
【化】 Raman spectra; Raman spectrum
拉曼光譜(Raman Spectroscopy)是一種基于拉曼散射效應的分子振動光譜分析技術,由印度物理學家C.V. Raman于1928年發現。其核心原理是單色光與物質相互作用時發生非彈性散射,産生頻率偏移的散射光,這種頻移(斯托克斯線或反斯托克斯線)與分子振動能級直接相關,可提供化學鍵對稱性、官能團類型及晶體結構等關鍵信息。
在技術實現層面,拉曼光譜儀通常包含三個核心組件:激光源(如532nm或785nm半導體激光器)、分光系統(采用光栅或幹涉儀)和檢測器(CCD或InGaAs陣列)。相較于紅外光譜,該技術具備水分子幹擾小、無需樣品預處理的優勢,特别適用于含水生物樣本和非極性共價鍵分析。
現代應用已覆蓋多個領域:在材料科學中用于石墨烯層數判定和納米材料表征(美國材料試驗協會ASTM E2529-06标準);生物醫學領域應用于腫瘤組織原位診斷(《自然》子刊報道的表面增強拉曼技術靈敏度可達單分子級别);刑偵檢測中實現毒品結晶形态的非破壞性鑒别。劍橋大學卡文迪許實驗室2023年研究顯示,空間偏移拉曼光譜技術已實現5μm深度的皮下組織檢測。
權威參考文獻:
拉曼光譜是一種基于光散射效應的分子振動光譜分析技術,其核心原理是光子與分子發生非彈性散射時的能量交換。以下是綜合多個權威來源的詳細解釋:
散射類型
斯托克斯線與反斯托克斯線
經典理論
入射光誘導分子極化,産生振動偶極矩變化,導緻散射光頻率偏移。拉曼位移$Delta
u =
u_v$與入射光頻率無關,僅反映分子振動/轉動特性。
量子理論
光子與分子碰撞時發生能量交換,對應公式:
$$
Delta E = h
u_v = frac{hc}{lambda}
$$
其中$Delta E$為分子能級差,$lambda$為拉曼位移對應的波長。
大拉曼位移
涉及振動-轉動能級躍遷,位移量$Delta
u$與振動頻率相關,通常為$10 sim 10 , text{cm}^{-1}$。
小拉曼位移
僅涉及轉動能級躍遷,位移量$Delta
u = 4B$($B$為轉動常數),通常小于$100 , text{cm}^{-1}$。
核心優勢
典型應用
特性 | 拉曼光譜 | 紅外光譜 |
---|---|---|
選擇法則 | 極化率變化(對稱振動) | 偶極矩變化(非對稱振動) |
信號強度 | 弱(需激光增強) | 強 |
水幹擾 | 小(適合含水樣品) | 大 |
空間分辨率 | 高(可達微米級) | 較低 |
(對比來源:)
典型拉曼光譜儀包括激光光源、樣品室、濾光系統(抑制瑞利散射)、光譜儀和探測器。現代儀器多采用共聚焦設計以提高空間分辨率。
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