拉曼散射是基于光子與分子中的電子云及分子鍵結的相互作用[圖1(a)]。對于自發拉曼效應，光子將分子從基態激發到一個虛擬的能量狀態。當激發態的分子放出一個光子后并返回到一個不同于基態的旋轉或振動狀態。在基態與新狀態間的能量差會使得釋放光子的頻率與激發光線的波長不同。

入射的激光可以表達為：

公式 1

其中ω為分子振動的頻率

則分子的誘導電偶極矩可以表達為：

公式 2

其中α為分子極化率

由于分子的振動，原子核的位置可以表達為:

公式 3

其中ν為分子的振動頻率

分子的極化率與分子的原子核的位置有關。可以表達為：

公式 4

因此誘導偶極矩可以進一步表達為：

公式 5

把方程1帶入方程5，可以得到：

公式 6

光經過樣本產生的散射與P成正比。所以從P我們就可以直接得到散射光譜的組分。

第一項為瑞麗散射，散射光子的頻率與入射光子的頻率相同。

第二項與第三項統稱為拉曼散射，散射光子的頻率與入射光子頻率不同，頻率的差等于分子的振動頻率。其中第二項為斯托克斯散射，當分子與入射光子作用時，分子處于基態，在發生拉曼散射以后，分子在入射光作用下激發到振動激發態。因此斯托克思散射光子的頻率低于入射光子的頻率。而第三項對應的是反斯托克斯拉曼散射，當分子與入射光子作用時，分子處于振動激發態，當發生拉曼散射以后，分子回到基態。分子振動的能量轉移到散射的光子上，因此，反斯托克斯光子的頻率高于入射光子的頻率。圖1(b)展示了瑞麗散射與拉曼散射的能級圖。

圖1 （a）拉曼散射與瑞麗散射 （b）拉曼散射、瑞麗散射與紅外吸收的能級圖

拉曼信號十分微弱，大概每10E7~10E8個入射的光子，只有1個光子發生拉曼散射過程[1]。因而拉曼光譜技術對于探測器的靈敏度有較高的要求。此外拉曼散射信號的強度是與散射光波長的四次方成反比。

#拉曼光譜的信息

由于分子內一般會有多個分子鍵，每個分子鍵也會有多種振動模式（伸展，擺動，剪式運動等）。不同分子鍵的不同的振動模式的振動頻率不同，因而分子的拉曼光譜是一個多峰的光譜。圖2是老鼠骨頭的拉曼光譜[2]，可以看到分子內不同的化學鍵可以在拉曼光譜中清楚的區分開來。

圖2 老鼠皮質骨拉曼光譜

拉曼峰的強度正比于激發區域內被激發的分子鍵個數，此外拉曼光譜的峰值與強度還受到環境因素的影響。因此從拉曼光譜中，我們可以得到分子的種類與濃度，樣本所受到的壓力以及樣本的相與形態等信息。

拉曼光譜圖的坐標橫軸單位一般是波數（cm-1）,是通過1/拉曼信號波長-1/激發光波長然后將單位換算為cm-1得到的。比如785nm激發時，1010.22nm的拉曼信號對應著2840cm-1的拉曼光譜。

#拉曼光譜的優缺點

拉曼光譜的峰寬度FWHM可以窄達4cm-1（0.3nm）[3]，因而相比于光譜寬度很寬的熒光光譜（~30nm）有更好的特異性，從光譜本身就有可能得到分子組分，分子振動的信息。拉曼光譜的窄光譜特性還使其更適合進行多組分分析。拉曼光譜信號完全是來自于樣本分子振動本身，不需要對樣本進行染色等預先處理，因而適合無損的、活體的檢測實驗。與另外一種經常用于探測分子振動的技術-紅外光譜技術相比，由于拉曼光譜技術的激發光一般在可見光與近紅外，因此拉曼光譜技術不像紅外光譜技術一樣容易受到水的影響，因而更適合用于溶液探測，含水的樣本探測。

不過拉曼信號十分微弱，相比于瑞麗散射弱107倍，相比于熒光蛋白的熒光信號也弱了有105-106倍。因而拉曼光譜技術對于探測器的靈敏度，信噪比有很高的要求。此外，對于生物樣本，拉曼信號常常是疊加于較強熒光信號之上的，為了減少熒光信號的影響，常采用785nm光進行激發[4]，而此時拉曼信號的波長就會覆蓋到~1000nm。因而生物拉曼系統中，對于探測器的動態范圍，近紅外的響應也有較高的要求。下面表格總結了三種最常見的光譜技術：拉曼光譜，紅外光譜，熒光光譜技術的對比。

審核編輯黃宇