什么是拉曼散射？

我们讲解了拉曼效应的原理，以及C.V. Raman教授是如何发现拉曼效应的。

谁发现了拉曼光谱？

拉曼散射过程以发现者 — 著名的印度物理学家、爵士Chandrasekhara Venkata Raman教授的名字命名。C.V.Raman教授和他的学生K.S.Krishnan揭示了，光穿过透明物质时会发生颜色变化。光通过与分子振动相互作用而改变颜色和能量。这就是非弹性拉曼散射过程。当时，其他科学家将拉曼效应视为量子理论最具说服力的证明之一。C.V.Raman教授因为这一伟大发现获得了1930年诺贝尔物理学奖。

C.V.Raman教授于1928年就发现了拉曼效应。然而，直到几十年后，激光、探测器和计算技术的进步才促进了高效拉曼系统的发展。拉曼光谱仪现在是实验室和制造领域中必不可少的工具。

如何检测拉曼效应？

您可以使用拉曼光谱仪测量拉曼效应。第一步是用单色光（例如激光）照射样品。如果您将蓝光照射到某种物质上，您可能认为只会看到它反射的蓝光。大部分散射光的能量保持不变（“瑞利散射”）。

只有大约千万分之一的散射光会发生拉曼散射。使用拉曼光谱仪，您可以检测出颜色和频率发生变化的拉曼散射光。在散射过程中，光与分子振动相互作用，因而发生频率改变。发生拉曼散射是因为光子（光的粒子）和物质中的分子振动交换了一部分能量。

拉曼光谱仪如何测量振动模式？

拉曼光谱仪通过分析散射光来测量振动模式之间的能量差。当光子作用于分子，导致其电子云极化并暂时提升至一个“虚拟”能级状态时，便产生了散射现象。如果光子在散射过程中改变能量，就会发生拉曼散射。这种现象的原因在于，受激分子通过能量松弛过程，过渡到了一个与原始状态相比，能量更高或更低的振动能级。

拉曼散射是非弹性的，因为光子通过与分子振动能级相互作用来改变能量。当散射光失去能量时，拉曼散射被称为“斯托克斯”。当散射光获得能量时，拉曼散射被称为“反斯托克斯”。当分子从基态因吸收能量而暂时跃迁至一个虚拟能级，随后降落至一个能量高于初始基态的振动能级时，便产生了斯托克斯拉曼散射现象。当分子处于振动激发态时，它可以吸收光子并跃迁到一个更高的虚拟能量状态，随后该分子释放能量，从虚态回落至基态。在这个过程中，即发生反斯托克斯拉曼散射。我们很少使用反斯托克斯拉曼光，因为它的强度不如斯托克斯拉曼光。然而，它确实代表了分子的等效振动信息。

与之相反，当分子返回到基态时，就会发生瑞利散射。它释放出与入射光子能量相同的光子。因此，瑞利散射光与入射光的频率和颜色相同。瑞利散射光的强度约为拉曼散射光的10⁷倍。现代光谱仪使用高效滤光片来去除瑞利散射光，以便成功检测拉曼散射。

拉曼散射的机制类似于红外 (IR) 吸收光谱，但适用不同的选择规则。在振动过程中需要改变分子极化率，才会发生拉曼散射。某些振动在拉曼光谱中可以看到，但在红外光谱中看不到，反之亦然。例如，与红外吸收光谱不同，拉曼光谱可以分析金刚石中的碳键。

拉曼频移能告诉您什么？

拉曼频移是入射激光与散射光之间的能量差。能量的改变取决于分子中原子的振动频率。通过研究分子振动，我们可以发现物质的化学和结构组成。

如果拉曼频移或能量变化较大，则表示分子的振动频率很高。这是由于轻原子通过强键结合在一起。相反，如果拉曼频移或能量变化较小，则表示分子的振动频率很低。这是由于重原子通过弱键结合在一起。

显微拉曼光谱仪的部件

典型显微拉曼光谱仪的前端是光学显微镜。它连接到激发激光器、瑞利滤光片、光谱仪和探测器。拉曼效应非常微弱；仅大约千万分之一的散射光会因为频移而发生颜色变化。这种效应太微弱，不能通过裸眼观察，所以我们需要借助高灵敏度拉曼光谱仪观察这部分散射光。

雷尼绍的inVia™显微拉曼光谱仪由以下部件组成：

1. 单个或多个激光器，从紫外 (UV 244 nm) 到红外 (IR 1064 nm)，单击即可切换

2. 高质量物镜，将激光聚焦到样品上。其中包括100倍高度共焦、长工作距离和浸入式选项

3. 瑞利滤光片，用于过滤反射光和散射光，从而只采集拉曼光

4. 马达驱动光谱仪透镜，针对每种激光波长自动优化

5. 具有高色散能力和长使用寿命的主衍射光栅，分离出拉曼光的组成颜色

6. 稳定灵敏的热电冷却 (-70 ˚C) CCD探测器

7. 用于自动化系统控制、数据采集和分析的计算机

inVia™共焦显微拉曼光谱仪的典型光学布局