● 拉曼光谱原理

拉曼散射光谱是用于研究物质结构的分子光谱技术，已有将近九十年的历史。早在1923年，史梅耳（A. Smekal）便从理论上预言了入射单色光照射物质的光波频率发生改变的现象的存在。1928年，印度物理学家拉曼在研究液体苯的散射实验时，发现散射光频率改变现象，并用分子振动能级与虚能级对这种散射现象进行解释，因而称为拉曼散射。拉曼光谱是通过散射光的频移量来获得分子振动、转动情况，从而分析分子的结构、对称性、电子环境和分子结合情况，是定量和定性分析物质结构的一种强有力的分析技术。
 

图  拉曼及瑞利散射能级示意图
 

拉曼光谱是由于光学模晶格振动、电荷密度起伏、自旋密度起伏、电子跃迁以及它们的耦合等因素引起的。当以一定频率的光源激发样品时，会产生弹性和非弹性散射现象。大部分分子发生弹性碰撞，光子的频率没有改变或者说波长与能量没有任何改变，不进行能量转移；小部分分子发生非弹性碰撞，由于励磁或失活的分子振动使光子可能会失去或增加一些能量，频率发生改变。当入射光波在分子中传播扩散时，以下三种类型的现象可能发生，如图所示：

首先，当一束光线照射分子时，它可以与其进行能量交换，但分子的净能量交换 为零，所以散射光频率与入射光相同，即 ，这个过程被称为瑞利散射。

第二，入射光能够与分子进行能量交换而且净交换能量是一个分子的振动能量。如果这种相互作用使光子获得振动能量，则散射光频率与入射光相比变高，即 ，称为反-斯托克斯散射。

第三，如果光与分子相互作用使分子获得能量，而光子失去能量，则光子的频率会降低，散射光与入射光相比能量降低，即 ，这个过程被称为斯托克斯拉曼散射。

从拉曼散射形成机理可以确认，拉曼散射光能量等于入射光能量加上或减去分子振动能级的能量差，即拉曼散射光的频率取决于激发光的入射频率。

4.1.2拉曼发展历史

拉曼散射现象虽然在20世纪20年代就被理论预言并被实验证实，但是，拉曼光谱仪却是随60年代激光的问世、计算机的普遍使用，70年代引进激光探针之后才成为实用的、商业化的光谱分析仪器。从20世纪末到本世纪初，陷波滤波、探测器和微机械等技术应用在拉曼光谱领域之后，拉曼光谱仪发展成为具备高分辨率、高灵敏度、高响应速度的分子结构分析仪器。

在30年代拉曼光谱以汞弧灯作为光源，主要应用于分子结构研究。拉曼光谱由于光谱强度极其微弱，应用受到了限制。特别是40年代以后，红外光谱得到迅猛发展，拉曼光谱也因此停滞不前。

上世纪60年代，激光出现并投入生产，光电转换器件也逐渐发展壮大，拉曼光谱分析技术逐渐蓬勃发展起来。激光光源具有能量高、单色性好以及相干性好等优势，极大的保障了拉曼光谱的分辨率与实用性。与此同时，光栅光谱仪，高灵敏度光电接收系统等也相继研制成功，拉曼光谱仪也开始与计算机联机使用。

70年代中期，多谱线输出激光器和可调谐连续谱线激光器投入生产，使得拉曼探测方法的一个分支-共振拉曼技术得以实现。激光拉曼探针也在同时期诞生，主要用于样品微区分析、表面均匀性检测等。

90年代初，拉曼光谱分析技术发展日益完善。例如：光纤测量远距离样品，声光调制器(Acoustic-optic modulator，AOM)作为分光器件测量物体等。英国Reinshow公司和美国Spex公司相继推出了共焦激光拉曼光谱仪。Dilor公司结合拉曼技术推出多测点在线工业，光纤长度高达200m，从而使拉曼光谱的应用领域更加广泛。

从20世纪末到本世纪初，随着紫外与红外激光光源的工业使用，探测技术的提高、光纤耦合技术以及微机械技术的发展，拉曼光谱仪已被广泛应用在生命科学、医学、法医学、考古学、结晶学等各个领域。

4.1.3拉曼光谱分析系统

在线拉曼光谱分析系统的基本结构如图所示，主要由五个部分组成，包括激发光源、拉曼探头、光谱仪、检测器和拉曼分析软件。首先由激光器产生单色光经激光光路传输后照射于被测样品激发散射光，散射光收集光路聚焦后经收集进入分光系统-光谱仪，光谱仪内部须设置滤光片以滤除强瑞利散射，经滤波后的拉曼散射光由检测器记录，并转换为数字信号进入计算机，*终由分析软件根据所获得的光谱数据得出分析结果。在这个过程中光源、光谱仪、检测器的选择对所获得的拉曼光谱质量有着重要影响，而*终在计算机上所运行的分析模型决定了样本待测属性分析结果的正确性。下面就光源、光谱仪、检测器和光谱分析模型四个方面做一简单讨论。

激发光源：使用频率较高的激发光源时，往往会产生较强的荧光干扰背景。若使用紫外激发时，所产生的荧光与拉曼信号频段相隔较远，因此不会有荧光干扰；用近红外波长激发，荧光信号弱，因此荧光干扰也较小。能量较高的激发光源可能会导致样品受损，如紫外激发能量高，容易使样品受到损伤；而近红外激发热效应大，容易使样品受热分解。

光谱仪：拉曼光谱仪按分光的原理可分为傅立叶变换拉曼和色散型拉曼两种。傅立叶变换拉曼光谱仪中*主要的部件是双光束干涉仪，通过测量它所产生的光干涉图，再对干涉图进行傅里叶积分变换来获得拉曼光谱信号。色散型光谱仪中*重要的部件是单色仪，单色仪采用光栅结构对入射光进行色散分光。

绝大部分FT拉曼光谱仪都采用l064nm的半导体激光器作为激发光源，减少了激光诱导产生的荧光信号。同时由于原理上的优势，更易于和FT-IR红外光谱仪联用，并且具有较高的光谱分辨率和优良的波长准确度。但体积较大，测量时间长，且样本颜色较深时，会产生较大的测量噪声等缺点限制了FT拉曼的在线应用。

色散型拉曼光谱仪通常采用532nm或785mn半导体激光器作为激发光源。由于色散型拉曼采用的CCD检测器具有更低的暗噪声和更高的量子效率。因此，同FT拉曼相比，色散型拉曼具有更好的灵敏度和更低的检测下限；同时光栅色散的原理优势使得数据获取时间远远小于FT拉曼.

探测器：早期的拉曼分析系统中使用光电二极管(PD)和光电倍增管(PMT)作为检测器来记录拉曼光谱。自二十世纪80年代后期，电荷耦合元件(CCD)开始被应用于拉曼光谱系统。CCD阵列检测器结合了光电二极管和倍增的优势，同时具有光谱响应范围宽、分辨率高、功耗低和尺寸小等优点。

计算机分析系统：基于光谱数据的分析过程可概括为三个步骤，包括光谱预处理、建立回归模型、利用回归模型对待测样本进行分析。从光谱仪获得的拉曼光谱除了包含被测物的拉曼信号，还包含干扰信息，如荧光背景、检测器噪声、激光器功率波动等。通常情况下，设备的改进并不能完全消除以上干扰。因此在建立回归模型之前需要利用某种数学方法消除光谱中的各类干扰因素，突出被测物质的特征信号。建立校正模型是以训练集合中标定的样本分析值和预处理后的拉曼光谱为基础，通过某种算法构建两者之间的数学关系。*终将待测物的拉曼光谱输入给分析模型，得到分析结果。