印度物理學(xué)家拉曼于1928年用水銀燈照射苯液體，發(fā)現(xiàn)了新的輻射譜線：

在入射光頻率ω0的兩邊出現(xiàn)呈對(duì)稱分布的，頻率為ω0-ω和ω0 ω的明銳邊帶，這是屬于一種新的分子輻射，稱為拉曼散射，其中ω是介質(zhì)的元激發(fā)頻率。

拉曼因發(fā)現(xiàn)這一新的分子輻射和所取得的許多光散射研究成果而獲得了1930年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

與此同時(shí)，前蘇聯(lián)蘭茨堡格和曼德爾斯塔報(bào)導(dǎo)在石英晶體中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，即由光學(xué)聲子引起的拉曼散射，稱之謂并合散射。

我們來做個(gè)更為詳細(xì)的解釋：

當(dāng)來自光源的高強(qiáng)度入射光被試樣分子散射后，大多數(shù)散射光與入射激光具有相同的波長(zhǎng)(或顏色)，這種散射稱為瑞利散射。然而，還有極小一部分(大約占1/107散射光的波長(zhǎng)(或顏色)發(fā)生了改變，其波長(zhǎng)的變化由試樣分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，這部分散射光稱為拉曼散射。

拉曼散射(右下\紅色)和瑞利散射(右上\綠色)

拉曼譜圖通常由一定數(shù)量的拉曼峰構(gòu)成，每個(gè)拉曼峰代表了相應(yīng)的拉曼散射光的波長(zhǎng)位置和強(qiáng)度。

每個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)于一種特定的分子鍵振動(dòng)，其中既包括單一的化學(xué)鍵，例如C-C, C=C, N-O, C-H等；也包括由數(shù)個(gè)化學(xué)鍵組成的基團(tuán)的振動(dòng)，例如苯環(huán)的呼吸振動(dòng)，多聚物長(zhǎng)鏈的振動(dòng)以及晶格振動(dòng)等。

換句話說，拉曼光譜對(duì)于分子鍵合以及樣品分子的結(jié)構(gòu)非常敏感，每種分子或樣品都有其特定的拉曼光譜“指紋”。這些“指紋”可以用來進(jìn)行化學(xué)鑒別、形態(tài)與相、內(nèi)壓力/應(yīng)力以及組成成分方面的研究。

從弱到強(qiáng)逆襲的拉曼

? 激光光源

法國(guó)羅卡特、卡本斯以及美國(guó)伍德證實(shí)了拉曼的觀察研究的結(jié)果。然而到1940年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)槔?yīng)太弱(約為入射光強(qiáng)的10-6)，人們難以觀測(cè)研究較弱的拉曼散射信號(hào)，更談不上測(cè)量研究二級(jí)以上的高階拉曼散射效應(yīng)。并要求被測(cè)樣品的體積必須足夠大、無色、無塵埃、無熒光等等。

所以到40年代中期，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落。1960年以后，紅寶石激光器的出現(xiàn)，使得拉曼散射的研究進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期。由于激光器的單色性好，方向性強(qiáng)，功率密度高，用它作為激發(fā)光源，大大提高了激發(fā)效率。成為拉曼光譜的理想光源。

隨探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和對(duì)被測(cè)樣品要求的降低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來越受研究者的重視?，F(xiàn)代的拉曼均采用激光光源，許多情況下可以滿足測(cè)試需求。

? 增強(qiáng)技術(shù)

隨后出現(xiàn)的就是表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)技術(shù)，這讓拉曼逆襲成為高靈敏度儀器。

1974年，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士M.Fleischmann團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)了吡啶吸附的粗糙銀電極的表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)信號(hào)。表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)效應(yīng)是指在特殊制備的一些金屬良導(dǎo)體表面或溶膠中，在激發(fā)區(qū)域內(nèi)，由于樣品表面或近表面的電磁場(chǎng)的增強(qiáng)導(dǎo)致吸附分子的拉曼散射信號(hào)比普通拉曼散射(NRS)信號(hào)大大增強(qiáng)的現(xiàn)象。表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)技術(shù)克服了傳統(tǒng)拉曼光譜與生俱來的信號(hào)微弱的缺點(diǎn)，可以使得拉曼強(qiáng)度增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，其增強(qiáng)因子可以高達(dá)1014－1015倍，足以探測(cè)到單個(gè)分子的拉曼信號(hào)。但金、銀貴金屬限制了其的廣泛應(yīng)用。作為SERS創(chuàng)始人M. Fleischmann的弟子和繼承者，廈門大學(xué)田中群院士發(fā)現(xiàn)VIII B族過渡金屬元素具有弱的SERS效應(yīng)，系統(tǒng)發(fā)展了非傳統(tǒng)SERS 和電化學(xué)拉曼光譜實(shí)驗(yàn)和理論方法，顯著拓展SERS 方法普適性，推進(jìn)其應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

目前，出現(xiàn)SERS現(xiàn)象的金屬材料分別是幣族金屬金、銀、銅；堿性金屬鋰、鈉、鉀；部分過渡金屬鐵、鈷、鎳。

發(fā)展SERS各種基底材料與SERS機(jī)理的研究均在進(jìn)行，目前認(rèn)為SERS有電磁場(chǎng)增強(qiáng)，化學(xué)相互作用，化學(xué)增強(qiáng)等多種機(jī)理。

SERS目前的難點(diǎn)是：

（1）大都采用貴金屬，造價(jià)高難普及；

（2）還不夠穩(wěn)定重現(xiàn)；

（3）難以做多目標(biāo)檢測(cè)；

（4）金、銀、銅金屬尚需表面粗糙化處理之后才具有高SERS 活性，故表面科學(xué)界所常用的平滑單晶表面皆無法用SERS 研究。

針尖增強(qiáng)拉曼散射光譜(TERS)可以解決SERS的應(yīng)用受到材料，形態(tài)和分子通用性的限制。TERS采用尖銳的尖端，由Au或Ag組成或涂有Au或Ag。在一些情況下，Au或Ag納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)可以附著到AFM或SFM探針，尖端在合適的激發(fā)源激發(fā)下產(chǎn)生局部增強(qiáng)的電磁場(chǎng)。增強(qiáng)的電磁場(chǎng)可以將吸附的探針分子和表面的拉曼信號(hào)增強(qiáng)多達(dá)六個(gè)數(shù)量級(jí)。AFM和拉曼的聯(lián)用，同時(shí)也把空間分辨率大幅提高到亞納米級(jí)別。

? 物美價(jià)廉

另一項(xiàng)逆襲的重要原因就是物美價(jià)廉的便攜/手持拉曼的出現(xiàn)。

拉曼光譜的分類

拉曼光譜可分為四大類：便攜/手持拉曼；傅里葉拉曼；拉曼成像；在線拉曼。

其中，傅里葉拉曼雖然分辨率、測(cè)定適用性各項(xiàng)性能都挺好，好幾家都造出了傅里葉紅外拉曼一體機(jī)，但無奈其甘于中游，既沒有解決便攜和便宜的問題，也沒有解決最高端前沿的問題，因此市場(chǎng)越來越小。

傅里葉拉曼光路圖

便攜/手持拉曼是近年來發(fā)展最快的拉曼品種。

不怕水、透過包裝、貼近樣品快速測(cè)試的特性最早用于制藥業(yè)。由于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，當(dāng)時(shí)美國(guó)的企業(yè)尋找了中國(guó)的OEM/ODM企業(yè)，在市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的同時(shí)，中國(guó)也逐步掌握了便攜拉曼的核心技術(shù)。隨著價(jià)格的下降，國(guó)家安全領(lǐng)域大批采購便攜拉曼光譜儀，同時(shí)中國(guó)在SERS技術(shù)上的進(jìn)步，又帶動(dòng)了食品安全領(lǐng)域的廣泛采購。由于集成度非常高，很多科研單位的老師可以毫不費(fèi)力地購買集成模塊的微型光譜儀，再買來激光源、拉曼探頭、采樣支架就可迅速組裝出一臺(tái)拉曼光譜儀，來針對(duì)各類樣品開發(fā)拉曼原位快速測(cè)量的應(yīng)用。

便攜拉曼光路圖

拉曼成像包括三種，分別是：

（1）單點(diǎn)成像的顯微微區(qū)拉曼；

（2）對(duì)某區(qū)域進(jìn)行面成像的拉曼；

（3）共聚焦拉曼，可在XYZ方向觀測(cè)不同深度而成像。大多數(shù)拉曼成像的商品化儀器都是同光學(xué)顯微鏡聯(lián)用的，一個(gè)樣本可得到多種成像譜。

拉曼光譜的優(yōu)點(diǎn)

首先從光譜的通性來看，樣品制備簡(jiǎn)單或無需制備；不受樣品物質(zhì)形態(tài)的影響；對(duì)樣品無損傷；快速分析；維護(hù)成本低，使用簡(jiǎn)單。其次，拉曼獨(dú)有的特點(diǎn)是：分辨率高，特異性好(這點(diǎn)同紅外類似)；適合水樣品；能夠透過玻璃、塑封袋直接檢測(cè)；使用SRERS后還可大幅提升靈敏度；和AFM聯(lián)用后使用TERS技術(shù)不僅提高靈敏度還提高空間分辨率到亞納米。便攜拉曼的普及使價(jià)格大幅下降。

島津RM-3000便攜式拉曼光譜儀

拉曼光譜的不足與改進(jìn)

首先，普通拉曼信號(hào)弱，對(duì)深色樣品信號(hào)更弱(光大部分被吸收了)。

其次，由于均采用激光，對(duì)爆炸物分析不很友好，需降低激光能量，減少采集時(shí)間，當(dāng)然會(huì)損害靈敏度。

第三，各廠家的譜圖不統(tǒng)一各家均用自建譜庫，SERS技術(shù)重現(xiàn)性目前還不高，給標(biāo)準(zhǔn)化帶來挑戰(zhàn)。

第四，熒光背景干擾是個(gè)難點(diǎn)。消除熒光干擾的方法包括：

（1）做樣前采用強(qiáng)光照射法破壞熒光分子。加入熒光淬滅劑使得熒光熄滅。利用拉曼和熒光產(chǎn)生的時(shí)間不同，使用高頻調(diào)制的激光信號(hào)來分離拉曼和熒光信號(hào)。

（2）紫外/近紅外激發(fā)法：大部分物質(zhì)熒光主要在可見區(qū)(300 nm~700 nm)，使用紫外拉曼(如244 nm激發(fā))或近紅外拉曼(785、830、1064 nm激發(fā))可有效避開熒光干擾，缺點(diǎn)是紫外光可能導(dǎo)致樣品分解，近紅外光熱效應(yīng)較強(qiáng)且檢測(cè)器成本高。

（3）移頻激發(fā)法：使用兩個(gè)頻率相近的激光先后照射樣品，拉曼譜峰頻率與激發(fā)光頻率同步變化，而熒光光譜對(duì)激發(fā)光頻率改變不敏感。因此將兩組光譜信號(hào)差分處理可消除熒光干擾，然后通過算法可以從差分光譜重構(gòu)出拉曼光譜。

賽默飛DXR? 3 智能拉曼光譜儀

中國(guó)拉曼光譜的市場(chǎng)潛力和蓬勃生機(jī)，吸引了眾多著名企業(yè)，如安捷倫、海洋光學(xué)、安東帕、凱撒光學(xué)、布魯克、島津、耶拿等，他們相繼推出了最新的拉曼光譜產(chǎn)品，憑借核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)和跨國(guó)合作機(jī)會(huì)，占據(jù)了很大的市場(chǎng)份額。

為了打破進(jìn)口儀器壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的局面，國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)儀器發(fā)展，如清華大學(xué)、廈門大學(xué)、青島海洋所等都是產(chǎn)學(xué)研用的典范。國(guó)內(nèi)的同方威視、奧譜天成、如海光電、卓立漢光等企業(yè)，都開發(fā)出了頗具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的特色產(chǎn)品。

總體來說，目前國(guó)內(nèi)廠家自主研發(fā)的小型拉曼光譜儀的硬件水平已媲美甚至超過進(jìn)口品牌，但是在軟件、算法、譜圖庫的建設(shè)等方面，依然與國(guó)外存在一定的差距。

值得重點(diǎn)關(guān)注的是，我國(guó)首次制定并由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理局和國(guó)家準(zhǔn)備委員會(huì)共同頒布，福建省計(jì)量院、廈門大學(xué)等聯(lián)合同方威視、卓立漢光、奧譜天成、天美儀拓、如海光電、鑒知技術(shù)等十幾家企業(yè)共同起草的《GB/T 40219-2021 拉曼光譜儀通用規(guī)范》（2021年12月1日實(shí)施），對(duì)于我國(guó)拉曼市場(chǎng)的良性健康發(fā)展具有重要意義。GB/T 40219-2021對(duì)拉曼光譜儀器進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)范，它將有助于拉曼光譜的生產(chǎn)、使用和市場(chǎng)推廣，推動(dòng)行業(yè)的良性競(jìng)爭(zhēng)。

但是，對(duì)于拉曼光譜儀目前及未來拓展的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方向，目前的標(biāo)準(zhǔn)還不夠豐富全面，期待更多應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，為拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用“保駕護(hù)航”。