2.1 拉曼光谱基础

2.1.1 常规拉曼光谱^[2，7]

光与物质相互作用可产生吸收、散射等过程。当样品分子中电子受交变的光电场的作用被极化而做受迫振荡时，将会向空间以电磁波（次波）的形式辐射出能量，这就是光散射过程，它是一种二次电磁辐射。散射光可以在4π立体角范围内被检测到。按物质尺度的不同，散射分为微粒散射和分子散射，根据频率是否发生变化分为弹性散射和非弹性散射。非弹性散射由于携带了物质的微观结构信息，如分子转动、振动和晶格振动等，在物质的分析和表征中发挥了重要的应用。

早在1923年，Smekal等人在理论上预言：光通过介质时，将与介质发生作用进而发生能量交换，导致部分的光频率和相位发生变化。1928 年，Raman和Krishman通过反复纯化样品以排除杂质荧光干扰后，在60多种有机液体和蒸气中都检测到了强度极弱、与入射光频率不同的谱线，该谱线携带了分子振动信息。同一年，Landsberg和Mandelstam在石英中观察到散射光频率的变化。这一现象后来被称为拉曼（Raman）散射。拉曼散射效应在研究分子结构方面具有独特的优势，拉曼本人也于1930年获得了诺贝尔物理学奖。虽然在其后的10年，拉曼光谱得到了空前的发展，但是由于用汞灯作为光源得到的拉曼信号非常弱，拉曼光谱的地位被随后迅速发展起来的红外光谱技术所取代。直到1960年激光器问世并被用作拉曼光谱的激发光源后，拉曼光谱技术才得到了新生，在基础和应用研究中都得到了长足的发展，进入了激光拉曼光谱学时代。

为便于理解，图2-1以Jablonshi能级图对比了红外吸收、荧光分子散射（拉曼和瑞利散射）过程。红外吸收是一次光子过程，通常以广谱带的光源照射样品，与分子红外活性的振动能级匹配的能量将被吸收，并将分子激发到某个振动激发态。处于紫外可见区间的光源则可以将电子从分子的基态激发到激发态，处于激发态的电子则可能通过振动弛豫（通常在10^-9 s）到电子激发态的振动基态，在跃迁回电子基态的过程中将发射出荧光。拉曼散射是利用一束频率为hν₀的单色光和分子相互作用，使分子核骨架周围的电子云发生形变形成一个短寿命不稳定状态（“虚态”），电子不经历振动弛豫很快地（通常为10^-12 s）重新发射出频率为h（ν₀-ν）的散射光。虽然图示似乎给出的是两个先后的过程，但是事实上散射过程是一个瞬时的过程，是同时发生的。如果散射过程只是涉及电子云的变形，由于电子质量极小，散射光子能量的变化极其微小，对应着弹性散射过程，即瑞利（Rayleigh）散射。如果在散射过程中，分子内原子的振动（即原子核间相对位置的变化）导致周围的电子云发生变化（极化率的改变），外部光电场就可以和分子的振动发生作用，则散射时将发生能量从入射光转移给分子或者从分子转移给散射光的过程，对应着非弹性散射过程，即拉曼散射，此时散射光的频率与入射光的频率不同。入射光和散射光的频率差值ν即对应于分子的特征振动频率，不随激发光频率的改变而变化，拉曼光谱图中横轴的拉曼频移正是散射光相对于入射光的频率位移ν。散射光频率低于入射光频率的拉曼散射称为Stokes拉曼散射，对应着从振动基态跃迁回到振动激发态的过程，是拉曼光谱研究中通常仅研究的区间；散射光频率高于入射光频率的拉曼散射称为反Stokes （anti-Stokes）拉曼散射，对应着从振动激发态跃迁回到振动基态，如图21所示。这两种拉曼过程频率绝对值相同。根据Boltzmann分布，常温下分子处于振动基态的布居数要远高于处于振动激发态的布居数，因此，Stokes拉曼的强度通常远高于反Stokes拉曼的强度。由于温度的变化将直接改变激发态和基态的分子布居数，进而影响Stokes拉曼和反Stokes拉曼谱峰的相对强度，因此可以通过检测同一振动模式的这一对峰的相对强度获得体系的温度。特别注意，该图中只给出一种振动模式的能级图，对于不同的振动模式，都可以构建出其特征的振动能级图。

图2-1 三种光学过程示意图

（a）红外吸收，（b）拉曼散射和（c）荧光。ν0为入射光的频率；ν为分子某个振动的拉曼位移；ν1为荧光发射的频率

拉曼谱图通常是以散射光强度和以cm^-1 为单位的拉曼位移ν （散射光与入射光的能量差）作图，因此，在拉曼光谱中，Stokes和反Stokes线对称分布在瑞利线（频率为0）两侧。不论用哪个波长的激光激发，只要激光的能量不导致分子结构的变化和体系温度的显著变化，拉曼谱图上的振动频率都是相同的，不会随着激发光频率的改变而变化。

拉曼信号通常都很弱，一般10⁶～10⁸个入射光子才会产生一个拉曼光子。即使采取了激光作为光源，常规拉曼光谱技术的检测灵敏度仍然非常低，尤其是在研究只有单分子层甚至亚单分子层分子的表面或界面的物种和过程时，检测灵敏度低的问题格外突出^[3]。通常固体表面满单层吸附物种的表面浓度为10¹⁴ cm^-2，假设激光光斑的面积为1μm²，在该探测区内分子的个数仅为10⁶个，即相当于10^-18 mol的分子数。而分子的微分拉曼散射截面通常仅有（甚至低于）10^-29 cm^-2•sr^-1，若使用常规的激光拉曼谱仪检测表面单分子层的物种，其拉曼信号强度一般低于1光子计数/s （即常规谱仪的检测限）。为了检测这么低的分子数，需要非常高的检测灵敏度。

2.1.2 共振拉曼光谱^[8]

当选取的入射激光频率ν0非常接近或处于分子的电子吸收峰范围内时，与一般只能激发到“虚态”的常规拉曼光谱不同，此时拉曼跃迁的概率大大增加，它可使分子的某些振动模式的拉曼散射截面增强高达10⁶倍，这种现象被称为共振拉曼（resonance Raman）效应，如图2-1所示。激发光的能量越接近体系的电子共振条件，拉曼峰的强度就越强。利用共振拉曼增强效应，可以实现亚单层量分子的检测。共振拉曼谱图也比正常拉曼谱图简单得多，因为只有与电子跃迁相关的那些振动才能被选择性地增强。虽然高阶的跃迁（如和频和倍频）通常不会出现在常规拉曼光谱中，但可能出现在共振拉曼光谱中，所以这个效应会产生一些新峰而带来更多的信息。共振拉曼光谱常用于含生色团的生物分子的研究，由于共振拉曼信号主要由这些有共振吸收的生色团贡献，从而可以将生色团的拉曼峰与周围其它基团的峰分开。需要指出的是，共振拉曼需要可调谐波长的激光源。虽然在激光技术高速发展的今天，获得从近红外到紫外连续可调的激光并不困难，但是激光器的价格仍然非常昂贵，还只有少数的实验室有能力拥有从紫外到可见的全波长范围的激光。更重要的是，共振拉曼光谱不是一种表面专一的效应，溶液中相同物种也会对表面物种的信号检测产生严重的干扰，使其在表面和界面研究中受到一定的限制。