[科普中国]-激光拉曼光谱仪

激光拉曼光谱仪是一个集合了激光光谱学、精密机械和微电子系统的综合测量体系。其最终结果是获得散射介质在一定方向上具有一定偏振态的散射光强随频率分布的谱图。1

激光拉曼光谱仪分析是一种非破坏性的微区分析手段，液体、粉末及各种固体样品均不需特殊处理即可用于拉曼光谱的测定。拉曼光谱可以单独，或与其他技术（如X衍射谱、红外吸收光谱、中子散射等）结合起来应用，方便地确定离子、分子种类和物质结构。其应用主要是对各种固态、液态、气态物质的分子组成、结构及相对含量等进行分析，实现对物质的鉴别与定性。2

原理激光拉曼光谱法是以拉曼散射为理论基础的一种光谱分析方法。

**拉曼散射：**当激发光的光子与作为散射中心的分子相互作用时，大部分光子只是发生改变方向的散射，而光的频率并没有改变，大约有占总散射光的10-10-10-6的散射，不仅改变了传播方向，也改变了频率。这种频率变化了的散射就称为拉曼散射。

对于拉曼散射来说，分子由基态E0被激发至振动激发态E1，光子失去的能量与分子得到的能量相等为△E，反映了指定能级的变化。因此，与之相对应的光子频率也是具有特征性的，根据光子频率变化就可以判断出分子中所含有的化学键或基团。

这就是拉曼光谱可以作为分子结构的分析工具的理论基础。3

主要部件激光拉曼光谱仪的主要部件有：激光光源、样品池、单色器、光电检测器、记录仪和计算机。

**激光光源：**多用连续式气体激发器，有主要波长为632.8nm的He-Ne激光器和主要波长为514.5nm和488.0nm的Ar离子激光器。

**样品池：**常用微量毛细管以及常量的液体池、气体池和压片样品架等。

**单色器：**激光拉曼光谱仪的心脏，可以最大限度地降低杂散光且色散性能好。常用光栅分光，并采用双单色器以增强效果。

**检测系统：**对于可见光谱区的拉曼散射光，可用光电倍增管作为检测器。以光子计数器进行检测，它的测量范围可达几个数量级。4

技术设计要求（1）体积小、重量轻、能耗低；

（2）坚固、抗震，能耐温度和压力的骤然变化；

（3）在恶劣环境（大温度，低真空，高辐射）下正常工作；

（4）低噪音、高输出、矿物鉴定灵敏；

（5）完善的波数校正标准。5

主要应用：激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用、在高聚物上的应用、在生物方面上的应用、在表面和薄膜方面的应用。3

在有机化学上的应用拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是确定化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依据。

在高聚物上的应用拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体（单体异构、位置异构、几何异构和空间立现异构等）的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。电活性聚合物如聚毗咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具，在高聚物的工业生产方面，如对受挤压线性聚乙烯的形态、高强度纤维中紧束分子的观测，以及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究中都采用了拉曼光谱。

在生物方面上的应用拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。拉曼光谱在蛋白质二级结构的研究、DNA和致癌物分子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、动脉硬化操作中的钙化沉积和红细胞膜的等研究中的应用均有文献报道。利用FT-Raman消除生物大分子荧光干扰等，有许多成功的示例。

在表面和薄膜方面的应用拉曼光谱已成CVD（化学气相沉积法）制备薄膜的检测和鉴定手段。另外，LB膜的拉曼光谱研究、二氧化硅薄膜氮化的拉曼光谱研究都已见报道。

尽管拉曼散射很弱，拉曼光谱通常不够灵敏，但利用工振或表面增强拉曼技术就可以大大加强拉曼光谱的灵敏度。表面增强拉曼光谱学（SERS）已成为拉曼光谱研究中活跃的一个领域。

主要优势（1）对样品无接触、无损伤，样品不需要制备；

（2）快速分析鉴别各种材料的特性与结构；

（3）能适合黑水和含水样品，可在高、低温及高压条件下准确测量。6

本词条内容贡献者为:

李廉 - 副教授 - 中国矿业大学