拉曼光谱是一种振动光谱技术，测量单色光（通常来自激光）的非弹性散射。它为红外光谱提供补充信息，特别适用于分析水溶液、晶体材料和生物样品。

拉曼散射原理

当单色光与分子相互作用时，大多数光子发生瑞利散射（弹性，无能量变化），而一小部分（约 10^7 分之一）光子发生拉曼散射（非弹性）并伴有能量变化。在斯托克斯拉曼散射中，散射光子的能量低于入射光（波长更长），对应于分子振动激发。在反斯托克斯拉曼散射中，散射光子的能量高于入射光（波长更短），发生于分子从激发振动态开始时。拉曼位移（cm-1）是入射光与散射光之间的能量差，与激光波长无关。

拉曼光谱 vs. 红外光谱

拉曼和红外是互补技术，由不同的选择规则控制。拉曼活性需要振动过程中极化率变化，而红外活性需要偶极矩变化。对称振动（如烯烃中的 C=C 伸缩）通常在拉曼中强但在红外中弱，而非对称振动在红外中强但在拉曼中弱。水是弱的拉曼散射体但强的红外吸收体，使拉曼成为水溶液和生物样品的理想选择。此外，使用更长波长激光（785 nm、1064 nm）时，拉曼光谱的荧光干扰比红外少。

仪器

拉曼光谱仪包括激光源，常见波长为 532 nm（绿）、633 nm（红）、785 nm（近红外）和 1064 nm（红外）；更长波长减少荧光但遵循反四次方定律导致拉曼强度降低。激光通过显微镜物镜（显微拉曼）或透镜聚焦到样品上，可分析微克量样品，空间分辨率达 1 µm。带有衍射光栅的光谱仪按波长分离拉曼散射光，陷波滤波片或边缘滤波片去除强烈的瑞利线。电荷耦合器件（CCD）检测器提供高灵敏度多通道检测，而傅里叶变换拉曼使用干涉仪和单通道检测器，采用 1064 nm 激发。

特殊拉曼技术

几种先进的拉曼技术增强了其能力。表面增强拉曼光谱（SERS）利用分析物分子在粗糙贵金属表面（Ag、Au）上的吸附将拉曼信号增强 10^6-10^10 倍，实现单分子检测。共振拉曼光谱（RRS）使激光波长与分析物的电子吸收带匹配，将特定振动模式增强 10^3-10^5 倍。共焦拉曼显微镜使用针孔拒绝离焦光，实现非均相样品的深度剖面分析和三维化学成像。尖端增强拉曼光谱（TERS）结合扫描探针显微镜与 SERS，实现纳米级空间分辨率的化学成像。

应用

拉曼光谱用于艺术品和考古文物中颜料的非破坏性鉴定；药物多晶型筛选和假药检测；通过组织和生物体液的拉曼光谱指纹识别诊断疾病；半导体、聚合物和碳材料（石墨烯、碳纳米管）的质量控制；以及使用光纤拉曼探头的体内生物医学成像和内窥镜检查。