拉曼散射

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介绍

拉曼散射是一种理想的技术，它根据散射分子的旋转和振动特性产生具有不同频率的散射光子。物理学家和化学家利用拉曼散射来识别材料。近年来，激光被用于记录光谱，而照相底片和汞灯则用于计算光谱。

1928年，拉曼散射被C.V.拉曼及其著名的学生K.S.克里希南发现。C.V.拉曼因其这一开创性发现于1930年获得奖励。实验表明，由于拉曼散射的发生概率远低于其他散射现象，只有一个光子被散射。拉曼光谱基于拉曼散射的原理。

什么是拉曼散射？

拉曼散射被描述为一种光学过程，其中入射光与样品相互作用产生散射光。这种光的能量被样品化学键的振动模式降低。拉曼效应涉及到固体、液体或气体分子的光散射 (Pilot et al. 2019)。

拉曼效应包括在入射光波长附近出现额外的谱线。与实际波长处的散射光相比，拉曼散射光中的谱线强度较弱。

拉曼散射通常被认为是弱的，因为单个分子在照射前处于旋转和振动激发态，可能会导致反斯托克斯谱线的出现。

图1：拉曼散射

拉曼散射具有方向性表面等离子体激元，它结合了共振和光谱的优势，能够进行单层敏感的化学反应计算和吸收。拉曼散射通常用于研究低频、旋转和振动分子模式 (Zhang et al. 2019)。

散射光子是非弹性散射的，这表明粒子的动能增加或损失，并且由反斯托克斯和斯托克斯部分组成。

拉曼光谱原理

单色辐射穿过一些样品，该辐射可能会被散射、吸收或反射。这是拉曼光谱背后的主要原理，因为它基于拉曼散射的现象 (Bell et al. 2020)。当光与固体、液体或气体相互作用时，大量光子以相同的能量散射。

图2：拉曼光谱

散射光子的频率与入射光子不同，因为旋转和振动特性不同。正如Guo等人 (2020)所指出的，这种变化导致波长的变化，这在红外光谱学中是可见的。

与入射光子相比，少量光子（大约百万分之一）可能以不同的频率散射。散射光子和入射光子之间的差异称为拉曼位移。

拉曼散射过程

拉曼散射过程可以用量子力学来解释。当光子与分子相互作用时，分子可能会被激发到更高的能级。结果可能与高能态不同 (Lindquist et al. 2020)。一种可能的结果是分子可能会弛豫并回到与初始态不同的振动能级，从而产生不同能量的光子。

拉曼散射的分类

拉曼散射主要以两种方式出现：斯托克斯散射和反斯托克斯散射。斯托克斯散射发生时，发射辐射的频率低于入射辐射 (Xu et al. 2018)。反斯托克斯散射与斯托克斯散射相反，发射辐射的频率更高。

图3：拉曼散射的分类

从图中可以看出，图中绿色的箭头代表入射辐射。上图表示电子能级用“n=”标记。拉曼效应有助于拉曼光谱的解释，并表征有效的拉曼散射。

拉曼效应的应用

拉曼光谱在工业中有多种应用，包括结晶过程、化学合成、氢反应、聚合反应等等。

然而，拉曼效应在许多方面得到了广泛的应用。拉曼放大是基于拉曼散射，其中低频光子被泵浦到高频区域，具有大量的能量。这个过程在电信中非常适用。在光学相位中，利用光谱产生超连续谱，这导致光谱平滑，因为初始光谱是瞬时产生的，然后被放大到更高的能量 (Song et al. 2020)。

研究表明，拉曼散射被用于行星探测和遥感。拉曼散射被用来探测火星上的矿物。拉曼效应的应用已扩展到多个领域，例如“纳米技术”，以理解纳米线的结构。

结论

拉曼散射产生具有不同频率的散射光子，这取决于分子的固有特性。如果已知光子的行为受光反射的影响，则散射是可理解的。拉曼效应决定了光波长的变化。拉曼散射中有七种可见颜色，通常被称为“VIBGYOR”，从短波长到长波长排列。从不同的实验中可以看出，蓝色总是被散射的。

常见问题

Q1. 拉曼光谱的定义是什么？

拉曼光谱被定义为一种分子光谱技术，它利用光与物质的相互作用来获得对构成物质特征（如FTR）的特定见解。拉曼光谱提供的数据来自光散射过程，它不依赖于光吸收。

Q2. 拉曼光谱的用途是什么？

拉曼光谱用于计算光的散射。它主要用于识别现有分子的低频、旋转和振动模式。

Q3. “自由度”是什么？

“自由度”是指确定物理构型的参数数量。在拉曼散射中，测量“自由度”的公式是3N。

Q4. 拉曼光谱中使用哪种波？

紫外波用于拉曼光谱的筛选方法。拉曼光谱基于拉曼效应，利用光束散射。

参考文献

期刊

Bell, S. E., Charron, G., Cortés, E., Kneipp, J., de la Chapelle, M. L., Langer, J., ... & Schlücker, S. (2020). Towards reliable and quantitative surface‐enhanced Raman scattering (SERS): From key parameters to good analytical practice. Angewandte Chemie International Edition, 59(14), 5454-5462. Retrieved from: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908154

Guo, X., Li, J., Arabi, M., Wang, X., Wang, Y., & Chen, L. (2020). Molecular-imprinting-based surface-enhanced Raman scattering sensors. Acs Sensors, 5(3), 601-619. Retrieved from: https://www.nature.com

Lindquist, N. C., de Albuquerque, C. D. L., Sobral-Filho, R. G., Paci, I., & Brolo, A. G. (2019). High-speed imaging of surface-enhanced Raman scattering fluctuations from individual nanoparticles. Nature nanotechnology, 14(10), 981-987. Retrieved from: https://www.nature.com

Pilot, R., Signorini, R., Durante, C., Orian, L., Bhamidipati, M., & Fabris, L. (2019). A review on surface-enhanced Raman scattering. Biosensors, 9(2), 57. Retrieved from: https://www.mdpi.com

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Zhang, X., Zhang, X., Luo, C., Liu, Z., Chen, Y., Dong, S., ... & Xiao, X. (2019). Volume‐enhanced raman scattering detection of viruses. Small, 15(11), 1805516. Retrieved from: https://onlinelibrary.wiley.com

网站

Doitpoms, (2022). About Raman scattering. Retrieved from: https://www.doitpoms.ac.uk [检索日期：2022年6月11日]