拉曼散射：原理、方法与应用
拉曼散射：原理、方法与应用
拉曼散射是一种重要的光谱分析技术，广泛应用于化学、材料科学和生物医学等领域。本文将详细介绍拉曼散射的基本原理、不同类型及其在实际中的应用，帮助读者全面了解这一重要科学现象。
什么是拉曼散射？
拉曼散射，通常称为拉曼效应，是一种双光子事件，涉及分子相对于其振动运动的极化性以散射能量的形式发生变化。当来自激光（单频）的光接触到样品时，会改变分子电子云的偏振，使分子暂时处于较高的虚拟能量状态。这种虚能状态是短暂的，重新发射的能量以散射光的形式释放出来。
散射光可以是：
- 弹性散射（瑞利散射），释放的能量与入射辐射的频率相同；或
- 非弹性散射（拉曼散射），释放的能量频率高于或低于入射辐射的频率
拉曼散射过程
正如量子力学所描述的那样，拉曼散射过程是光子与分子相互作用时，分子可能被推进到一个更高能量的虚态。在这种高能状态下，可能会出现几种不同的结果。其中一种结果是，分子弛豫到与其初始状态不同的振动能级，产生不同能量的光子。入射光子的能量与散射光子的能量之间的差异称为拉曼散射。
当散射光子的能量变化小于入射光子时，这种散射称为斯托克斯散射。有些分子可能一开始处于振动激发态，当它们进入高能虚态时，可能会弛豫到比初始激发态更低的最终能态。这种散射称为反斯托克斯散射。
拉曼散射方法学
根据不同的应用，有不同的拉曼散射方法可供选择。与其他方法相比，每种方法都有特定的优缺点。此外，并非所有这些拉曼散射方法都能在一台拉曼光谱仪上进行。这些方法需要特定的设置，从价格适中的相对简单的仪器配置到相当复杂和昂贵的设备。不过，要获得实时、原位反应理解和工艺优化，以下拉曼散射方法之一可能是唯一的手段：
- 受激拉曼散射 (SRS)
- 表面增强拉曼散射 (SERS)
- 相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS)
受激拉曼散射
受激拉曼散射（SRS）是非线性拉曼光谱的另一个例子。受激拉曼散射发生在斯托克斯光子数量过多或故意添加到激发光束中的情况下。这种波长与常规拉曼光谱中最强的模式相吻合，随后该模式被大大放大，而所有其他拉曼活性模式则被抑制。
研究发现，如果用非常强的激光脉冲照射样品，可以观察到新的非线性现象。脉冲激光器产生的电场比连续波（CW）激光器产生的电场大约大 5 个数量级，这就将更大比例的入射光转化为有用的拉曼散射，并大大提高了信噪比，从而使检测限大大低于标准斯托克斯拉曼光谱仪。
表面增强拉曼散射
表面增强拉曼散射（SERS）是一种用于放大微弱拉曼信号的方法。 拉曼信号本身就很微弱，这是由于可用于检测的散射光子数量在统计上较少。
SERS 使用纳米结构或粗糙的金属表面，通常是金或银。 激光激发这些金属结构可驱动表面电荷产生局部等离子体场，即增强电场。
当分子靠近表面并因此产生增强电场时，就能观察到拉曼信号的大幅增强，从而产生比普通拉曼散射大几个数量级的拉曼信号。 这样就可以检测低浓度的物质，而无需增加标记和荧光测量等步骤。
从药物发现到实验室和现场分析测试、法医测试和医疗诊断，SERS 的应用范围越来越广。
相干反斯托克斯拉曼散射
相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）基于多个激光器的非线性混合过程，用于增强微弱的（自发）拉曼信号。 在 CARS 过程中，泵浦激光束和斯托克斯激光束相互作用，产生一定频率的反斯托克斯信号。 当泵浦激光器和斯托克斯激光器之间的频率差（拍频）与拉曼活性振动模式的频率相匹配时，分子振荡器就会被相干驱动。这就产生了增强的反斯托克斯（较短波长）拉曼信号。
细胞生物学和组织成像是受益于 CARS 技术发展的两个领域。传统上，细胞检测使用荧光光谱仪。利用 CARS 可以收集到相同的化学特异性信息，而无需标记感兴趣的分子，从而提供亚微米秤的信息。
拉曼散射与瑞利散射
大多数光子在与分子相互作用时会发生弹性散射。一小部分光子（约为千万分之一）会发生非弹性散射，其频率与入射光子的频率不同，通常低于入射光子的频率。弹性散射光子被称为瑞利散射，没有分析值。非弹性散射光子称为拉曼散射。
C.V. 拉曼发现，非弹性散射光子的能量可以作为散射光物质的 "指纹"。因此，拉曼光谱现在常用于化学实验室和工艺中，几乎可以识别任何物质。
斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射
图中给出的能级图说明了拉曼散射。 初始状态通常是地面振动级状态（v0）和最终状态（v1）。分子发生拉曼散射需要两个步骤。
- 激发分子进入虚拟能态的光子能量
- 分子弛豫（拉曼散射）到升高的基态（如 v1）
瑞利散射也称为弹性散射，发生在激发频率等于散射辐射的情况下，如图 1 所示（E1=E2）。 瑞利散射不能提供分子化学成分的任何信息。
斯托克斯散射也称为非弹性散射，发生在分子振动能量发生净变化的情况下，如图右侧所示（E1>E2）。与瑞利散射不同，斯托克斯散射可提供有关分子化学成分的信息。
拉曼散射的应用
晶体多晶型：当一种分子能够以一种以上的结晶状态存在时，就发生了多晶型。 许多晶体材料在特定的热力学条件下，可以形成不同的多晶型，使其晶格能最小化。虽然化学性质保持不变，但不同多晶型之间的物理性质（溶解度、溶解性、成核和生长动力学、生物利用度、形态和分离特性）会有所不同。 拉曼光谱是记录形态差异以及在优化结晶过程的同时测量形态的理想工具。
聚合：拉曼光谱往往能提供来自分子主干，尤其是双碳键和三碳键的更强信号（比红外信号更强）。 因此，拉曼光谱可以成为识别聚合物和监测聚合反应的更好选择。挤压化学、聚合过程中的微观结构分析和聚乙烯密度（LDPE/HDPE）计算只是拉曼光谱的几个实际应用。
化学合成：原位拉曼光谱是一种监测化学合成关键反应变量的有用技术，而红外光谱仪对这些反应变量可能不那么敏感（如硅酮、硫醇、二硫化物等）。关键反应变量，如起始点、终点、动力学、瞬态中间体和机理信息，都是需要了解和充分表征的重要方面，以确保工艺开发方法的安全性和稳健性。
红外光谱仪与拉曼光谱
拉曼光谱是一种散射形式的分子光谱仪，经常与红外光谱仪相比较，因为两者都能从分子的振动跃迁中提供有关分子结构和性质的信息。与拉曼光谱相比，红外光谱仪是一种吸收技术，当入射光的频率等于分子特定振动模式的振动频率时，光子就会被吸收（而不是散射）。相对于分子的偶极矩而言，这是一个单光子事件。
红外光谱和拉曼光谱中的这些特定分子跃迁在绘制成光谱图时，可为所研究的化合物提供独特的图案或指纹。由于分子的对称性，在拉曼光谱中可以看到的振动，在红外光谱中可能看不到（或很难看到），反之亦然。基于这些技术所获得的相似但独特的分子信息，拉曼和红外被认为是互补的技术。
拉曼散射光谱仪
拉曼光谱检测散射
在现代拉曼光谱仪中，激光是引起拉曼散射的激发源，它有几个基本部分。光纤电缆用于发送和接收来自样品的激光能量。雷利散射和反斯托克斯散射通过凹口或边缘滤波器去除，然后将仍有斯托克斯散射的光发送到色散元件，通常是全息光栅。然后由 CCD 检测器捕捉光线，生成拉曼光谱。由于拉曼散射会产生微弱的信号，因此在拉曼光谱仪中使用高质量、光学匹配良好的元件至关重要。
拉曼光谱的成功源于以下几点：
- 使用非常紧凑和稳定的二极管激光器进行激发
- 微型化、低杂散光光谱仪
- 设计和制造高效、精确的光学滤光片，以选择和隔离拉曼散射与激光波长（瑞利散射）的关系
- 用于探测和处理微弱拉曼散射信号的高性能 CCD 阵列
这些特点促成了拉曼分析仪器在分析和工艺开发实验室中被广泛接受。拉曼光谱仪可与实验室自动化反应器相结合，为结晶和多晶型研究提供独特的自动化工作站，节省宝贵的时间和资源。系统之间的数据共享可获得重要事件（如加样、热变化、多晶型转变开始、转变结束等）的全面概览和报告，所有这些都可在一次实验中完成。