位调制的电极表面，通过测定散射回来的拉曼光谱信号(频率、强度和偏振性能的变化)与电极电位或电流强度等的变化关系。一般物质分子的拉曼光谱很微弱，为了获得增强的信号，可采用电极表面粗化的办法，可以得到强度高104～107倍的表面增强拉曼散射光谱，当具有共振拉曼效应的分子吸附在粗化的电极表面时，得到的是表面增强共振拉曼散射光谱，其强度又能增强102～103。目前采用电化学原位拉曼光谱法的研究进展主要有：通过表面增强处理把测检体系拓宽到过渡金属和半导体电极、通过分析研究电极表面吸附物种的结构、取向及对象的表面增强共振拉曼光谱与电化学参数的关系，对电化学吸附现象作分子水平上的描述以及通过改变调制电位的频率，可以得到在两个电位下变化的“时间分辨谱”，以分析体系的表面增强拉曼谱峰与电位的关系，解决了由于电极表面的表面增强拉曼活性位随电位而变化而带来的问题。近年，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。
第四节 拉曼光谱的应用
拉曼光谱技术以其信息丰富，制样简单，水的干扰小等独特的优点，在化学、材料、物理、高分子、生物、医药、地质等领域有广泛的应用。（1）化学与材料科学34
拉曼光谱在化学和材料科学上的应用，主要是分子定性、定量和结构分析以及物质物理化学性质的测定上。已有的应用包括：化合物的结构和某些官能团的确定、聚合物和有机化合物的测试、电化学研究和腐蚀研究、化学反应中催化剂作用的研究、对半导体芯片上微小复杂结构的应力及污染或缺陷的鉴定、金刚石镀膜和复合材料的测试、超导体测试、晶体的振动和结构、碳纳米管的生长和不同条件下特性的变化等等。由于具有结构信息丰富、可实现无损探测等突出优点，拉曼光谱在化学和材料科学上的应用受到越来越广泛的重视和研究。
（2）医药学
拉曼光谱在医学和药学上的应用主要有以下几个方面：一是利用拉曼光谱进行体内和体外的医学诊断；二是研究人体内部的和由外部吸收的外部试剂，其中包括有意摄入的（如药物和探测物）和无意感染的（如病毒和污染物）物质与人体的相互作用；三是药物成分和结构鉴定。由于检测上的非侵入性和非破坏性，最近十几年内，拉曼光谱在医药学上的发展十分迅速。拉曼光谱对白内障、硅肺、动脉粥样硬化等疾病的诊断已见报道，在癌症诊断方面的巨大潜力尤其受到众多研究者的重视。拉曼光谱具有很强的分辨相似分子（药物及其代谢物）的能力，对药材和药物有效组分成分、浓度和细微结构的无损分析和鉴定非常有效，特别是最近表面增强拉曼光谱的发展使探测药物及其它有意义的化学物质的药理特性成为可能。
（3）生物科学
构成生物最基本的特性是核酸、蛋白质及其酶和生物膜。每种活的组织中都包含多种核酸和蛋白质，研究这些分子的组成、构成和分子间的相互}