2.1 拉曼光譜基礎

2.1.1 常規拉曼光譜^[2，7]

光與物質相互作用可產生吸收、散射等過程。當樣品分子中電子受交變的光電場的作用被極化而做受迫振蕩時，將會向空間以電磁波（次波）的形式輻射出能量，這就是光散射過程，它是一種二次電磁輻射。散射光可以在4π立體角范圍內被檢測到。按物質尺度的不同，散射分為微粒散射和分子散射，根據頻率是否發生變化分為彈性散射和非彈性散射。非彈性散射由于攜帶了物質的微觀結構信息，如分子轉動、振動和晶格振動等，在物質的分析和表征中發揮了重要的應用。

早在1923年，Smekal等人在理論上預言：光通過介質時，將與介質發生作用進而發生能量交換，導致部分的光頻率和相位發生變化。1928 年，Raman和Krishman通過反復純化樣品以排除雜質熒光干擾后，在60多種有機液體和蒸氣中都檢測到了強度極弱、與入射光頻率不同的譜線，該譜線攜帶了分子振動信息。同一年，Landsberg和Mandelstam在石英中觀察到散射光頻率的變化。這一現象后來被稱為拉曼（Raman）散射。拉曼散射效應在研究分子結構方面具有獨特的優勢，拉曼本人也于1930年獲得了諾貝爾物理學獎。雖然在其后的10年，拉曼光譜得到了空前的發展，但是由于用汞燈作為光源得到的拉曼信號非常弱，拉曼光譜的地位被隨后迅速發展起來的紅外光譜技術所取代。直到1960年激光器問世并被用作拉曼光譜的激發光源后，拉曼光譜技術才得到了新生，在基礎和應用研究中都得到了長足的發展，進入了激光拉曼光譜學時代。

為便于理解，圖2-1以Jablonshi能級圖對比了紅外吸收、熒光分子散射（拉曼和瑞利散射）過程。紅外吸收是一次光子過程，通常以廣譜帶的光源照射樣品，與分子紅外活性的振動能級匹配的能量將被吸收，并將分子激發到某個振動激發態。處于紫外可見區間的光源則可以將電子從分子的基態激發到激發態，處于激發態的電子則可能通過振動弛豫（通常在10^-9 s）到電子激發態的振動基態，在躍遷回電子基態的過程中將發射出熒光。拉曼散射是利用一束頻率為hν₀的單色光和分子相互作用，使分子核骨架周圍的電子云發生形變形成一個短壽命不穩定狀態（“虛態”），電子不經歷振動弛豫很快地（通常為10^-12 s）重新發射出頻率為h（ν₀-ν）的散射光。雖然圖示似乎給出的是兩個先后的過程，但是事實上散射過程是一個瞬時的過程，是同時發生的。如果散射過程只是涉及電子云的變形，由于電子質量極小，散射光子能量的變化極其微小，對應著彈性散射過程，即瑞利（Rayleigh）散射。如果在散射過程中，分子內原子的振動（即原子核間相對位置的變化）導致周圍的電子云發生變化（極化率的改變），外部光電場就可以和分子的振動發生作用，則散射時將發生能量從入射光轉移給分子或者從分子轉移給散射光的過程，對應著非彈性散射過程，即拉曼散射，此時散射光的頻率與入射光的頻率不同。入射光和散射光的頻率差值ν即對應于分子的特征振動頻率，不隨激發光頻率的改變而變化，拉曼光譜圖中橫軸的拉曼頻移正是散射光相對于入射光的頻率位移ν。散射光頻率低于入射光頻率的拉曼散射稱為Stokes拉曼散射，對應著從振動基態躍遷回到振動激發態的過程，是拉曼光譜研究中通常僅研究的區間；散射光頻率高于入射光頻率的拉曼散射稱為反Stokes （anti-Stokes）拉曼散射，對應著從振動激發態躍遷回到振動基態，如圖21所示。這兩種拉曼過程頻率絕對值相同。根據Boltzmann分布，常溫下分子處于振動基態的布居數要遠高于處于振動激發態的布居數，因此，Stokes拉曼的強度通常遠高于反Stokes拉曼的強度。由于溫度的變化將直接改變激發態和基態的分子布居數，進而影響Stokes拉曼和反Stokes拉曼譜峰的相對強度，因此可以通過檢測同一振動模式的這一對峰的相對強度獲得體系的溫度。特別注意，該圖中只給出一種振動模式的能級圖，對于不同的振動模式，都可以構建出其特征的振動能級圖。

圖2-1 三種光學過程示意圖

（a）紅外吸收，（b）拉曼散射和（c）熒光。ν0為入射光的頻率；ν為分子某個振動的拉曼位移；ν1為熒光發射的頻率

拉曼譜圖通常是以散射光強度和以cm^-1 為單位的拉曼位移ν （散射光與入射光的能量差）作圖，因此，在拉曼光譜中，Stokes和反Stokes線對稱分布在瑞利線（頻率為0）兩側。不論用哪個波長的激光激發，只要激光的能量不導致分子結構的變化和體系溫度的顯著變化，拉曼譜圖上的振動頻率都是相同的，不會隨著激發光頻率的改變而變化。

拉曼信號通常都很弱，一般10⁶～10⁸個入射光子才會產生一個拉曼光子。即使采取了激光作為光源，常規拉曼光譜技術的檢測靈敏度仍然非常低，尤其是在研究只有單分子層甚至亞單分子層分子的表面或界面的物種和過程時，檢測靈敏度低的問題格外突出^[3]。通常固體表面滿單層吸附物種的表面濃度為10¹⁴ cm^-2，假設激光光斑的面積為1μm²，在該探測區內分子的個數僅為10⁶個，即相當于10^-18 mol的分子數。而分子的微分拉曼散射截面通常僅有（甚至低于）10^-29 cm^-2?sr^-1，若使用常規的激光拉曼譜儀檢測表面單分子層的物種，其拉曼信號強度一般低于1光子計數/s （即常規譜儀的檢測限）。為了檢測這么低的分子數，需要非常高的檢測靈敏度。

2.1.2 共振拉曼光譜^[8]

當選取的入射激光頻率ν0非常接近或處于分子的電子吸收峰范圍內時，與一般只能激發到“虛態”的常規拉曼光譜不同，此時拉曼躍遷的概率大大增加，它可使分子的某些振動模式的拉曼散射截面增強高達10⁶倍，這種現象被稱為共振拉曼（resonance Raman）效應，如圖2-1所示。激發光的能量越接近體系的電子共振條件，拉曼峰的強度就越強。利用共振拉曼增強效應，可以實現亞單層量分子的檢測。共振拉曼譜圖也比正常拉曼譜圖簡單得多，因為只有與電子躍遷相關的那些振動才能被選擇性地增強。雖然高階的躍遷（如和頻和倍頻）通常不會出現在常規拉曼光譜中，但可能出現在共振拉曼光譜中，所以這個效應會產生一些新峰而帶來更多的信息。共振拉曼光譜常用于含生色團的生物分子的研究，由于共振拉曼信號主要由這些有共振吸收的生色團貢獻，從而可以將生色團的拉曼峰與周圍其它基團的峰分開。需要指出的是，共振拉曼需要可調諧波長的激光源。雖然在激光技術高速發展的今天，獲得從近紅外到紫外連續可調的激光并不困難，但是激光器的價格仍然非常昂貴，還只有少數的實驗室有能力擁有從紫外到可見的全波長范圍的激光。更重要的是，共振拉曼光譜不是一種表面專一的效應，溶液中相同物種也會對表面物種的信號檢測產生嚴重的干擾，使其在表面和界面研究中受到一定的限制。