簡介
拉曼光譜是是基于光和材料内化學鍵的相互作用而産生的，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。
拉曼是一種光散射技術。激光光源的高強度入射光被分子散射時，大多數散射光與入射激光具有相同的波長（顔色），不能提供有用的信息，這種散射稱為瑞利散射。然而，還有極小一部分（大約1/109）散射光的波長（顔色）與入射光不同，其波長的改變由測試樣品（所謂散射物質）的化學結構所決定，這部分散射光稱為拉曼散射。
拉曼散射光對稱地分布在瑞利散射光的兩側，但其強度比瑞利散射光弱得多，通常隻為瑞利光強度的10-6~10-9。
含義
光照射到物質上發生彈性散射和非彈性散射，彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分，非彈性散射的散射光有比激發光波長長的和短的成分，統稱為拉曼效應。
原理
拉曼效應起源于分子振動(和點陣振動)與轉動，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能級（點陣振動能級）與轉動能級結構的知識。用虛的上能級概念可以說明了拉曼效應。
設散射物分子原來處于基電子态，振動能級如圖所示。當受到入射光照射時，激發光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛态（Virtual state），虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發光，即為散射光。設仍回到初始的電子态，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，後者稱為拉曼線。在拉曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。n
附加頻率值與振動能級有關的稱作大拉曼位移，與同一振動能級内的轉動能級有關的稱作小拉曼位移：
大拉曼位移：（為振動能級帶頻率）。
小拉曼位移：（其中B為轉動常數）。
簡單推導小拉曼位移：利用轉動常數。
譜線特征
拉曼散射光譜具有以下明顯的特征：
（1）拉曼散射譜線的波數雖然随入射光的波數而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關，隻和樣品的振動轉動能級有關。
（2）在以波數為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側，這是由于在上述兩種情況下分别相應于得到或失去了一個振動量子的能量。
（3）一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基态上的粒子數遠大于處于振動激發态上的粒子數。
光譜實驗分析
通過結構分析解釋光譜：
分子為四面體結構，一個碳原子在中心，四個氯原子在四面體的四個頂點。當四面體繞其自身的一軸旋轉一定角度，或記性反演(r-r)、或旋轉加反演之後，分子的幾何構形不變的操作稱為對稱操作，其旋轉軸成為對稱軸。CCI4有13個對稱軸，有案可查4個對稱操作。我們知道，N個原子構成的分子有礙（3N-6）個内部振動自由度。因此分子可以有9個(3×5-6)自由度，或稱為9個獨立的簡正振動。根據分子的對稱性，這9種簡正振動可歸納成下列四類：
第一類，隻有一種振動方式，4個氯原子沿與C原子的聯線方向作伸縮振動，記作，表示非簡并振動。
第二類，有兩種振動方式，相鄰兩對CI原子在與C原子聯線方向上，或在該聯線垂直方向上同時作反向運動，記作，表示二重簡并振動。
第三類，有三種振動方式，4個CI與C原子作反向運動，記作，表示三重簡并振動。
第四類，有三種振動方式，相鄰的一對CI原子作伸張運動，另一對作壓縮運動，記作，表示另一種三重簡并振動。
應用
分析物質性質
通過對拉曼光譜的分析可以知道物質的振動轉動能級情況，從而可以鑒别物質，分析物質的性質。
天然雞血石和仿造雞血石的拉曼光譜有本質的區别：前者主要是地開石和辰砂的拉曼光譜，後者主要是有機物的拉曼光譜，利用拉曼光譜可以區别二者。圖中a是地（黑色），b是血（紅色）。
天然雞血石“地”的主要成分為地開石，天然雞血石樣品“血”既有辰砂又有地開石，實際上是辰砂與地開石的集合體。仿造雞血石“地”的主要成分是聚苯乙烯-丙烯腈，“血”與一種名為PermanentBordo的紅色有機染料的拉曼光譜基本吻合。
鑒别毒品
常見毒品均有相當豐富的拉曼特征位移峰，且每個峰的信噪比較高，表明用拉曼光譜法對毒品進行成分分析方法可行，得到的譜圖質量較高。由于激光拉曼光譜具有微區分析功能，即使毒品和其它白色粉末狀物質混和在一起，也可以通過顯微分析技術對其進行識别，得到毒品和其它白色粉末分别的拉曼光譜圖。
利用拉滿光譜可以監測物質的制備：擔載型硫化钼、硫化鎢催化劑是由相應的擔載型金屬氧化物在H2和H2S氣氛下程序升溫制得的，在工業上主要用作加氫精制催化劑。在這樣的工業條件下，二維表面金屬氧化物轉變為二維或三維金屬硫化物。與負載金屬氧化物相比，負載金屬硫化物的拉曼光譜研究相對較少，這是由于黑色的硫化物相對可見光的吸收較強，導緻信号較弱。然而拉曼光譜能較易檢測到小的金屬硫化物微晶。
在380和450cm-1處出現兩個歸屬為晶相和的譜峰，而擔載型晶相硫化钼的譜峰比晶相硫化钼的譜峰寬得多。钴助劑的加入導緻硫化钼的譜峰發生位移，強度減弱，這是由于相以及黑色的相的形成造成的。
監測水果殘留農藥
在處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農藥，農藥就會浸潤到果皮上。用吸水紙擦拭果皮上的農藥液體，然後把殘留有農藥的果皮壓入鋁片的小槽中，保證使殘留農藥的果皮表面呈現在鋁片小槽的外面，然後把壓出來的汁液用吸水紙擦拭幹淨。光譜如下：
不同種類的水果表面滴加植保博士後得到的拉曼譜。很明顯，除了水果原本的拉曼峰外，植保博士的特征峰為993cm-1、1348cm-1、1591cm-1都出現了由于實驗中模拟農藥噴灑的方式比實際噴灑時的農藥量少得多，盡管如此，農藥的殘留仍然清晰地顯示出來，這表明這一方法是靈敏而适用的。定量地分析農藥殘留可以從農藥特征譜線和水果特征譜線的相對強度比獲得。
拉曼光譜儀
拉曼光譜儀一般由以下五個部分構成
光源
它的功能是提供單色性好、功率大并且最好能多波長工作的入射光。目前拉曼光譜實驗的光源己全部用激光器代替曆史上使用的汞燈。對常規的拉曼光譜實驗，常見的氣體激光器基本上可以滿足實驗的需要。在某些拉曼光譜實驗中要求入射光的強度穩定，這就要求激光器的輸出功率穩定。
外光路
外光路部分包括聚光、集光、樣品架、濾光和偏振等部件。
（1）聚光：用一塊或二塊焦距合适的會聚透鏡，使樣品處于會聚激光束的腰部，以提高樣品光的輻照功率，可使樣品在單位面積上輻照功率比不用透鏡會聚前增強105倍。
（2）集光：常用透鏡組或反射凹面鏡作散射光的收集鏡。通常是由相對孔徑數值在1左右的透鏡組成。為了更多地收集散射光，對某些實驗樣品可在集光鏡對面和照明光傳播方向上加反射鏡。
（3）樣品架：樣品架的設計要保證使照明最有效和雜散光最少，尤其要避免入射激光進入光譜儀的入射狹縫。為此，對于透明樣品，最佳的樣品布置方案是使樣品被照明部分呈光譜儀入射狹縫形狀的長圓柱體，并使收集光方向垂直于入射光的傳播方向。
（4）濾光：安置濾光部件的主要目的是為了抑制雜散光以提高拉曼散射的信噪比。在樣品前面，典型的濾光部件是前置單色器或幹涉濾光片，它們可以濾去光源中非激光頻率的大部分光能。小孔光欄對濾去激光器産生的等離子線有很好的作用。在樣品後面，用合适的幹涉濾光片或吸收盒可以濾去不需要的瑞利線的一大部分能量，提高拉曼散射的相對強度。
（5）偏振：做偏振譜測量時，必須在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋轉器可以改變入射光的偏振方向；在光譜儀入射狹縫前加入檢偏器，可以改變進入光譜儀的散射光的偏振；在檢偏器後設置偏振擾亂器，可以消除光譜儀的退偏幹擾。
色散系統
色散系統使拉曼散射光按波長在空間分開，通常使用單色儀。由于拉曼散射強度很弱，因而要求拉曼光譜儀有很好的雜散光水平。各種光學部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是儀器雜散光的主要來源。當儀器的雜散光本領小于10-4時，隻能作氣體、透明液體和透明晶體的拉曼光譜。
接收系統
拉曼散射信号的接收類型分單通道和多通道接收兩種。光電倍增管接收就是單通道接收。
信息處理與顯示
為了提取拉曼散射信息，常用的電子學處理方法是直流放大、選頻和光子計數，然後用記錄儀或計算機接口軟件畫出圖譜。
優勢與不足
拉曼光譜的優勢
（1）由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。
（2）拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數的區間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區間則必須改變光栅、光束分離器、濾波器和檢測器。
（3）拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更适合定量研究、數據庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區間的強度可以和功能集團的數量相關。
（4）因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常隻有0.2-2毫米，常規拉曼光譜隻需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規紅外光譜一個很大的優勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可将激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。
（5）共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發色基團的振動，這些發色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。
拉曼光譜用于分析的不足
（1）拉曼散射面積。
（2）不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統參數等因素的影響。
（3）熒光現象對傅立葉變換拉曼光譜分析的幹擾。
（4）在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現曲線的非線性的問題。
（5）任何一物質的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結果産生一定的影響。
相關技術
拉曼掃描電子顯微鏡（RISE）成像
随着各類研究的深入，科研人員對表征技術的要求也越來越多樣化，不同的表征技術相互結合相互補充，做到1+1＞2的現象也越來越多。有的儀器公司已經将拉曼成像和掃描電子顯微鏡結合，推出了拉曼掃描電子顯微鏡。這是一種無标記的非破壞性技術，可以用于識别樣品的分子組成并成像。SEM使樣品的表面結構可視化，其相關的能量色散X射線光譜學能識别元素成分，但難以表征物質的化學結構，而拉曼可以對分子結構進行分析，将兩種技術集成到一起能夠大大加快實驗進程。拉曼掃描電子顯微鏡是将拉曼顯微鏡所需的物鏡和樣品台放置在SEM的真空室内，用極其精确的掃描軟件驅動機制在拉曼和SEM測量位置之間轉移樣品。可用于納米技術，生命科學，地球科學，制藥和材料研究等領域。
對比紅外光譜
拉曼光譜與紅外光譜都能獲得關于分子内部各種簡正振動頻率及有關振動能級的情況，從而可以用來鑒定分子中存在的官能團，但兩者産生的原理和機制都不同，在分子結構分析中，拉曼光譜與紅外光譜相互補充，一些在紅外光譜無法檢測的信息在拉曼光譜能很好地表現出來。n紅外光譜側重于檢測基團，适用于極性鍵，多用于測有機物，拉曼光譜檢測分子骨架，适用于非極性鍵，有機無機均可測試。
