1、激光拉曼光譜論文激光拉曼光譜技術(shù)及應(yīng)用【摘要】論文主要介紹了拉曼光譜的產(chǎn)生原理，其中有自發(fā)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(fā)現(xiàn)，產(chǎn)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(shù)在研究領(lǐng)域中和實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。【關(guān)鍵詞】激光拉曼光譜自發(fā)反斯托克斯受激應(yīng)用【正文】光譜學(xué)它是一門獨(dú)立的學(xué)科，它是通過微觀級(jí)的物質(zhì)，也就是分子、原子、團(tuán)族等對(duì)光的吸收與發(fā)射，研究光與物質(zhì)的相互作用的一門學(xué)科。它自17世紀(jì)牛頓的色散實(shí)驗(yàn)起源，發(fā)展極其緩慢。光譜學(xué)逐漸進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的發(fā)展階段是1860年基爾霍夫用自己制造出的分光儀發(fā)現(xiàn)了銫元素和銣元素。一方面，光

2、譜學(xué)本身的原理與定律建立起來了，另一方面對(duì)近代物理學(xué)的建立與發(fā)展起了極為重要的推動(dòng)作用。當(dāng)激光出現(xiàn)時(shí)，就像是賦予了光譜學(xué)新的生命力，特別是可調(diào)諧激光器的出現(xiàn)和發(fā)展，是光譜學(xué)發(fā)生了革命性的變化，使它發(fā)展成為了一門新的學(xué)科，也就是激光光譜學(xué)。它既是傳統(tǒng)基礎(chǔ)學(xué)科的重要研究手段，又是許多在應(yīng)用學(xué)科中不可缺少的探測與分析方法。因此，激光光譜學(xué)不僅被專業(yè)工作者所掌握，也為許許多多應(yīng)用專業(yè)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(xué)家拉曼與克里希南進(jìn)行液體與蒸汽實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種新的光散射現(xiàn)象。當(dāng)一束激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子發(fā)生非彈性的相互碰撞時(shí),大部分的光子僅僅是改變了方向,

3、發(fā)生一般的散射而且光的頻率和之前的用于激發(fā)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?yàn)樗鼈儾粌H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(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的十的負(fù)六次方至十的負(fù)十次方數(shù)量級(jí)。其的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)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(yōu)質(zhì)的、高強(qiáng)度的單色光的提供就有了保障，這有力推動(dòng)了拉曼散射的研究及其應(yīng)用。拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于純定性分析、高度定量分析和測定分子結(jié)構(gòu)都有很大價(jià)值。拉曼散射最重要的用途就是用于進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，它已經(jīng)成為了物質(zhì)結(jié)

4、構(gòu)研究的強(qiáng)大工具。拉曼光散射是光與物質(zhì)的相互作用的一種特殊形式，利用經(jīng)典理論方法也能直觀、定性地說明其中的一些重要現(xiàn)象。經(jīng)典方法通過將介質(zhì)極化看成為電磁場的激發(fā)源，即原子與分子在經(jīng)典場的作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩而導(dǎo)致極化，而極化的原子與分子發(fā)射散射光這一理論，再根據(jù)分子偶極矩矢量的公式進(jìn)行推導(dǎo)出拉曼活性項(xiàng)表達(dá)式，通過它可以看出入射光在介質(zhì)中的誘導(dǎo)偶極矩，受到分子的振動(dòng)調(diào)制，誘導(dǎo)偶極矩與分子的極化率成正比。并且它既與入射光有關(guān)，又與極化率的振蕩部分成比例。在入射光作用下，發(fā)出的相應(yīng)的和頻或差頻輻射，就是拉曼散射光，其相應(yīng)的振動(dòng)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(qū)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(fā)發(fā)射性質(zhì)，因此也稱它為自發(fā)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(cè)。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(yùn)動(dòng)。經(jīng)典方法能正確地告訴我們拉曼散射光會(huì)在哪些頻率上出現(xiàn)。但是，在經(jīng)典方法中的斯托克斯線與反斯托克斯散射線在強(qiáng)度上沒有差別。這與事實(shí)是不相符的。因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，拉曼散射的斯托克斯散射線的強(qiáng)度與反斯托克斯散射線的強(qiáng)度明顯不相等，斯托克斯散射線的強(qiáng)度明顯要強(qiáng)于反斯托克斯散射線的強(qiáng)度。這是經(jīng)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(jìn)一步解釋這一問題。在量子理論中，分子的振動(dòng)是量子化的。拉曼散射過程可以看成入射光子在介質(zhì)中產(chǎn)生或湮滅聲子，即分子的振動(dòng)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(tǒng)中產(chǎn)生了聲子。產(chǎn)生聲子與原有聲子無關(guān)，所以斯托克斯散射的幾率是與溫度無關(guān)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(tǒng)所處的激發(fā)振動(dòng)態(tài)的幾率有關(guān)，因此，它是與溫度有關(guān)的。這樣就能說明了斯托克斯帶的強(qiáng)度比反斯托克斯帶的強(qiáng)度要高。下圖是拉曼散射圖，圖中n是存在的振動(dòng)量子數(shù)。假定振動(dòng)能級(jí)的能量間隔遠(yuǎn)小于電子態(tài)之間的間隔。如圖所示，入射光使分子上升到電子激發(fā)態(tài)，再

7、從電子激發(fā)態(tài)返回到電子基態(tài)的不同的振動(dòng)態(tài)上。入射光子的斯托克斯散射的能量損失轉(zhuǎn)交給了分子，因此系統(tǒng)處具有了較高的振動(dòng)量子電子劉發(fā)怒ii I,電子a布反斯林克斯散射數(shù)。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(dòng)態(tài)。由此可見，拉曼散射過程是經(jīng)過了一個(gè)電子激發(fā)態(tài)的中間態(tài)躍遷過程。但是，這種躍遷與激光誘導(dǎo)熒光的能級(jí)躍遷相比是不相同的，激光誘導(dǎo)熒光的能級(jí)躍遷的中間態(tài)是分子的一個(gè)電子本征態(tài)，吸收與發(fā)射是明確的兩個(gè)相繼發(fā)生的過程。而在拉曼散射中，這是在由測不準(zhǔn)關(guān)系確定的很短時(shí)間內(nèi)，分子增加了一個(gè)數(shù)量上等于入射光子損失或者增加的能量。用量子力學(xué)的語言來說，拉曼散射是系統(tǒng)經(jīng)過了一個(gè)“虛”

8、激發(fā)態(tài)的躍遷過程。拉曼散射光的強(qiáng)度與散射物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)原子的偶極輻射原理，也就是分子的斯托克斯頻率的感應(yīng)偶極矩的輻射公式可以看出，自發(fā)散射拉曼信號(hào)的強(qiáng)度是十分微弱的。從實(shí)驗(yàn)研究中我們又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉曼散射的中間態(tài)與分子的真實(shí)本征態(tài)發(fā)生重合時(shí)，拉曼散射的截面會(huì)大大增加。其實(shí)，根據(jù)能級(jí)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(yù)共振拉曼散射、分列共振拉曼散射和連續(xù)共振拉曼散射。正常振動(dòng)拉曼散射是在虛態(tài)與任何電子態(tài)相距遠(yuǎn)離時(shí)的情況。當(dāng)虛態(tài)接近于激發(fā)電子態(tài)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)本征態(tài)時(shí)，這種情況稱為預(yù)拉曼散射。當(dāng)虛態(tài)位于激發(fā)電子態(tài)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)本征態(tài)上時(shí)，發(fā)生的是分列共振拉曼散射。而當(dāng)虛態(tài)處在離解

9、限上面的連續(xù)區(qū)內(nèi)時(shí)，發(fā)生的就是連續(xù)共振拉曼散射。一般來說，共振拉曼散射線的強(qiáng)度可比正常拉曼譜線的強(qiáng)度增加一萬至一百萬倍。所以，共振拉曼散射對(duì)于實(shí)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?yàn)椴⒉皇窃谒械那闆r下都能得到共振拉曼散射的，如果被測物質(zhì)在近紅外、可見或紫外光區(qū)沒有電子吸收帶，也就無法達(dá)到共振條件;某些物質(zhì)在這些光譜區(qū)雖有電子吸收帶，但是在激光激發(fā)下具有強(qiáng)烈的熒光發(fā)射，形成了對(duì)拉曼散射的干擾，甚至出現(xiàn)對(duì)拉曼譜產(chǎn)生湮滅的現(xiàn)象;還有一些物質(zhì)在激光照射下會(huì)出現(xiàn)光化反應(yīng)。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(fā)拉曼散射光的強(qiáng)度是相當(dāng)弱的，這給測量帶來了許多的困難。自發(fā)拉曼效應(yīng)屬于一階線性極化效應(yīng)，但是，在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的提高，由強(qiáng)激光電場誘導(dǎo)的二次以上的高階極化現(xiàn)象越來越顯著，這樣就產(chǎn)生了一些新的拉曼散射現(xiàn)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(xiàn)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(dǎo)克爾效應(yīng)等等。這些新的拉曼散射現(xiàn)象的一個(gè)共同的特點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度大，它們可以比自發(fā)拉曼散射光的強(qiáng)度提高十億倍。因此，通過用相干拉曼散射進(jìn)行光譜測量，發(fā)現(xiàn)了一些用自發(fā)拉曼散射無法發(fā)現(xiàn)的光

11、譜信息。此外，相干拉曼散射還有其它一些重要應(yīng)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(xiàn)象。設(shè)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(qiáng)度。這時(shí)，如果滿足1與2的差值大于拉曼活性振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷的頻率wR時(shí)，三階極化系數(shù)將產(chǎn)生效率很高的混頻。混頻產(chǎn)生頻率為3的拉曼散射光。這種非線性混頻是兩個(gè)col光子與一個(gè)2光子間的混頻。由于混頻效率很高，混頻產(chǎn)生的頻率為3拉曼散射光強(qiáng)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(duì)稱的相干拉曼散射現(xiàn)象，哪一種都不會(huì)占有更多應(yīng)用優(yōu)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(fā)射的熒光的頻率也低于激發(fā)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(shù)的實(shí)際的運(yùn)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(shí)際應(yīng)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(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)他們用硝基苯液體作為克爾盒Q開關(guān)，進(jìn)行紅寶石激光器的調(diào)Q實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(jīng)過細(xì)致地分析，767.0nm譜線為硝基苯的一級(jí)斯托克斯拉曼散射線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率增強(qiáng)時(shí)，767.0nm譜線強(qiáng)度迅速增加，發(fā)散角減小，線寬變窄，具有了受激發(fā)射性質(zhì)，因此，它們就被稱之為受激拉曼散射。當(dāng)激發(fā)光的功率進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，可以得到多級(jí)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(huì)得到一張彩色的同心圓照片。同心圓各環(huán)的顏色，由內(nèi)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(fā)拉曼效應(yīng)相比，受激拉曼效應(yīng)有明顯的閾值性。只有當(dāng)入射光的強(qiáng)度超過某一閾值時(shí)才會(huì)出現(xiàn)受激的拉曼散射，要用足夠強(qiáng)的功率激光照射才能獲得。從量子觀點(diǎn)來看，拉曼散射是分子振動(dòng)的聲子對(duì)入射光散射的結(jié)果。聲子是由熱振動(dòng)激發(fā)的，它的相位是呈無規(guī)分布的。對(duì)于自發(fā)拉曼散射，散射光可以看成入射光與無規(guī)相位分布的聲子相碰撞的結(jié)果。因此雖然入射激光是相干光，但散射光的相位卻是無規(guī)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(gè)例子來說明。對(duì)于一級(jí)斯托克斯線的受激散射情形，入射光子與介質(zhì)中聲子相碰撞，產(chǎn)生一個(gè)斯托克斯散射光子，并增添一個(gè)受激聲子。這增添的一個(gè)受激聲子又與入射光子碰撞，又增加一個(gè)受激聲子，如此等等，重復(fù)進(jìn)行，受激聲子數(shù)就迅速地增長起來。由于受激聲子是在相干光激發(fā)下形成的，所以受激產(chǎn)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(duì)斯托克斯線有很高的轉(zhuǎn)換效率，一般可以達(dá)到50%，因此受激斯托克斯線的強(qiáng)度是很高的。這條強(qiáng)的受激斯托克斯線，在其產(chǎn)生和傳播過程中，又作為泵浦源對(duì)介質(zhì)進(jìn)一步激發(fā)，產(chǎn)生二級(jí)受激斯托克斯線，而這二級(jí)受激斯托克斯線又可進(jìn)一步激發(fā)出三級(jí)、四級(jí)、乃至多級(jí)受激的斯托克斯

16、線。由于受激拉曼散射具有很高的轉(zhuǎn)換效率，因此可采用拉曼頻移的方法將泵浦激光的波長轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長區(qū)。如果泵浦激光是可調(diào)諧的，則拉曼頻移后的受激散射光也是可調(diào)諧的，從而大大地托寬了相干光的頻帶范圍。所以說，多級(jí)受激的斯托克斯線是拉曼頻移器的基礎(chǔ)，這也是受激拉曼效應(yīng)的一個(gè)非常重要的應(yīng)用。介紹了以上幾種拉曼散射現(xiàn)象，那么它們在現(xiàn)實(shí)中又是怎么具體應(yīng)用的呢,下面我們就來從幾個(gè)方面說明一下。拉曼光譜是一種測量分子振動(dòng)的光譜技術(shù)，其拉曼頻移的產(chǎn)生是基于分子的振動(dòng)。拉曼頻移的值與分子的振動(dòng)能級(jí)相對(duì)應(yīng)，而不同的振動(dòng)能級(jí)起源于不同方式的振動(dòng)。化合物中的結(jié)構(gòu)基團(tuán)都有其特征的振動(dòng)頻率，根據(jù)這一特點(diǎn)，可直接鑒定化合物的

17、結(jié)構(gòu)基團(tuán)，判斷化學(xué)鍵的性質(zhì)及其變化在許多化合物的拉曼譜上有長的全對(duì)稱振動(dòng)泛頻系列，可以利用來進(jìn)行分子振動(dòng)的非諧性研究。這就是拉曼光譜在分子結(jié)構(gòu)研究中的重要應(yīng)用。依據(jù)拉曼譜線的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度和樣品分子的濃度的正比例關(guān)系，可以利用拉曼譜線來進(jìn)行定量分析。理想條件下，拉曼散射的強(qiáng)度應(yīng)該與分子的濃度成線性關(guān)系。但是，影響拉曼線的因素有很多，比如說:光源的穩(wěn)定性、樣品的自吸收、單色儀的狹縫、樣品濃度改變時(shí)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(qiáng)度來進(jìn)行定標(biāo)的話，肯定不精確。比較有效的方法是在樣品中增加內(nèi)定標(biāo)物質(zhì)，通過與內(nèi)定標(biāo)物質(zhì)的拉曼線強(qiáng)度的比較來定量，或者利用溶劑本身的拉

18、曼線作內(nèi)定標(biāo)。和紅外光譜法相比，采用拉曼散射光譜作定量分析的優(yōu)點(diǎn)是能應(yīng)用于水溶樣品，而且具有較高的準(zhǔn)確度。此外，拉曼散射定量分析還可以用于多組分的同時(shí)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(zhì)的拉曼頻移,是物質(zhì)分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)特性的表征。因此,通過物質(zhì)的拉曼光譜分析,可以從分子結(jié)構(gòu)上了解物質(zhì)的構(gòu)成、特性及其變化規(guī)律。DNA作為遺傳信息的載體包含了生命系統(tǒng)的遺傳密碼，參與遺傳信息在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá),控制著生物體的生長、發(fā)育、繁殖、遺傳和變異,是細(xì)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(jié)構(gòu)模型以來，有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)和功能等方面的研究就一直是現(xiàn)代生物學(xué)的中心課題。拉曼光譜技術(shù)在測量生物分子時(shí),具有結(jié)構(gòu)信息量大,測量速度快,操作方便等優(yōu)點(diǎn),尤其是在測量DN