拉曼光谱:基础和原理

拉曼光谱是一种用于研究分子和材料样品的强大而通用的分析技术。该技术基于光的非弹性散射，也称为拉曼散射，可用于识别和量化样品中的化学键。

每个分子或材料都有一组独特的化学键，这些化学键振动的频率取决于当地的化学环境。这给了每个分子一个独特的拉曼“指纹”,可用于识别。

观察到的跃迁强度也可用于获得样品的定量信息。典型的拉曼光谱仪器由光源、光束处理光学系统和检测器组成。

理解拉曼信号

拉曼光谱最常用的方法是通过光在分子中引起振动跃迁来监测化学振动。当光照射到样品上时，一些光子会发生弹性或非弹性散射。

因为在弹性散射中，入射光子和样品之间没有能量转移，所以测量的光将具有与输入光相同的波长。在非弹性散射事件中，样品和光子之间存在能量转移。

斯托克斯散射指的是由于样品相互作用而损失能量的光，而反斯托克斯散射指的是获得能量的光。斯托克斯或反斯托克斯光谱中的能量损失或增益与分子的振动结构有关。这就是可以用来识别物种的东西。

斯托克斯线通常比反斯托克斯线更强，因为它们与基态分子的相互作用有关。大多数在室温下进行的研究，基态分子的比例要高得多。

拉曼光谱原理和仪器

测量拉曼光谱的困难之一是拉曼过程不是唯一可能由光引发的过程。如果一个分子受到光源的电刺激，它可能会发出荧光，表明通过光子发射的能量弛豫。

荧光背景是拉曼光谱学中的一个严重问题，因为这些背景信号具有更宽的能量范围，并且比非弹性散射拉曼信号更强。拉曼信号自然很弱，强度比例为1/λ4，其中λ是用于启动拉曼过程的激发波长。

在拉曼光谱中使用较短波长的激发源增加了拉曼的强度，但是也增加了有足够的能量来激活样品中的电子跃迁并启动荧光过程的可能性。

为了充分利用拉曼光谱在样品鉴定方面的优势，必须对拉曼光谱进行仔细的光谱仪布局，以最大限度地减少这些相互竞争的影响。

近年来，更长波长的激发和更灵敏的傅立叶变换拉曼光谱仪器的使用，以及提高拉曼信号水平的表面增强方法已经变得普遍。

在拉曼光谱中使用诸如透镜之类的光学器件来聚焦光束并提高局部激发能量，同时使用高透射光学器件来确保最小的信号收集损失。

滤光器是抑制不需要的信号的另一个重要工具，不管它们是来自激发源的残余光还是不需要的散射。在拉曼光谱中，选择合适的滤光片有助于提高信噪比，去除不需要的背景，甚至提高仪器分辨率。

高性能过滤器对于拉曼光谱仪器获得最佳性能至关重要，尤其是在处理信号水平较低的困难样品或需要非常高的分辨率时。