拉曼光谱学

能阶图展表示出不同的能阶相对应的拉曼讯号。线的粗细大至成比例约略描述讯号的大小。
拉曼光谱学（Raman spectroscopy）是用来研究晶格及分子的振动模式、旋转模式和在一系统里的其他低频模式的一种分光技术。拉曼散射为一非弹性散射，通常用来做激发的雷射范围为可见光、近红外光或者在近紫外光范围附近。雷射与系统声子做交互作用，导致最后光子能量增加或减少，而由这些能量的变化可得知声子模式。这和红外光吸收光谱的基本原理相似，但两者所得到的数据结果是互补的。
通常，一个样品被一束雷射照射，照射光点被透镜所聚焦且通过分光仪分光。波长靠近雷射的波长时为弹性瑞利散射。
自发性的拉曼散射是非常微弱的，并且很难去分开强度相对于拉曼散射高的瑞利散射，使得得到的结果是光谱微弱，导致测定困难。历史上，拉曼分光仪利用多个光栅去达到高度的分光，去除雷射，而可得到能量的微小差异。过去，光电倍增管被选择为拉曼散射讯号的侦测计，其需要很久的时间才能得到结果。而现今的技术，带阻滤波器 (notch filters) 可有效地去除雷射且光谱仪或傅立叶变换光谱仪和电荷耦合元件 (CCD) 侦测计的进步，在科学研究中，利用拉曼光谱研究材料特性越来越广泛。
「拉曼光谱」这个名称通常是指使用不被样品吸收的雷射波长的振动拉曼。有很多种的拉曼光谱分析，例如表面增强拉曼效应、共振拉曼效应、针尖增强拉曼效应、偏极拉曼光谱等。

**基础原理**
当光线照射到分子并且和分子中的电子云及分子键结产生交互作用，就会发生拉曼效应。对于自发拉曼效应，光子将分子从基态激发到一个虚能量状态。当激发态的分子放出一个光子后并返回到一个不同于基态的旋转或振动状态。在基态与新状态间的能量差会使得释放光子的频率与激发光线的波长不同。
如果最终振动状态的分子比初始状态时能量高，所激发出来的光子频率则较低，以确保系统的总能量守衡。这一个频率的改变被名为Stokes shift。如果最终振动状态的分子比初始状态时能量低，所激发出来的光子频率则较高，这一个频率的改变被名为Anti-Stokes shift。拉曼散射是由于能量透过光子和分子之间的相互作用而传递，就是一个非弹性散射的例子。
关于振动的配位，分子极化电位的改变或称电子云的改变量，是分子拉曼效应必定的结果。极化率的变化量将决定拉曼散射强度。该模式频率的改变是由样品的旋转和振动状态决定。

**历史背景**
虽然光的非弹性散射早在1923年被奥地利物理学家Adolf Smekal预测，但直到1928年才被实际的观察到。拉曼效应是由观察者的名字来命名，是由印度科学家钱德拉塞卡拉·拉曼利用太阳光观察到此现象。（1928年，C. V. Raman与K. S. Krishnan一起发现，并且由Grigory Landsberg 和 Leonid Mandelstam独立研究。）1930年，拉曼完成光的非弹性散射观测，并且获得了诺贝尔物理学奖。他利用太阳光和一个窄带滤波器制造出单色光，并用一个“横向”滤波器阻挡该单色光。拉曼发现，改变的频率可以通过“横向”滤波器。
拉曼效应系统的开创性理论，在1930年至1934年间由捷克斯拉夫的物理学家George Placzek 所开发。汞弧光灯成为主要的光源，先是摄影检测，然后与光度检测。目前光源则以雷射为主。

**应用**
拉曼光谱学在化学领域广泛被运用，是因为化学键以及对称分子都有其特殊振动的光谱资讯，因此提供作为分子鉴别时的重要特征。例如，SiO, Si2O2, 和Si3O3的振动频率是可被鉴别出来的，并列为红外线光谱学以及拉曼光谱学配位分析的基础。有机分子的特殊（波数）范围在500-2000/厘米。另外一方面，光谱学配位分析技术也被运用到化学键结研究上，例如，在基质中加入酵素。
拉曼气体检测仪有许多实际的应用。例如，医学上麻醉药发挥效用的真正时间和手术中混合呼吸的气体真正的时间。
自发性的拉曼光谱学在固态物理中常被运用，如原料特性、量测温度和找寻样品的crystallographic方位。例如，一组固态物质的特殊声子模式提供实验者能很快的辨识出单晶。另外，拉曼光谱学可以监测固态的低频激发，例如电浆、磁振子和超导气体的激发。拉曼信号，提供声子模式中，Stokes（低频转换）强度和 anti-Stokes（高频）强度的比值的资讯。
拉曼散射经由非等向性的晶体所产生，提供确定晶体方向性的资讯。拉曼光线的极化依赖晶体及雷射的极化，如果晶体结构(尤其是，晶体结构的点群)已经知道，就可以用来找到晶体的方向。

**光谱显微镜**
拉曼光谱提供了数个不同种类的显微技术的分析(11)。此效应由Martin Fleischmann发现，但是由Van Duyne在1977年解释此现象。
*共振拉曼光谱 当分子或晶格的激发光源的频率与电子跃迁之频率极相接近时，其一些振动模式之强度将大幅增加，此现象称之共振拉曼效应。
*表面增强共振拉曼光谱 一个结合共振拉曼光谱现象和接近表面增强拉曼强度的技术，且激发光源的频率极相接近于被分析的分子的最大吸收。
*自发性拉曼光谱 分子的拉曼光谱与温度之间关系现象。
*光学钳拉曼光谱
*空间补偿拉曼光谱 拉曼散射收集从侧面的区域补偿离开雷射激发光点，导致表面的讯号贡献比传统的拉曼光谱弱。
*同调anti-Stokes拉曼光谱 利用两雷射产生同调的anti-Stokes频率谱线，借此可以增加共振。
*拉曼光学活性 分子的振动的光学活性，意指对掌异构物的左旋和右旋的偏极特性所造成的拉曼散射微小不同的强度。
*受激拉曼增益光谱 做同调拉曼散射时，试样同时受两雷射之照射，一作激发用(ωL)，一作监控用(ωS)，而拉曼散射之强弱可用ωS之增益为测度。
*逆拉曼光谱 做同调拉曼散射时，试样同时受两雷射之照射，一作激发用(ωL)，一作监控用(ωS)，而拉曼散射之强弱可用ωL之减损为测度。
*针尖增强拉曼光谱 利用银或金的针去增强分子的拉曼讯号，其空间的解析度近乎于针尖的大小(20-30 nm)。TERS可以敏感地显示出单一分子的振动能阶。

**文献**

**外部连结**
  An introduction to Raman spectroscopy-  Raman Application examples-  A introduction on Raman Scattering-  Raman Spectroscopy Applications date=20100123173506 -  Chemical Imaging Without Dyeing - Chemical Imaging Without Dyeing-  DoITPoMS Teaching and Learning Package - Raman Spectroscopy date=20100804045335  - an introduction, aimed at undergraduate level-  Raman Spectroscopy Tutorial - A detailed explanation of Raman Spectroscopy including Resonance-Enhanced Raman Scattering and Surface-Enhanced Raman Scattering.-  The Science Show, ABC Radio National - Interview with Scientist on NASA funded project to build Raman Spectrometer for the 2009 Mars mission: a cellular phone size device to detect almost any substance known, with commercial <USD$5000 commercial spin-off, prototyped by June 2006.-  Raman spectroscopy for medical diagnosis from  the June 1, 2007 issue of Analytical Chemistryfix-attempted=yes -  Spontaneous Raman Scattering (SRS)