1、激光拉曼光譜論文激光拉曼光譜技術及應用【摘要】論文主要介紹了拉曼光譜的產生原理，其中有自發拉曼反射、超拉曼反射、相干反斯托克斯拉曼反射以及受激拉曼反射的原理，從它們的研究發現，產生條件和限制因素等等方面做了簡要分析。最后講述激光拉曼光譜技術在研究領域中和實際生產生活中的應用?！娟P鍵詞】激光拉曼光譜自發反斯托克斯受激應用【正文】光譜學它是一門獨立的學科，它是通過微觀級的物質，也就是分子、原子、團族等對光的吸收與發射，研究光與物質的相互作用的一門學科。它自17世紀牛頓的色散實驗起源，發展極其緩慢。光譜學逐漸進入實質性的發展階段是1860年基爾霍夫用自己制造出的分光儀發現了銫元素和銣元素。一方面，光

2、譜學本身的原理與定律建立起來了，另一方面對近代物理學的建立與發展起了極為重要的推動作用。當激光出現時，就像是賦予了光譜學新的生命力，特別是可調諧激光器的出現和發展，是光譜學發生了革命性的變化，使它發展成為了一門新的學科，也就是激光光譜學。它既是傳統基礎學科的重要研究手段，又是許多在應用學科中不可缺少的探測與分析方法。因此，激光光譜學不僅被專業工作者所掌握，也為許許多多應用專業的科技工作者所熟悉。拉曼光譜是一種散射光譜。它是由1928年印度科學家拉曼與克里希南進行液體與蒸汽實驗時發現的一種新的光散射現象。當一束激發光的光子與作為散射中心的分子發生非彈性的相互碰撞時,大部分的光子僅僅是改變了方向,

3、發生一般的散射而且光的頻率和之前的用于激發的光源相一致,這種散射被稱作是瑞利散射。但是，也有很少量的光子很特殊，因為它們不僅改變了光的傳播方向,而且還改變了光波的頻率,這種散射就叫做拉曼散射。其散射光的強度約占總散射光強度的十的負六次方至十的負十次方數量級。其的產生原因是光子與分子之間發生了能量交換，從而改變了光子的能量。從激光器問世之后，優質的、高強度的單色光的提供就有了保障，這有力推動了拉曼散射的研究及其應用。拉曼光譜的應用范圍遍及化學、物理學、生物學和醫學等各個領域，對于純定性分析、高度定量分析和測定分子結構都有很大價值。拉曼散射最重要的用途就是用于進行物質結構的研究，它已經成為了物質結

4、構研究的強大工具。拉曼光散射是光與物質的相互作用的一種特殊形式，利用經典理論方法也能直觀、定性地說明其中的一些重要現象。經典方法通過將介質極化看成為電磁場的激發源，即原子與分子在經典場的作用下產生誘導偶極矩而導致極化，而極化的原子與分子發射散射光這一理論，再根據分子偶極矩矢量的公式進行推導出拉曼活性項表達式，通過它可以看出入射光在介質中的誘導偶極矩，受到分子的振動調制，誘導偶極矩與分子的極化率成正比。并且它既與入射光有關，又與極化率的振蕩部分成比例。在入射光作用下，發出的相應的和頻或差頻輻射，就是拉曼散射光，其相應的振動模被稱為拉曼活性模。我們通常將頻率降低的差頻光散射稱為斯托克斯散射，而將頻

5、率升高的和頻光散射稱為反斯托克斯散射。為了與非線性受激拉曼散射區別，又將這種散射稱之為正常拉曼散射。又由于散射光無相干性，具有自發發射性質，因此也稱它為自發拉曼散射。斯托克斯散射與反斯托克斯散射帶分布在入射光光子能量，即瑞利光位置的兩側。由此可見，拉曼光譜的測量是以高頻光波去研究分子的紅外運動。經典方法能正確地告訴我們拉曼散射光會在哪些頻率上出現。但是，在經典方法中的斯托克斯線與反斯托克斯散射線在強度上沒有差別。這與事實是不相符的。因為從實驗中我們發現，拉曼散射的斯托克斯散射線的強度與反斯托克斯散射線的強度明顯不相等，斯托克斯散射線的強度明顯要強于反斯托克斯散射線的強度。這是經典方法無法解釋的

6、問題。因此，我們必須才用量子理論來進一步解釋這一問題。在量子理論中，分子的振動是量子化的。拉曼散射過程可以看成入射光子在介質中產生或湮滅聲子，即分子的振動量子。斯托克斯散射是將入射光子損失的能量交給了分子，即光子在系統中產生了聲子。產生聲子與原有聲子無關，所以斯托克斯散射的幾率是與溫度無關的。反斯托克斯散射將從分子吸收能量，使聲子湮滅。但聲子湮滅的幾率與系統所處的激發振動態的幾率有關，因此，它是與溫度有關的。這樣就能說明了斯托克斯帶的強度比反斯托克斯帶的強度要高。下圖是拉曼散射圖，圖中n是存在的振動量子數。假定振動能級的能量間隔遠小于電子態之間的間隔。如圖所示，入射光使分子上升到電子激發態，再

7、從電子激發態返回到電子基態的不同的振動態上。入射光子的斯托克斯散射的能量損失轉交給了分子，因此系統處具有了較高的振動量子電子劉發怒ii I,電子a布反斯林克斯散射數。與此相反，反斯托克斯散射從分子獲得能量，因此分子躍遷到了較低的振動態。由此可見，拉曼散射過程是經過了一個電子激發態的中間態躍遷過程。但是，這種躍遷與激光誘導熒光的能級躍遷相比是不相同的，激光誘導熒光的能級躍遷的中間態是分子的一個電子本征態，吸收與發射是明確的兩個相繼發生的過程。而在拉曼散射中，這是在由測不準關系確定的很短時間內，分子增加了一個數量上等于入射光子損失或者增加的能量。用量子力學的語言來說，拉曼散射是系統經過了一個“虛”

8、激發態的躍遷過程。拉曼散射光的強度與散射物質的性質有關。根據原子的偶極輻射原理，也就是分子的斯托克斯頻率的感應偶極矩的輻射公式可以看出，自發散射拉曼信號的強度是十分微弱的。從實驗研究中我們又發現，當拉曼散射的中間態與分子的真實本征態發生重合時，拉曼散射的截面會大大增加。其實，根據能級的躍遷情況，拉曼散射可以分為以下四種類型:正常拉曼散射、預共振拉曼散射、分列共振拉曼散射和連續共振拉曼散射。正常振動拉曼散射是在虛態與任何電子態相距遠離時的情況。當虛態接近于激發電子態的振動和轉動本征態時，這種情況稱為預拉曼散射。當虛態位于激發電子態的振動和轉動本征態上時，發生的是分列共振拉曼散射。而當虛態處在離解

9、限上面的連續區內時，發生的就是連續共振拉曼散射。一般來說，共振拉曼散射線的強度可比正常拉曼譜線的強度增加一萬至一百萬倍。所以，共振拉曼散射對于實際的光譜研究來說是很有意義的。但是，共振拉曼散射有一定的局限性，因為并不是在所有的情況下都能得到共振拉曼散射的，如果被測物質在近紅外、可見或紫外光區沒有電子吸收帶，也就無法達到共振條件;某些物質在這些光譜區雖有電子吸收帶，但是在激光激發下具有強烈的熒光發射，形成了對拉曼散射的干擾，甚至出現對拉曼譜產生湮滅的現象;還有一些物質在激光照射下會出現光化反應。在這些情況下，就不能采用共振拉曼散射的方法來研究。接下來我們介紹一下相干反斯托克斯拉曼散射光譜。如上面

10、所講的，自發拉曼散射光的強度是相當弱的，這給測量帶來了許多的困難。自發拉曼效應屬于一階線性極化效應，但是，在實驗研究中發現，隨著激光功率的提高，由強激光電場誘導的二次以上的高階極化現象越來越顯著，這樣就產生了一些新的拉曼散射現象。這些拉曼散射光具有良好的方向性與相干性，所以我們把它們稱之為相干拉曼散射。相干拉曼散射現象有:受激拉曼散射、受激拉曼增益散射與逆拉曼散射、相干斯托克斯拉曼散射與反斯托克斯線拉曼散射、拉曼誘導克爾效應等等。這些新的拉曼散射現象的一個共同的特點是信號強度大，它們可以比自發拉曼散射光的強度提高十億倍。因此，通過用相干拉曼散射進行光譜測量，發現了一些用自發拉曼散射無法發現的光

11、譜信息。此外，相干拉曼散射還有其它一些重要應用。相干反斯托克斯與斯托克斯拉曼散射是一種非常特殊的三階非線性混頻現象。設有頻率為CD1和2的兩束激光入射到樣品上，假定CD1大于2,并且CD1激光具有足夠強度。這時，如果滿足1與2的差值大于拉曼活性振動或轉動躍遷的頻率wR時，三階極化系數將產生效率很高的混頻。混頻產生頻率為3的拉曼散射光。這種非線性混頻是兩個col光子與一個2光子間的混頻。由于混頻效率很高，混頻產生的頻率為3拉曼散射光強度高，方向性好，具有相干性。我們將散射光頻率低于入射光2的散射稱之為相干斯托克斯散射，將散射光頻率高于入射光col的散射稱之為相干反斯托克斯散射。從原理上說，相干反

12、斯托克斯散射與相干斯托克斯散射是兩種對稱的相干拉曼散射現象，哪一種都不會占有更多應用優勢。但是，由于相干斯托克斯散射頻率比兩種入射激光的頻率都要低，而從另一方面來說，分子受激發射的熒光的頻率也低于激發光頻率，因此在相干斯托克斯散射散射光在測量的過程中很容易受到熒光的干擾。因此，從光譜技術的實際的運用角度來說，采用相干斯托克斯散射方法是有缺陷的。而相干反斯托克斯散射的頻率比兩種入射激光的頻率都要高，也就是說，在相干反斯托克斯散射的測量中可以避開熒光的干擾，因此在實際應用中，相干反斯托克斯散射比相干斯托克斯散射更受到重視。最后，我們介紹一下受激拉曼散射。受激拉曼散射最早是由伍德伯里等人在1962年

13、發現的。當時他們用硝基苯液體作為克爾盒Q開關，進行紅寶石激光器的調Q實驗。在實驗中他們發現，當紅寶石激光通過克爾盒后，在光束中除694.3nm的入射激光的波長外，還有波長為767.0nm的存在。經過細致地分析，767.0nm譜線為硝基苯的一級斯托克斯拉曼散射線。實驗發現，當激光功率增強時，767.0nm譜線強度迅速增加，發散角減小，線寬變窄，具有了受激發射性質，因此，它們就被稱之為受激拉曼散射。當激發光的功率進一步增強時，可以得到多級斯托克斯受激拉曼射線與反斯托克斯受激拉曼散射線。如果讓正向散射光投射到與入射光相垂直的彩色膠片上，就會得到一張彩色的同心圓照片。同心圓各環的顏色，由內到外依次為從

14、暗紅到綠，這也就說明了受激拉曼散射具有特殊的角度分布。受激拉曼散射的方向性很好，散射的方向有前向的與后向的，它們分別稱為前向拉曼散射與后向拉曼散射。與自發拉曼效應相比，受激拉曼效應有明顯的閾值性。只有當入射光的強度超過某一閾值時才會出現受激的拉曼散射，要用足夠強的功率激光照射才能獲得。從量子觀點來看，拉曼散射是分子振動的聲子對入射光散射的結果。聲子是由熱振動激發的，它的相位是呈無規分布的。對于自發拉曼散射，散射光可以看成入射光與無規相位分布的聲子相碰撞的結果。因此雖然入射激光是相干光，但散射光的相位卻是無規分布的，是非相干光。但是在受激拉曼散射過程中，相干的入射光被受激的相干聲子所散射，因此散

15、射光是相干光。舉一個例子來說明。對于一級斯托克斯線的受激散射情形，入射光子與介質中聲子相碰撞，產生一個斯托克斯散射光子，并增添一個受激聲子。這增添的一個受激聲子又與入射光子碰撞，又增加一個受激聲子，如此等等，重復進行，受激聲子數就迅速地增長起來。由于受激聲子是在相干光激發下形成的，所以受激產生的散射光也是相干的。由于在受激散射過程中，由泵浦光對斯托克斯線有很高的轉換效率，一般可以達到50%，因此受激斯托克斯線的強度是很高的。這條強的受激斯托克斯線，在其產生和傳播過程中，又作為泵浦源對介質進一步激發，產生二級受激斯托克斯線，而這二級受激斯托克斯線又可進一步激發出三級、四級、乃至多級受激的斯托克斯

16、線。由于受激拉曼散射具有很高的轉換效率，因此可采用拉曼頻移的方法將泵浦激光的波長轉換到另一個波長區。如果泵浦激光是可調諧的，則拉曼頻移后的受激散射光也是可調諧的，從而大大地托寬了相干光的頻帶范圍。所以說，多級受激的斯托克斯線是拉曼頻移器的基礎，這也是受激拉曼效應的一個非常重要的應用。介紹了以上幾種拉曼散射現象，那么它們在現實中又是怎么具體應用的呢,下面我們就來從幾個方面說明一下。拉曼光譜是一種測量分子振動的光譜技術，其拉曼頻移的產生是基于分子的振動。拉曼頻移的值與分子的振動能級相對應，而不同的振動能級起源于不同方式的振動?；衔镏械慕Y構基團都有其特征的振動頻率，根據這一特點，可直接鑒定化合物的

17、結構基團，判斷化學鍵的性質及其變化在許多化合物的拉曼譜上有長的全對稱振動泛頻系列，可以利用來進行分子振動的非諧性研究。這就是拉曼光譜在分子結構研究中的重要應用。依據拉曼譜線的強度與入射光的強度和樣品分子的濃度的正比例關系，可以利用拉曼譜線來進行定量分析。理想條件下，拉曼散射的強度應該與分子的濃度成線性關系。但是，影響拉曼線的因素有很多，比如說:光源的穩定性、樣品的自吸收、單色儀的狹縫、樣品濃度改變時折射率的變化等等。因此，如果僅通過直接比較不同濃度樣品間的拉曼線強度來進行定標的話，肯定不精確。比較有效的方法是在樣品中增加內定標物質，通過與內定標物質的拉曼線強度的比較來定量，或者利用溶劑本身的拉

18、曼線作內定標。和紅外光譜法相比，采用拉曼散射光譜作定量分析的優點是能應用于水溶樣品，而且具有較高的準確度。此外，拉曼散射定量分析還可以用于多組分的同時測量，這也是其他方法不可比擬的。激光拉曼光譜測量散射物質的拉曼頻移,是物質分子轉動和振動能級特性的表征。因此,通過物質的拉曼光譜分析,可以從分子結構上了解物質的構成、特性及其變化規律。DNA作為遺傳信息的載體包含了生命系統的遺傳密碼，參與遺傳信息在細胞內的表達,控制著生物體的生長、發育、繁殖、遺傳和變異,是細胞中最重要的成分。自從沃森和克里克用X射線衍射法證明了DNA的雙螺旋結構模型以來，有關DNA結構和功能等方面的研究就一直是現代生物學的中心課題。拉曼光譜技術在測量生物分子時,具有結構信息量大,測量速度快,操作方便等優點,尤其是在測量DN