一文读懂拉曼（Raman）原理与应用！
拉曼光谱（Raman Spectroscopy）基于一种非弹性散射现象—拉曼散射，这项非破坏性技术因其一系列优点在化学、材料科学、生物医学和环境科学等多个领域得到广泛应用。
一
拉曼的基本原理
拉曼光谱（Raman）技术基于拉曼散射效应，即光子与物质分子发生非弹性碰撞后，散射光频率发生偏移的现象。其核心原理为：
入射光与分子相互作用：入射光子（频率ν₀）与分子碰撞后，部分光子能量转移至分子振动能级（斯托克斯线，频率ν₀-Δν），或从分子振动能级吸收能量（反斯托克斯线，频率ν₀+Δν）。
想象一下，你拿着一束光（通常是激光）去照射一个物体。这束光就像一群带着能量的小球，它们会和物体里的分子发生“亲密接触”。
大多数小球只是“弹弹跳跳”就离开了，没有获得能量也没有损失能量（弹性碰撞），这就是瑞利散射；但有一小部分小球在和分子“互动”后，带走或者留下一些能量（非弹性碰撞），然后以不同的颜色（波长）反射回来，这就是拉曼散射。
其中损失能量的小球频率会变小，波长变长，颜色会偏向红色，因此这种现象被称为“红移”，对应斯托克斯线；而获得能量的小球频率会变大，波长变短，颜色会偏向蓝色，因此这种现象被称为“蓝移”，对应反斯托克斯线。
这些反射回来的光，就包含了物体内部分子的信息，这就是拉曼光谱的来源。
分子“指纹”与拉曼位移：每个分子都有自己的结构和振动方式，就像每个人都有独特的指纹一样。
散射光与入射光的频率差（Δν）对应分子振动/转动能级变化，拉曼光谱能够捕捉到这些振动信息，形成特征光谱峰，反映化学键类型及分子结构。
拉曼散射强度约为瑞利散射的10-6，需通过高灵敏度探测器捕捉。其优势在于无需样品预处理、非破坏性、高空间分辨率，尤其适用于极性物质（如水）含量高的样品分析。
二
拉曼的技术应用
1. 材料科学
二维材料表征：MoS2层数分析、ReS2各向异性研究（偏振拉曼成像）。
纳米复合材料：碳纳米管/聚合物界面应力传递效率分析。
催化材料：Co-Mo/Al2O3催化剂中Mo多聚物含量与加氢脱硫选择性线性相关。
2.生物医学
药物分析：β-兴奋剂（克伦特罗）检出限低至2 μg/L，尿液样本检测时间
3.化学与食品安全
农药残留：表面增强拉曼技术（SERS）检测莱克多巴胺（0.1 mg/L）。
食品掺假：植物油中非法添加剂（如苏丹红）快速筛查。
环境监测：水污染中重金属离子（如Hg2+）痕量检测。
三
拉曼的测试细节
1. 仪器组成
拉曼光谱仪的核心模块包括：
激光光源：常用波长532 nm、785 nm，需根据样品荧光特性选择（如785 nm可减少生物样品荧光干扰）。
光学探头：物方数值孔径（NA≥0.33）决定信号收集效率，手持式设备采用摄远结构缩小体积。
分光系统：Czerny-Turner结构光栅光谱仪为主流，消像散设计可大幅提升分辨率。
探测器：面阵CCD（动态范围28000:1）结合Binning模式增强弱信号检测。
手持式拉曼系统：1-3：入口，4：光学镜面，5：光栅架，6：聚焦镜，7-10：探测器。
2. 样品制备
常规方法：固体样品可直接测试，液体需避免挥发（如密封载玻片）。
SERS基底：金属纳米粒子（如Au/Ag溶胶）产生的等离子体共振效应可将信号增强106–1012倍；植酸钠稳定剂可提升基底稳定性至4个月以上。
优化策略：滴涂法比分散法更易形成均匀纳米粒子层，30 μL溶液体积下信号最强。
3. 参数设置标准
光谱范围：常规为150–3200 cm-1，覆盖有机/无机物特征峰。
分辨率：高分辨模式下需平衡光栅刻线密度与探测器灵敏度。
激光功率与积分时间：生物样品宜用低功率（
四
图谱信息解读
1. 关键参数物理意义
峰位（Raman Shift）：直接对应分子振动模式。例如，MoS2的E2g和A1g峰间距（Δ19–25 cm-1）可判断层数。
峰强度：与物质浓度正相关。
半峰宽（FWHM）：反映晶体缺陷或应力。Cr掺杂BaTiO3中，FWHM随掺杂量增加而增大，指示晶格畸变。
2. 典型物质特征峰数据库
碳材料：单壁碳纳米管D峰（1350 cm-1）与G峰（1580 cm-1）强度比（ID/IG）反映缺陷密度。
爆炸物：硝酸酯类（850 cm-1）、硝基芳烃（1340 cm-1）具有特异性峰。
药物分子：如降糖药片通过特征峰匹配可实现真伪鉴别（灵敏度100%，准确度96.36%）。
五
案例分析
案例1：WTe2薄膜热稳定性研究
DOI: 10.7498/aps.71.20220712
实验背景：WTe2作为拓扑材料，其热稳定性对器件应用至关重要。
图谱解析
厚度依赖性（下图a）：当WTe2的厚度超过19 nm时，WTe2/Ti异质结的拉曼光谱与WTe2单晶纳米片的拉曼光谱基本一致，且未观察到新的拉曼峰出现，这表明在该厚度下，异质结及其界面并未发生显著变化。然而，随着WTe2层的厚度减小至18 nm，两个特征拉曼峰P4（约117.5 cm-1）和P5（约133.7 cm-1）开始减弱。当WTe2层的厚度进一步降至最薄的12 nm时，P4和P5峰几乎无法分辨，在约141.8 cm-1的位置附近似乎出现了微弱的新峰。
