拉曼光譜儀的工作原理

當(dāng)一束頻率為v0的單色光照射到樣品上后，分子可以使入射光發(fā)生散射。大部分光只是改變光的傳播方向，從而發(fā)生散射，而穿過分子的透射光的頻率，仍與入射光的頻率相同，這時，稱這種散射稱為瑞利散射；還有一種散射光，它約占總散射光強(qiáng)度的 10^-6～10^-10，該散射光不僅傳播方向發(fā)生了改變，而且該散射光的頻率也發(fā)生了改變，從而不同于激發(fā)光（入射光）的頻率，因此稱該散射光為拉曼散射。在拉曼散射中，散射光頻率相對入射光頻率減少的，稱之為斯托克斯散射，因此相反的情況，頻率增加的散射，稱為反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射強(qiáng)得多，拉曼光譜儀通常大多測定的是斯托克斯散射，也統(tǒng)稱為拉曼散射。散射光與入射光之間的頻率差v稱為拉曼位移，拉曼位移與入射光頻率無關(guān)，它只與散射分子本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。拉曼散射是由于分子極化率的改變而產(chǎn)生的（電子云發(fā)生變化）。拉曼位移取決于分子振動能級的變化，不同化學(xué)鍵或基團(tuán)有特征的分子振動，ΔE反映了特定能級的變化，因此與之對應(yīng)的拉曼位移也是特征的。這是拉曼光譜可以作為分子結(jié)構(gòu)定性分析的依據(jù)。

先了解一下激光拉曼光譜

拉曼光譜法是研究化合物分子受光照射后所產(chǎn)生的散射，散射光與入射光能級差和化合物振動頻率、轉(zhuǎn)動頻率的關(guān)系的分析方法。

與紅外光譜類似，拉曼光譜是一種振動光譜技術(shù)。所不同的是，前者與分子振動時偶極矩變化相關(guān)，而拉曼效應(yīng)則是分子極化率改變的結(jié)果，被測量的是非彈性的散射輻。

一定波長的電磁波作用于被研究物質(zhì)的分子，引起分子相應(yīng)能級的躍遷，產(chǎn)生分子吸收光譜。引起分子電子能級躍遷的光譜稱電子吸收光譜，其波長位于紫外～可見光區(qū)，故稱紫外－可見光譜。

電子能級躍遷的同時伴有振動能級和轉(zhuǎn)動能級的躍遷。引起分子振動能級躍遷的光譜稱振動光譜，振動能級躍遷的同時伴有轉(zhuǎn)動能級的躍遷。拉曼散射光譜是分子的振動－轉(zhuǎn)動光譜。用遠(yuǎn)紅外光波照射分子時，只會引起分子中轉(zhuǎn)動能級的躍遷，得到純轉(zhuǎn)動光譜。

拉曼光譜的優(yōu)點在于它的快速，準(zhǔn)確，測量時通常不破壞樣品（固體，半固體，液體或氣體），樣品制備簡單甚至不需樣品制備。譜帶信號通常處在可見或近紅外光范圍，可以有效地和光纖聯(lián)用。

這也意味著譜帶信號可以從包封在任何對激光透明的介質(zhì)，如玻璃，塑料內(nèi)，或?qū)悠啡苡谒蝎@得。現(xiàn)代拉曼光譜儀使用簡單，分析速度快（幾秒到幾分鐘），性能很可靠。因此，拉曼光譜與其他分析技術(shù)聯(lián)用比其他光譜聯(lián)用技術(shù)從某種意義上說更加簡便（可以使用單變量和多變量方法以及校準(zhǔn)。

為什么我得到的光譜中總是有隨機(jī)的、尖銳的譜線？

這些譜線一般被認(rèn)為是宇宙射線。宇宙中的高能粒子輻照在CCD探測器上會導(dǎo)致電子的產(chǎn)生進(jìn)而被相機(jī)解釋為光的信號。宇宙射線在時間和產(chǎn)生的光譜位移上完全是隨機(jī)的，它們有很大的強(qiáng)度、類似發(fā)射譜線、半高寬較小(<1.5m-1)。為確認(rèn)宇宙射線的存在，你可馬上重新掃描光譜會發(fā)現(xiàn)峰的消失。如果譜線依然存在，則很有可能是室內(nèi)光線的干擾，可參見Q3問題的解答。

宇宙射線隨著掃描曝光時間的增加出現(xiàn)的概率會增加，因此當(dāng)你長時間掃描一個光譜時，必須避免宇宙射線在光譜中的出現(xiàn)，這可以通過軟件中宇宙射線去除能完成。這是一些軟件中包含的實驗設(shè)置功能，當(dāng)使用時，將在同一樣品位置掃描三次（相當(dāng)于積分三次），軟件將比較這三次掃描獲得的光譜并去除沒有在所有光譜中出現(xiàn)的尖銳峰。

為什么測試時一些光譜給出十分強(qiáng)的背景信號，而這些信號湮蓋了拉曼信號？

一些發(fā)熒光或磷光的樣品在測量時會給出非常高的背景光譜。令人遺憾的是這些是樣品材料的本征性質(zhì)，是激光輻照下無法避免的結(jié)果，而且通常情況下熒光比拉曼信號更強(qiáng)。盡管這樣，我們?nèi)钥刹扇∫恍┐胧p少或減輕熒光副作用。

猝滅：一些樣品可采用測試前將激光輻照在表面一段時間對熒光進(jìn)行猝滅以減小熒光光譜的背景增強(qiáng)拉曼信號。猝滅的時間根據(jù)樣品不同可從幾分鐘到幾小時。值得注意的是：猝滅效應(yīng)是呈指數(shù)衰減的，一開始就可觀察到。

共焦模式：采用共焦模式測量強(qiáng)光下輻照的小體積樣品時熒光將會大大降低。該法也同樣適合有熒光襯底的樣品，例如被熒光物質(zhì)基體包裹的樣品。

改變激發(fā)激光的波長：有時改變波長是僅有可行的避免熒光干擾的方法。

如果拉曼實驗室里有太多的室內(nèi)光源比如熒光、白熾燈或日光燈等，這會在測試光譜上出現(xiàn)不必要的背景信號。因此在測試的時候應(yīng)將室內(nèi)光關(guān)閉或降到很小或用遮光罩將樣品臺罩住以避免外界的雜散光進(jìn)入光譜儀。