（一）拉曼光谱分析的基本原理
当样品暴露在单色光下时，大部分光线会穿透样品，一小部分光会被样品散射，从垂直于入射光的方向观察散射光。
入射光的特定频率为vi，如果散射光的频率vs与vi相同，那么这种散射称为瑞利散射（Rayleigh scattering）。
总散射光中，大约有1%的散射光与入射光频率不同，这部分散射光被称为拉曼散射（Raman Scattering）。
图1 单色光穿过样品时产生的瑞利散射和拉曼散射
拉曼散射可以看做是双光子过程，电子具有不同的振动能级，因而具有特定的能量差，当入射单色光与样本中的电子相互作用时，电子从入射光中光吸收能量，然后上升到虚能态，转移的能量为E=hvi，v为入射光的频率，然后电子损失能量，返回基态，如果损失的能量等于入射光的能量，hvs=hvi，电子回到初始能级，并在这个过程中释放一个另光子，该光子与入射光频率相同，因此出现瑞利散射。
图2 电子吸收能量后释放光子，光子频率与入射光不同时，即定义为拉曼散射
当样品中电子吸收入射光能量会降至与原来不同的振动能级，这样电子损失的能量就不同于从入射光吸收的能量，电子所释放的光子，频率就与入射光不同，这就是拉曼散射产生的原因。
根据电子末态能量（振动能级），拉曼散射可以分为斯托克斯线（stokes line）和反斯托克斯线（anti-stokes line） 。
图3 根据散射光子的频率拉曼散射可分为斯托克斯线反斯托克斯线
不同的分子，在经单色光照射时，会有不同的拉曼散射， 通过研究拉曼散射光的光谱，可以确定某个旋转能级，据此找到特定的分子，这就是拉曼光谱定性分析的依据。拉曼线的强度，可以确定样品中分子的浓度，据此可以进行定量分析。
图4 拉曼光谱分析仪的测试原理
图5 （a）拉曼原位测试平台；（b）测试平台零件和装配图
（二）拉曼光谱分析的常见应用
（1）物质组分分析。
是拉曼光谱最常见的应用，可以根据散射光谱直接分析物质的组分。
图6 CeO2, CuO, andCeCuOx晶体结构分析
（2）变温度场下的化学反应。
需要搭配控温平台实现，如搭配原位电加热装置和液氮冷却装置，可以原位检测温度变化场中的化学反应。
图7 甲醇制烯烃化学反应过程中SSZ-13 沸石表面的拉曼测试，（1） 在400nm光作用下随温度变化的拉曼光谱；（2）反应物和生成物质量随温度的变化规律
（3）电化学反应
电化学拉曼光谱是将拉曼光谱技术与电化学电极反应机理的研究相结合，可以用来测量溶液中电化学活性粒子的种类、浓度及其随时间、电极电势的变化，研究电极过程动力学和电极电解质溶液界面性质。
图8 Co(OH)2电极充放电循环期间原位拉曼光谱
参考资料：
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