简介
拉曼光谱是是基于光和材料内化学键的相互作用而产生的，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。
拉曼是一种光散射技术。激光光源的高强度入射光被分子散射时，大多数散射光与入射激光具有相同的波长（颜色），不能提供有用的信息，这种散射称为瑞利散射。然而，还有极小一部分（大约1/109）散射光的波长（颜色）与入射光不同，其波长的改变由测试样品（所谓散射物质）的化学结构所决定，这部分散射光称为拉曼散射。
拉曼散射光对称地分布在瑞利散射光的两侧，但其强度比瑞利散射光弱得多，通常只为瑞利光强度的10-6~10-9。
含义
光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。
原理
拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级（点阵振动能级）与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了拉曼效应。
设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。n
附加频率值与振动能级有关的称作大拉曼位移，与同一振动能级内的转动能级有关的称作小拉曼位移：
大拉曼位移：（为振动能级带频率）。
小拉曼位移：（其中B为转动常数）。
简单推导小拉曼位移：利用转动常数。
谱线特征
拉曼散射光谱具有以下明显的特征：
（1）拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关。
（2）在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。
（3）一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。
光谱实验分析
通过结构分析解释光谱：
分子为四面体结构，一个碳原子在中心，四个氯原子在四面体的四个顶点。当四面体绕其自身的一轴旋转一定角度，或记性反演(r-r)、或旋转加反演之后，分子的几何构形不变的操作称为对称操作，其旋转轴成为对称轴。CCI4有13个对称轴，有案可查4个对称操作。我们知道，N个原子构成的分子有碍（3N-6）个内部振动自由度。因此分子可以有9个(3×5-6)自由度，或称为9个独立的简正振动。根据分子的对称性，这9种简正振动可归纳成下列四类：
第一类，只有一种振动方式，4个氯原子沿与C原子的联线方向作伸缩振动，记作，表示非简并振动。
第二类，有两种振动方式，相邻两对CI原子在与C原子联线方向上，或在该联线垂直方向上同时作反向运动，记作，表示二重简并振动。
第三类，有三种振动方式，4个CI与C原子作反向运动，记作，表示三重简并振动。
第四类，有三种振动方式，相邻的一对CI原子作伸张运动，另一对作压缩运动，记作，表示另一种三重简并振动。
应用
分析物质性质
通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况，从而可以鉴别物质，分析物质的性质。
天然鸡血石和仿造鸡血石的拉曼光谱有本质的区别：前者主要是地开石和辰砂的拉曼光谱，后者主要是有机物的拉曼光谱，利用拉曼光谱可以区别二者。图中a是地（黑色），b是血（红色）。
天然鸡血石“地”的主要成分为地开石，天然鸡血石样品“血”既有辰砂又有地开石，实际上是辰砂与地开石的集合体。仿造鸡血石“地”的主要成分是聚苯乙烯-丙烯腈，“血”与一种名为PermanentBordo的红色有机染料的拉曼光谱基本吻合。
鉴别毒品
常见毒品均有相当丰富的拉曼特征位移峰，且每个峰的信噪比较高，表明用拉曼光谱法对毒品进行成分分析方法可行，得到的谱图质量较高。由于激光拉曼光谱具有微区分析功能，即使毒品和其它白色粉末状物质混和在一起，也可以通过显微分析技术对其进行识别，得到毒品和其它白色粉末分别的拉曼光谱图。
利用拉满光谱可以监测物质的制备：担载型硫化钼、硫化钨催化剂是由相应的担载型金属氧化物在H2和H2S气氛下程序升温制得的，在工业上主要用作加氢精制催化剂。在这样的工业条件下，二维表面金属氧化物转变为二维或三维金属硫化物。与负载金属氧化物相比，负载金属硫化物的拉曼光谱研究相对较少，这是由于黑色的硫化物相对可见光的吸收较强，导致信号较弱。然而拉曼光谱能较易检测到小的金属硫化物微晶。
在380和450cm-1处出现两个归属为晶相和的谱峰，而担载型晶相硫化钼的谱峰比晶相硫化钼的谱峰宽得多。钴助剂的加入导致硫化钼的谱峰发生位移，强度减弱，这是由于相以及黑色的相的形成造成的。
监测水果残留农药
在处理好的水果表面撕取一小片果皮，在水果表面分别滴上一滴不同的农药，农药就会浸润到果皮上。用吸水纸擦拭果皮上的农药液体，然后把残留有农药的果皮压入铝片的小槽中，保证使残留农药的果皮表面呈现在铝片小槽的外面，然后把压出来的汁液用吸水纸擦拭干净。光谱如下：
不同种类的水果表面滴加植保博士后得到的拉曼谱。很明显，除了水果原本的拉曼峰外，植保博士的特征峰为993cm-1、1348cm-1、1591cm-1都出现了由于实验中模拟农药喷洒的方式比实际喷洒时的农药量少得多，尽管如此，农药的残留仍然清晰地显示出来，这表明这一方法是灵敏而适用的。定量地分析农药残留可以从农药特征谱线和水果特征谱线的相对强度比获得。
拉曼光谱仪
拉曼光谱仪一般由以下五个部分构成
光源
它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光。目前拉曼光谱实验的光源己全部用激光器代替历史上使用的汞灯。对常规的拉曼光谱实验，常见的气体激光器基本上可以满足实验的需要。在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定。
外光路
外光路部分包括聚光、集光、样品架、滤光和偏振等部件。
（1）聚光：用一块或二块焦距合适的会聚透镜，使样品处于会聚激光束的腰部，以提高样品光的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功率比不用透镜会聚前增强105倍。
（2）集光：常用透镜组或反射凹面镜作散射光的收集镜。通常是由相对孔径数值在1左右的透镜组成。为了更多地收集散射光，对某些实验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加反射镜。
（3）样品架：样品架的设计要保证使照明最有效和杂散光最少，尤其要避免入射激光进入光谱仪的入射狭缝。为此，对于透明样品，最佳的样品布置方案是使样品被照明部分呈光谱仪入射狭缝形状的长圆柱体，并使收集光方向垂直于入射光的传播方向。
（4）滤光：安置滤光部件的主要目的是为了抑制杂散光以提高拉曼散射的信噪比。在样品前面，典型的滤光部件是前置单色器或干涉滤光片，它们可以滤去光源中非激光频率的大部分光能。小孔光栏对滤去激光器产生的等离子线有很好的作用。在样品后面，用合适的干涉滤光片或吸收盒可以滤去不需要的瑞利线的一大部分能量，提高拉曼散射的相对强度。
（5）偏振：做偏振谱测量时，必须在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋转器可以改变入射光的偏振方向；在光谱仪入射狭缝前加入检偏器，可以改变进入光谱仪的散射光的偏振；在检偏器后设置偏振扰乱器，可以消除光谱仪的退偏干扰。
色散系统
色散系统使拉曼散射光按波长在空间分开，通常使用单色仪。由于拉曼散射强度很弱，因而要求拉曼光谱仪有很好的杂散光水平。各种光学部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是仪器杂散光的主要来源。当仪器的杂散光本领小于10-4时，只能作气体、透明液体和透明晶体的拉曼光谱。
接收系统
拉曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。光电倍增管接收就是单通道接收。
信息处理与显示
为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处理方法是直流放大、选频和光子计数，然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。
优势与不足
拉曼光谱的优势
（1）由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。
（2）拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器。
（3）拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。
（4）因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。
（5）共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。
拉曼光谱用于分析的不足
（1）拉曼散射面积。
（2）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。
（3）荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰。
（4）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。
（5）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。
相关技术
拉曼扫描电子显微镜（RISE）成像
随着各类研究的深入，科研人员对表征技术的要求也越来越多样化，不同的表征技术相互结合相互补充，做到1+1＞2的现象也越来越多。有的仪器公司已经将拉曼成像和扫描电子显微镜结合，推出了拉曼扫描电子显微镜。这是一种无标记的非破坏性技术，可以用于识别样品的分子组成并成像。SEM使样品的表面结构可视化，其相关的能量色散X射线光谱学能识别元素成分，但难以表征物质的化学结构，而拉曼可以对分子结构进行分析，将两种技术集成到一起能够大大加快实验进程。拉曼扫描电子显微镜是将拉曼显微镜所需的物镜和样品台放置在SEM的真空室内，用极其精确的扫描软件驱动机制在拉曼和SEM测量位置之间转移样品。可用于纳米技术，生命科学，地球科学，制药和材料研究等领域。
对比红外光谱
拉曼光谱与红外光谱都能获得关于分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况，从而可以用来鉴定分子中存在的官能团，但两者产生的原理和机制都不同，在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱相互补充，一些在红外光谱无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。n红外光谱侧重于检测基团，适用于极性键，多用于测有机物，拉曼光谱检测分子骨架，适用于非极性键，有机无机均可测试。
