什么是拉曼光谱？

一、拉曼散射效应的发现

拉曼散射是一种散射光谱，它是基于印度物理学家C.V.拉曼在1928年首次发现的拉曼散射效应并命名的。1928年，印度物理学家C.V.拉曼发现，当光穿过透明介质时，除了大部分光发生瑞利散射（弹性散射）外，还有一小部分光发生频率变化的散射，即拉曼散射（非弹性散射）。这一发现对于理解分子的振动和转动状态具有重要意义。

二、拉曼光谱原理

拉曼光谱的原理基于拉曼散射效应。当入射光与物质分子相互作用时，如果分子发生振动或转动，入射光的能量会发生变化，并以散射光的形式辐射出来。这种散射光的频率与入射光频率不同，称为拉曼散射。拉曼散射光的频率变化与分子的振动和转动能级相关，因此通过分析拉曼光谱，可以获得关于分子结构和化学键的信息。

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拟的能量状态。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。

（图源网络，侵删）

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衡。这一个频率的改变被名为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Anti-Stokes shift。拉曼散射是由于能量透过光子和分子之间的相互作用而传递，就是一个非弹性散射的例子。

关于振动的配位，分子极化电位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。

1.Rayleigh散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；

2.Raman散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；

拉曼光谱原理的计算公式主要涉及到入射光频率和散射光频率之间的关系。当一束光照射到物质上时，物质中的分子会与该光发生相互作用，产生散射光。散射光中有一部分是拉曼散射光，其频率与入射光频率之间存在一定的差值，这个差值被称为拉曼位移。

具体来说，拉曼光谱原理的计算公式可以表示为：

ω = ω0 ± ν

其中：

ω 表示散射光的频率；

ω0 表示入射光的频率；

ν 表示拉曼位移，即散射光与入射光之间的频率差。

拉曼位移 ν 与分子的振动和转动能级直接相关，因此通过分析拉曼光谱中的拉曼位移，可以获得关于分子结构和化学键的详细信息。

三、拉曼光谱分析法

拉曼光谱分析法是一种通过测量和分析拉曼光谱来研究物质结构和性质的方法。这种方法无需对样品进行预处理，可以直接对固体、液体、气体等样品进行测量。通过比较不同样品的拉曼光谱，可以确定分子的振动和转动模式，进而推断出分子的结构和化学键信息，具体为一下几种！

定性分析：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。

结构分析：对光谱谱带的分析,又是进行物质结构分析的基础。

定量分析：根据物质对光谱的吸光度的特点,可以对物质的量有很好的分析能力。

四、拉曼光谱特征

拉曼光谱具有一些独特的特征，使得它在化学、物理、生物等领域具有广泛的应用。首先，拉曼光谱可以提供分子振动和转动的详细信息，包括振动频率、振动模式和转动惯量等。其次，拉曼光谱对样品的种类和状态没有严格的限制，可以适应不同实验条件下的测量需求。此外，拉曼光谱还具有高分辨率和高灵敏度，能够检测到微弱的拉曼信号，还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。

1. 对不同物质拉曼位移不同；

2.对同一物质Δν与入射光频率无关；是表征分子振-转能级的特征物理量；是定性与结构分析的依据；

3.拉曼线对称地发布在瑞利线两侧，长波一侧为斯托克斯线，短波一侧为反斯托克斯线；

4.斯托克斯线强度比反斯托克斯线强；

(图源网络，侵删)

五、拉曼光谱仪

拉曼光谱仪是用于测量和分析拉曼光谱的专用仪器。它通常由光源、样品室、单色器、探测器以及数据处理系统组成。光源产生一束单色光照射到样品上，样品散射的光经过单色器分离出不同频率的光谱线，由探测器接收并转换为电信号，最后由数据处理系统进行记录和分析。

六、拉曼光谱应用

拉曼光谱在多个领域具有广泛的应用。在化学领域，它可以用于研究物质的分子结构和化学键类型，分析化学反应的机理和动力学过程。在材料科学领域，拉曼光谱可用于表征材料的晶体结构、相变过程以及缺陷和杂质等。在生物医学领域，拉曼光谱可用于研究生物分子的结构和功能，以及疾病的诊断和治疗。此外，拉曼光谱还可应用于环境监测、食品安全、文物保护等领域。

由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：

1 同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，C ≡C产生强拉曼谱带， 随单键到双键再到三键谱带强度增加。

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，反这类键的对称伸缩振动是弱谱带。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是相似的：I. C-O键与C-C键的力常数或键的强度没有很大差别。II. 羟基和甲基的质量仅相差2单位。 III.与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。

七、拉曼光谱仪的优缺点

拉曼光谱仪的优点主要包括非破坏性测量、样品适应性强、高分辨率和高灵敏度等。它可以对多种类型的样品进行直接测量，无需复杂的预处理过程。然而，拉曼光谱仪也存在一些缺点，如拉曼散射面积；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、荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰；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；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。对于某些样品可能信号较弱，需要较长的测量时间；同时，仪器价格较高，维护成本也相对较高。

八、影响拉曼光谱的因素

影响拉曼光谱的因素主要包括样品的性质、实验条件以及仪器参数等。样品的性质如化学成分、晶体结构、分子间相互作用等都会影响拉曼光谱的特征。实验条件如温度、压力、气氛等也会对拉曼光谱产生影响。此外，仪器参数如光源的波长和功率、探测器的灵敏度等也会影响拉曼光谱的质量和分辨率。

综上所述，拉曼光谱是一种重要的分析工具，具有广泛的应用前景。通过深入了解拉曼散射效应的发现、拉曼光谱原理、分析方法、特征、仪器、应用以及影响因素等方面，可以更好地利用拉曼光谱技术服务于科研和实际应用。

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