拉曼光谱是分子散射光谱，是一种对分子结构进行“指纹”识别的分析技术，谱峰的位置和强度直接反映了物质的结构与含量信息。近20年来，拉曼光谱仪成本不断降低，其面向的对象逐渐从传统的学术研究拓展到工业应用领域。拉曼光谱具有快速、无损、样品无需预处理等优点，拉曼光谱技术由于其独特的优点，成为目前发展最快的分析技术之一。

原理

拉曼效应，也称拉曼散射，由印度物理学家拉曼在1928年发现，指光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的现象。

图1. 拉曼散射模型图。

一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动（例如化学键的摆动和振动），然后散射出较低频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是惟一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为"指纹光谱"，可以照此原理鉴别出组成物质的分子的种类。

图2. 斯托克斯散射能级图。

图3. 反斯托克斯散射能级图。

如图2为拉曼散射能级图，光子与分子间发生了非弹性碰撞，部分处于虚态的分子跃迁至第一振动激发态，因此产生了斯托克斯散射。另外，在振动激发态的分子，被激光激发到虚态后又跃迁回基态，产生了反斯托克斯散射。斯托克斯散射与反斯托克斯散射统称为拉曼散射。由于常温下处于基态的分子远多于处于激发态的分子，因此斯托克斯散射的强度比反斯托克斯散射强得多，在拉曼光谱分析中多采用斯托克斯散射。

拉曼散射频率与激发光频率不同，频率之间的变化量被称为拉曼位移（拉曼光谱的横坐标为拉曼位移，用波数表示，单位为cm-1）。物质的拉曼位移与激发光频率无关，只取决于分子振动能级的变化，不同的化学键或基态有不同的振动方式，决定了其能级间的能量变化。这是拉曼光谱进行分子结构定性分析的理论依据。谱峰的强度可直接反应含量信息。如图4为拉曼光谱图。

图4. 拉曼光谱图。

研究内容

拉曼光谱可提供聚合物材料结构方面的许多重要信息。如分子结构与组成、立体规整性、结晶与去向、分子相互作用，以及表面和界面的结构等。从拉曼峰的宽度可以表征高分子材料的立体化学纯度。其主要研究内容包括：

（1）研究高分子的化学组分和结构，对其化学结构和立构性进行判断。

（2）组分定量分析。

（3）晶相与无定形相的表征以及聚合物结晶过程和结晶度的监测。

（4）研究伴随高分子反应（如聚合、裂解、水解等）的结晶动力学过程。

（5）研究高分子链的各向异性取向。

（6）聚合物共混物的相容性以及分子相互作用的研究。

（7）复合材料应力松弛和应变过程的监测。

（8）聚合反应过程和聚合物固化过程监控 

拉曼光谱优缺点

优点：

（1）测量快速。采用多通道检测器大幅提高了拉曼光谱的测量速度，使实时检测成为可能。

（2）属于无损分析、不产生污染。拉曼光谱在分析过程无需样本制备、不破坏样本。

（3）谱峰特征性强。拉曼谱峰丰富而尖锐，重叠谱带比较少，可在数据库搜索，进行差异分析以及定量分析。

（4）测量方式灵活。对于待测样本的形态没有特定的要求，无论是固体、液体、气体，都能进行测量。待测样本无需预处理，而且拉曼激光可透过容器、薄膜照射样本产生信号，实现非侵入式检查。由于激光聚焦部位通常在毫米级别，因此只需少量试样就能测量。也可以通过显微拉曼技术将激光进一步聚焦，来研究更小面积的样本。

（5）可对低浓度水溶液进行检测与分析，有较低检测限。由于水分子化学键的不对称性，使其在拉曼光谱中的信号极其微弱。因此，拉曼光谱是研究水溶液的理想工具。拉曼光谱技术灵敏度高，有着很低的检测限，一般可达10-3g/L。

（6）有着稳定的系统结构，可进行远距离在线分析。采用无动件设计方式的拉曼光谱仪，具有良好的稳定性与可靠性。拉曼光谱仪使用方便，维护工作量少。借助长达数百米、信号传输率高的石英光纤，可使激光器、检测器等核心器件远离测量样品，使拉曼分析技术适用于恶劣工况与危险环境。

由于以上这些优点，使的拉曼光谱在材料、化工、高分子、医药、环保、文物考古等领域得到了广泛应用。随着激光技术的发展和检测装置的改进。拉曼光谱技术在当代工业生产和科学研究中也将得到越来越广泛的应用。

缺点：

（1）荧光现象对傅里叶变换拉曼光谱分析的干扰。

（2）拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度，才能有效地收集拉曼光谱。

参考文献：

[1]董学锋. 拉曼光谱传递与定量分析技术研究及其工业应用. 浙江大学, 2013.