圖1：具有給定輸入波長的三種不同散射機制的示例以及與散射波長的比較。

拉曼散射是一個物理過程，在這個過程中，入射光的方向，更重要的是，能量隨著散射離開樣品而發(fā)生變化。與樣品相互作用的光可以經(jīng)歷幾種不同現(xiàn)象中的一種;大部分光通過樣品被吸收、透射或反射。然而，少量的光以三種方式之一散射：瑞利、斯托克斯拉曼或反斯托克斯拉曼散射(圖1)。

斯托克斯拉曼散射

任何散射過程都可以分為彈性散射或非彈性散射：當(dāng)入射光子以與進入系統(tǒng)時相同的能量散射時，就會發(fā)生彈性散射;當(dāng)入射光子以比其原始包含的能量更高或更低的能量散射時，就會發(fā)生非彈性散射。瑞利是彈性散射的一種形式，而斯托克斯拉曼和反斯托克斯拉曼是非彈性的。兩種類型的非彈性散射的微分特性取決于散射光子的能量。一種情況發(fā)生在光子與材料相互作用時，光子首先將材料激發(fā)到更高能量的虛擬狀態(tài)，然后弛豫到更高的能量振動狀態(tài)。光子將能量傳遞給分子，這意味著散射的光子的能量較低，因此波長較長。這種效應(yīng)被稱為斯托克斯拉曼散射。相反，當(dāng)分子開始處于較高能量的振動狀態(tài)，并通過光子相互作用被激發(fā)到虛態(tài)時，當(dāng)它弛豫回到較低的能級時，它將下降到較低的振動能級。散射的光子將從這種相互作用中獲得能量，并以較短的波長散射。這種效應(yīng)被稱為反斯托克斯拉曼散射。拉曼光譜經(jīng)常與傅立葉變換紅外光譜(FTIR)混淆;然而，F(xiàn)TIR是振動狀態(tài)之間的直接轉(zhuǎn)變。

圖2：顯示了兩種不同類型的非彈性散射過程。注：虛激發(fā)態(tài)不是分子的第一激發(fā)態(tài)

斯托克斯拉曼散射比反斯托克斯拉曼更常見，因為反斯托克斯散射要求分子已經(jīng)處于激發(fā)的振動狀態(tài)。這意味著，盡管反斯托克斯喇曼比斯托克斯拉曼具有更高的能量，但強度通常要小得多。因此，斯托克斯散射通常用于拉曼光譜測量。

什么是拉曼光譜?

拉曼光譜技術(shù)是通過拉曼散射確定樣品化學(xué)成分的最有效方法之一。在這種光譜技術(shù)中，樣品由單色光源(如激光)激發(fā)，并收集拉曼位移。拉曼偏移是當(dāng)單色光散射離開樣品并產(chǎn)生與原始光源不同的頻率時發(fā)生的頻率偏移。這可以用來尋找光子能量的變化，這是從基態(tài)振動態(tài)到激發(fā)態(tài)的相同能量差。該過程用于創(chuàng)建一個唯一的指紋，從中可以識別樣本。拉曼效應(yīng)最好用單色光源(如激光)來測量。由于拉曼散射導(dǎo)致激發(fā)和散射光子的波長略有差異，拉曼效應(yīng)可能會被寬帶源所掩蓋。這意味著光源的波長是一個關(guān)鍵規(guī)范，影響拉曼光譜設(shè)置的分辨率、強度，甚至成本。激光的選擇范圍從紫外線(UV)到紅外線(IR)，不同波長的激光根據(jù)應(yīng)用有不同的優(yōu)缺點。

這種光譜技術(shù)在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中越來越受歡迎，作為一種無損分析樣本和識別樣本中不同成分的方法。它也被用于固態(tài)物理和化學(xué)中，以識別有機和無機材料。拉曼光譜的一個關(guān)鍵好處是，它是一種無損的方法，可以在不操縱樣品或使用染料或標(biāo)簽的情況下評估樣品。

審核編輯 黃宇