激光拉曼光谱的原理

光与物质相互作用的散射分为弹性散射和非弹性散射两类。拉曼散射就是一种反映分子转动、振动的非弹性散射现象。

以下就简单介绍一下拉曼散射效应的独特优势:

1. 每种分子都有自身特征拉曼光谱。2.拉曼光谱频率位移不受单色光源频率影响。3.拉曼光谱检测可不破坏待测样品。4.水对拉曼光谱干扰小，因此拉曼光谱可方便检测水溶液中待测物。

那激光拉曼光谱的原理究竟是怎样的呢？可以从以下几个维度去分析：

一．从光的微粒性解释

当一束单色光照射到样品上，除吸收和透射外，还有少量入射光子与样品分子发生碰撞后向各个方向散射。如碰撞时只改变运动方向而不伴随能量交换，则光子频率不变，这就是瑞利散射；除此之外，还有极少数光子在碰撞时除发生改变运动方向外还与样品分子之间发生能量交换，致使光子自身能量有增减，光频率发生改变，这就是拉曼散射。

二．从光的波动性解释

当物质与单色光相互作用时，由于光子电场的作用，分子中的原子核与电子产生相对移动，从而因为分子的极化诱导出偶极μ,μ=αE,而E=E₀cos(2πv₀t),其中E是任意时刻t的电场强度，α是分子的极化率，E₀为入射光的交变电场强度，v₀为频率。分子极化率是衡量分子在电场作用下电荷分布发生改变的难易程度或诱导偶极矩的大小。如果分子的振动引起极化率的改变，那么分子便具有了拉曼活性。

三．从能级跃迁的角度解释

样品分子处于电子振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。这样，样品分子吸收光子后被激发到一种准激发态，又称为虚能态。但样品分子处在虚能态不稳定，将跃迁回到电子基态。若分子回到电子振动能级中的基态，则光子能量未发生改变，即发生瑞利散射。若分子回到电子基态中的较高振动能级，则跃迁过程中产生的光子能量将小于入射光子的能量，即散射光子频率低于入射光子频率，此时散射光谱的瑞利散射谱线较低频率一侧将会出现一条拉曼散射光谱，称为斯托克斯线(Stokes line)。与入射光子作用前的瞬间相比，如果样品分子不是处于电子能级振动的基态，而是处于电子能级基态中的某个振动能级激发态，则入射光子的作用使之跃迁到虚能态后，该分子退回到电子基态中较低振动能级，此时散射光的能量大于入射光的能量，其谱线位于瑞利谱线的高频率一侧，称为反斯托克斯线(Anti-Stokes line)。Stokes 线与反 Stokes 线位于瑞利谱线的两侧，间距相等。

随着人类科学的发展，激光拉曼光谱仪器将会发展地更加完善。从而能提供给研究人员更多地物质结构信息，推动社会科学的进步。