拉曼散射

  拉曼散射(Raman scattering),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散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年,印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律:散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i=1,2,3,…)的谱线,长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线,短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线;频率差vi 与入射光频率v0无关,由散射物质的性质决定,每种散射物质都有自己特定的频率差,其中有些与介质的红外吸收频率相一致。拉曼散射的强度比瑞利散射(可见光的散射)要弱得多。

    以经典理论解释拉曼散射时,认为分子以固有频率vi振动,极化率(见电极化率)也以vi为频率作周期性变化,在频率为v0的入射光作用下,v0与vi两种频率的耦合产生了v0、v0+vi和v0-vi3种频率。频率为v0的光即瑞利散射光,后两种频率对应拉曼散射谱线。拉曼散射的完善解释需用量子力学理论,不仅可解释散射光的频率差,还可解决强度和偏振等一类问题。

  拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段,在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率,并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。自激光问世以后,关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展,强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。

  拉曼散射共分为两类型:

   1、共振拉曼散射(resonance Raman scattering):当一个化合物被入射光激发,激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时,由于电子跃迁和分子振动的耦合,使某些拉曼谱线的强度陡然增加,这个效应被成为共振拉曼散射。

   共振拉曼光谱是激发拉曼光谱中较活跃的一个领域,原因在于:

(1)拉曼谱线强度显著增加,提高了检测的灵敏度,适合于稀溶液的研究,这对于浓度小的自由基和生物材料的考察特别有用;

(2)可用于研究生物大分子中的某一部分,因为共振拉曼增强了那些拉曼谱线是属于产生电子吸收的集团,其他部分可能因为激光的吸收而被减弱;

(3)从共振拉曼的退偏振度的测量中,可以得到正常拉曼光谱中得不到的分子对称性的信息。

   2、表面增强拉曼散射(SERS,surface-enhanced Raman scattering):当一些分子被吸附到某些粗糙的金属,如金、银或铜的表面时,它们的拉曼谱线强度会得到极大地增强,这种不寻常的拉曼散射增强现象被称为表面增强拉曼散射效应。