拉曼光谱OVERVIEW1. Raman spectra give information on molecular vibrations and are obtained from changes in the frequency of light observed in a scattering experiment (inelastic scattering).2. The physical picture arises from considering changes in polarizability (induced dipole moment) that arise if a vibration occurs during the time the electrons are oscillating in response to the applied radiation.3. The gross selection rule is that the vibrational motion must produce a change in the polarizability of the molecule.4. The anisotropy of the polarization of the scattering can be measured. Comparison of the spectra polarized perpendicular and parallel to the incident radiation gives information on the symmetry of the vibrational motions.5. Raman spectra can be obtained in water. This is a major advantage over infrared spectra.6. Resonance Raman spectra result when the wavelength of the exciting light falls within an electronic absorption band of a chromophore in the molecule. Some vibrations associated with such a chromophore may be enhanced by factors of 1000 or more.7. The experimental parameters of a band in a spectrum are its position ( ) (which is independent of the frequency of the exciting light), its intensity (which is directly proportional to concentration), and its polarization.8. The main biological applications of conventional Raman are very similar to those for infrared. Resonance Raman affords a means of probing selective sites in molecules. For example, in metalloproteins, Raman can give information on the nature of the ligand directly attached to the metal.6.1 引言拉曼光谱和红外光谱都反映了分子振动的信息，但其原理却有很大差别：红外光谱是吸收光谱，而拉曼光谱是散射光谱。

红外光谱的信息是从分子对入射电磁波的吸收得到的，而拉曼光谱的信息是从入射光与散射光频率的差别得到的。

拉曼光谱的突出优点是可以很容易地测量含水的样品，而且拉曼散射光可以在紫外和可见光波段量测。

由于紫外光和可见光能量很强，因此其量测比红外波段要容易和优越得多。

拉曼光谱得名于印度物理学家拉曼(Raman)。

1928年，拉曼首先从实验观察到单色的入射光投射到物质中后产生的散射，通过对散射光进行谱分析，首先发现散射光除了含有与入射光相同频率的光外，还包含有与入射光频率不同的光。

以后人们将这种散射光与入射光频率不同的现象称为拉曼散射。

拉曼因此获得诺贝尔奖。

当一束入射光通过样品时，在各个方向上都发生散射。

拉曼光谱仪收集和检测与入射光成直角的散射光。

由于收集和检测的散射光强度非常低，因此拉曼光谱的应用和发展受到很大限制。

六十年代激光开始广泛应用，拉曼光谱仪以激光作光源，光的单色性和强度都大大提高，拉曼散射仪的信号强度因而大大提高，拉曼光谱技术得以迅速发展，应用领域遍及物理，材料，化学，生物等学科，并已成为光谱学的一个分支−拉曼光谱学。

6.2拉曼光谱原理6.2.1光的散射：入射光通过样品后，除了被吸收的光之外，大部分沿入射方向穿过样品，一小部分光则改变方向，发生散射。

一部分散射光的波长与入射光波长相同，这种散射称为瑞利散射(Rayleigh scattering)。

1899年，瑞利从实验中得出结论：晴天时天空呈兰色的原因是大气分子对阳光的散射。

瑞利还证实：散射光的强度与波长的四次方成反比。

这就是瑞利散射定律。

由于组成白光的各种颜色的光中，兰光的波长最短，因而散射光强度最大。

天空因而呈现兰色。

瑞利当时并没有考虑到散射光的频率变化。

他认为散射光与入射光的频率是相同的。

所以后来把与入射光波长相同的散射称为瑞利散射，而把波长与入射光不同的散射称为拉曼散射。

6.2.2拉曼散射的产生6.2.2.1 机械力学的解释光由光子组成，这是光的微粒性。

光子与样品分子间的相互作用，可以用光子与样品分子之间的碰撞来解释。

光照射样品时，光子和样品分子之间发生碰撞。

如果碰撞时只是运动方向改变而未发生能量交换即发生了弹性碰撞，则光子的能量不变。

由E=hν，能量不变频率也就不变。

这就是瑞利散射产生的原因。

如果光子和样品分子间发生非弹性碰撞，即光子除改变运动方向外还有能量的改变，一部分能量碰撞时在光子和样品之间发生交换，光子的能量有所增减，则光的频率发生改变。

6.2.2.2 从能级之间的跃迁来分析光子和样品分子之间的作用也可以从能级之间的跃迁来分析。

Figure 9.1 Processes leading to normal, preresonance, and resonance Raman scattering. (For comparison, the processes involved in IR and fluorescence are shown.) The horizontal lines represent different vibrational energy levels in the two electronic states. The Raman scattering spectrum is also indicated. Note that the intensity of the Stokes lines is greater than that of the anti-StokesP240 Fig 9.1样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，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到达一种准激发状态，又称为虚能态。

样品分子在准激发态时是不稳定的，它将回到电子能级的基态。

若分子回到电子能级基态中的振动能级基态，则光子的能量未发生改变，发生瑞利散射。

如果样品分子回到电子能级基态中的较高振动能级即某些振动激发态，则散射的光子能量小于入射光子的能量，其波长大于入射光。

这时散射光谱的瑞利散射谱线较低频率侧将出现一根拉曼散射光的谱线，称为Stokes线。

如果样品分子在与入射光子作用前的瞬间不是处于电子能级基态的最低振动能级，而是处于电子能级基态中的某个振动能级激发态，则入射光光子作用使之跃迁到准激发态后，该分子退激回到电子能级基态的振动能级基态，这样散射光能量大于入射光子能量，其谱线位于瑞利谱线的高频侧，称为anti-Stokes线。

Stokes线和anti-Stokes线位于瑞利谱线两侧，间距相等，如图9.1所示。

Stokes线和anti-Stokes线统称为拉曼谱线。

由于振动能级间距还是比较大的，因此，根据波尔兹曼定律，在室温下，分子绝大多数处于振动能级基态，所以Stokes线的强度远远强于anti-Stokes线。

拉曼光谱仪一般记录的都只是Stokes线。

6.2.2.3 从光的波动性来分析由于光同时具有波动性，因此也可以从光的波动性分析拉曼散射的产生：电磁波的交变电场可以用E=E0cos(2πν't)表示，其中E是任意时刻t的电场强度，E0为交变电场的振幅，ν'为频率。

样品分子的电荷分布在交变电场的作用下会发生变形，其正电荷和负电荷的中心会发生位置上的相对移动或分离，产生诱导偶极矩μ，μ=αE，其中E为入射光的交变电场强度，α是分子的极化率(polarizability)。

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(induced dipole moment)的大小，也就是单位电场强度诱导产生的偶极矩的大小。

如果分子的振动引起分子极化率的改变，则分子具有拉曼活性。

以双原子分子为例，设分子极化率α随分子振动而变化，则α可按台劳级数展开。

忽略高次项，可得到：α=α0+(dα/dq)0q式中α0是分子在平衡位置时的极化率，q=r-r e，是双原子分子核间距r与平衡位置时核间距r0的差。

(dα/dq)0表示平衡位置上α对q的导数。

由μ=αE=[α0+(dα/dq)0q]E0cos(2πν't)根据前面红外原理中所推得的方程d2q/dt2= -kq/μ的解q=q0cos2πνt可以有μ=[α0+(dα/dq)0q0cos2απνt]E0cos2πν't=α0E0cos2πν't+q0E0(dα/dq)0cos2πνtcos2πν't=α0E0cos2πν't+(1/2)q0E0(dα/dq)0[cos2π(ν'+ν)t+cos2π(ν'-ν)t]式中前一项α0E0cos2πν't对应于样品分子产生的波长未变化的散射即瑞利散射，第二项反映分子极化率随分子振动而改变(即(dα/dq)0不为零)时分子产生的与入射光频率不同的散射光。