什么是拉曼光谱法

拉曼散射的发现历史

1928年，印度物理学家 C.V. Raman 与其合作者 K.S. Krishnan 在实验中发现：当单色光通过透明液体时，散射光中除了与入射光频率相同的瑞利散射外，还存在频率发生偏移的微弱散射光。这一现象后来被命名为拉曼散射（Raman scattering）。C.V. Raman 因此项发现于1930年荣获诺贝尔物理学奖，这也是亚洲科学家首次获得该奖项。

早在1923年，奥地利物理学家 Adolf Smekal 就从理论上预言了非弹性散射现象的存在，但 Raman 是第一个通过实验观察并系统证实这一效应的人。拉曼散射的发现为分子结构分析提供了一种全新的手段，至今仍是化学、材料、生物等领域最重要的分析技术之一。

基本原理

当单色激光照射样品时，绝大部分光子与分子发生弹性散射（瑞利散射），散射光频率与入射光完全相同。然而，约每10⁶~10⁸个光子中，有极少数会与分子发生非弹性散射（拉曼散射），导致散射光的频率发生偏移。这个频率偏移量称为拉曼位移（Raman shift），直接对应分子的振动和转动能级。

三种散射过程

• 瑞利散射（Rayleigh scattering）——散射光频率与入射光相同，强度最大，不携带分子振动信息。
• 斯托克斯散射（Stokes scattering）——光子将部分能量传递给分子，散射光频率低于入射光。这是最常测量的拉曼信号，强度相对较强。
• 反斯托克斯散射（Anti-Stokes scattering）——分子将部分振动能量传递给光子，散射光频率高于入射光。由于需要分子处于激发态，强度通常比斯托克斯散射弱得多，但可用于温度测量。

拉曼散射的物理本质是光子与分子极化率变化的耦合。只有当分子振动导致极化率发生变化时，该振动模式才是"拉曼活性"的。这与红外光谱互补——红外活性要求偶极矩变化，而拉曼活性要求极化率变化。

拉曼光谱图的解读

拉曼光谱图的横轴为拉曼位移（Raman shift），单位为 cm^-1（波数），表示散射光与入射光的频率差。纵轴为散射光强度，通常以任意单位（a.u.）或计数（counts）表示。

指纹区与官能团区

拉曼光谱通常可分为两个区域：

• 指纹区（200~1800 cm^-1）——包含大量重叠的振动峰，每种分子的指纹区图谱独一无二，如同人的指纹，可用于物质鉴定。
• 高频区（2800~3600 cm^-1）——主要包含 C-H、O-H、N-H 等氢键相关的伸缩振动，可用于判断官能团的存在。

通过将未知样品的拉曼光谱与标准光谱数据库进行对比匹配，可以快速、准确地鉴别物质种类。常用的数据库包括 RRUFF（矿物）、KnowItAll（综合有机/无机化合物）等。

激发波长的选择

激发波长是拉曼光谱仪设计中最关键的参数之一。不同波长的激光各有优劣，需根据样品特性和应用需求综合选择。

拉曼散射截面与激发波长的四次方成反比（σ ∝ λ^-4），因此短波长激光的散射效率远高于长波长。但短波长也更容易激发样品的荧光背景，形成对拉曼信号的严重干扰。在实际应用中，785 nm 是目前最常用的折中选择，兼顾了信号强度和荧光抑制。

拉曼光谱仪的基本结构

一台完整的拉曼光谱仪通常由以下五个核心部件组成：

1. 激发光源（激光器）

提供单色、高亮度的激发光。常用固态激光器（如 DPSS 532 nm）或半导体激光器（如 785 nm 稳频二极管激光器）。要求波长稳定性好、线宽窄（< 0.1 nm）、功率可调。

2. 激光滤光片

包括激发端的带通滤光片（净化激光）和接收端的长通/陷波滤光片（滤除瑞利散射光，仅通过拉曼散射光）。陷波滤光片的截止深度（OD ≥ 6）和边缘陡度直接影响低波数拉曼信号的检测能力。

3. 采样光路

将激光聚焦到样品上，并收集散射光。可采用自由空间光路、光纤探头或显微镜耦合方式。光纤探头便于远程和原位测量，显微镜耦合可实现微区拉曼分析（空间分辨率 ∼1 μm）。

4. 光谱仪（分光系统）

将多色散射光按波长展开。常用 Czerny-Turner 结构的光栅光谱仪，光栅刻线密度越高，光谱分辨率越高。典型拉曼光谱仪分辨率在 3~10 cm^-1 范围内。

5. 探测器

将光信号转化为电信号。可见光波段（532/633/785 nm 激发）通常使用背照式 CCD 或 sCMOS 探测器；1064 nm 激发则需要 InGaAs 线阵探测器。探测器的量子效率和暗电流水平决定了系统的灵敏度和信噪比。

主要拉曼技术变体

表面增强拉曼光谱（SERS）

将分析物吸附在纳米金/银等贵金属基底上，利用局域表面等离激元共振产生的电磁场增强效应，可将拉曼信号增强 10⁶~10¹⁰ 倍，甚至实现单分子检测。SERS 已广泛应用于食品安全快检、环境污染物监测和生物标志物检测等领域。

针尖增强拉曼光谱（TERS）

结合扫描探针显微镜（STM/AFM），利用纳米金属针尖的局域增强效应实现纳米级空间分辨率的拉曼成像。TERS 可在单分子层面研究分子的振动特性和化学反应，是目前空间分辨率最高的拉曼技术。

共振拉曼光谱（Resonance Raman）

当激发波长与样品的电子吸收带匹配时，特定振动模式的拉曼散射截面可增强 10³~10⁶ 倍。共振拉曼可以选择性地增强与发色团相关的振动模式，在生物大分子（如血红蛋白、叶绿素）研究中尤为有用。

共聚焦拉曼显微光谱

将拉曼光谱仪与共聚焦显微镜结合，通过针孔排除焦平面外的散射光，可实现三维空间的拉曼成像。横向分辨率可达 ∼300 nm，纵向分辨率 ∼1 μm，广泛用于材料的微区分析、应力分布测量和生物细胞成像。

空间偏移拉曼光谱（SORS）

通过在样品表面上空间偏移采集点和激发点的位置，可以获取样品深层的拉曼信号，穿透深度可达数毫米甚至更深。SORS 在无损检测包装内容物、骨骼分析和安检领域有重要应用。

应用领域

拉曼光谱法因其无需样品制备、无损、快速、可远程测量等独特优势，已广泛应用于众多领域：

• 材料科学——碳材料（石墨烯、碳纳米管的 D/G 峰分析）、半导体应力测量、晶体结构鉴定、薄膜质量评估。
• 化学分析——有机物结构鉴定、反应过程在线监测、催化机理研究、聚合物鉴定与老化评估。
• 生物医学——疾病诊断（癌症组织拉曼标志物）、药物分布成像、蛋白质构象分析、活体组织光谱检测。
• 宝石鉴定——天然与合成宝石鉴别、产地溯源、处理工艺检测（如充填、热处理）。
• 法医鉴定——毒品和爆炸物快速识别、墨迹和纤维溯源、体液鉴定、文物年代判定。
• 制药工业——原料药纯度检验、多晶型分析、制剂均匀性监测、PAT（过程分析技术）在线质控。
• 食品安全——农药残留检测、非法添加物筛查、掺假鉴别、食品新鲜度评估。
• 环境监测——水体污染物检测、大气颗粒物分析、微塑料鉴定与表征。