说明：本文华算科技系统阐述了拉曼光谱的基本原理（拉曼散射、斯托克斯/反斯托克斯散射）及其增强技术（SERS），并详述了其应用。阅读此文，读者可掌握拉曼光谱如何通过分子振动特征（拉曼位移）实现物质结构与组成的无损、高灵敏度分析，为相关领域的微观机理研究与痕量检测提供关键方法学依据。
拉曼光谱基本原理
拉曼光谱的工作原理基于拉曼散射的非弹性光散射过程。当单色光（通常为激光）照射到样品分子时，光子与分子发生相互作用。
大多数光子会发生弹性散射（瑞利散射），即光子的频率保持不变。然而，少数光子会发生非弹性碰撞，导致光子的频率发生变化，这种频率变化的散射光称为拉曼散射。拉曼散射的频率变化（拉曼位移）与分子振动模式的能量差直接相关，形成拉曼散射光。
拉曼散射的频率变化（拉曼位移）可以通过以下公式来描述：
Δν = νincident – νscattered
其中，Δν是拉曼位移，νincident是入射光的频率，νscattered是散射光的频率。通过测量拉曼位移，能够揭示分子内部的振动模式，从而获得关于分子结构和化学环境的信息。
图1. 拉曼散射与瑞利散射过程示意图。DOI:10.1063/5.0047578
拉曼散射的类型
拉曼散射可根据频率变化的方向分为两种类型：斯托克斯散射（Stokes scattering）和反斯托克斯散射（Anti-Stokes scattering）。这两种散射模式的出现与分子内部振动或转动能级的跃迁有关。
斯托克斯散射：当分子吸收能量后，分子从基态或较低的振动能级跃迁到较高的振动能级。此时，散射光的频率低于入射光的频率，能量差表现为斯托克斯位移。斯托克斯散射的强度通常较大，因为在常温下，大部分分子处于较低的振动状态，容易吸收能量并跃迁到较高的能级。
反斯托克斯散射：与斯托克斯散射相对，反斯托克斯散射是指分子从较高的振动能级跃迁到较低的能级，散射光的频率高于入射光的频率，能量差表现为反斯托克斯位移。反斯托克斯散射的强度通常较弱，因为在常温下，大部分分子处于较低的能级状态，较高能级的分子较少。
图2. 受激拉曼散射（SRS）、电子预共振受激拉曼散射（EPR-SRS）和相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）的能级图。DOI: 10.1021/jacs.2c05359
表面增强拉曼光谱（SERS）
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种在传统拉曼光谱基础上发展而来的高灵敏度光谱技术，其增强机制主要源于金属纳米结构表面产生的局域表面等离子体共振（LSPR）效应。
该效应可极大增强局部电磁场强度，使吸附在金属表面（如银、金或铜纳米颗粒）上的分子拉曼散射信号被放大数十万至百万倍。此外，分子与金属表面之间的化学相互作用也可通过电荷转移（CT）过程对散射截面进行进一步增强。
SERS的核心特征在于可实现对超低浓度样品（甚至单分子水平）的检测，特别适用于痕量物质分析、复杂背景中的选择性识别以及原位、实时动态监测。
图3. SERS的电磁增强（EM）与化学增强（CE）机制示意图。DOI: 10.1021/acsomega.4c06398
拉曼光谱的应用
材料科学中的应用
拉曼光谱在材料科学中的应用依赖于其对晶格振动与分子结构高度敏感的光学原理。当激光照射材料时，分子或晶体的非弹性散射会产生特定拉曼位移，对应其声子模式或局域振动状态。这些谱峰可用于识别晶格缺陷、应力、掺杂、分子构型等微观结构特征。
在无机材料中，拉曼峰的位移与展宽反映晶格畸变与缺陷浓度；在聚合物中，不同键振动的信息揭示链结构、有序度和构象变化。对于纳米与二维材料，拉曼谱能反映尺寸效应、层数、缺陷密度及电子结构演化，是无损表征微观结构与相互作用的重要手段。
图4. （a）以六边形表示的谐波谱，其中 d 表示层间距的变化。（b）单层、双层和三层 YbOCl 的谐波谱。DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c05140
化学与催化反应的研究
拉曼光谱在催化反应研究中的核心优势在于其对分子振动模式变化的高度敏感性。催化过程中，反应物在催化剂表面的吸附、转化及中间体的生成都会引起化学键振动能级的改变，进而在拉曼光谱中体现为特征峰的位移、增强或衰减。通过追踪这些谱图变化，可识别反应中间体的种类、吸附方式及其转化路径。
拉曼技术支持原位与实时监测，使得催化剂表面活性中心的演化过程在实际反应条件下得以动态观测，为催化机理的解析与构效关系的建立提供了分子级证据。
图5. 原位拉曼光谱在（A，B，D，E）CuAg-4.33%和（C，F）Cu-0%上随施加的阴极电位变化而变化以检测反应中间体。DOI: 10.1002/cey2.648
生物医学中的应用
在生物医学中，拉曼光谱通过检测分子振动所产生的特征拉曼散射，实现对细胞、组织及生物分子的无标记、高分辨率分析。
激光照射后，分子与光子发生非弹性散射，形成特定频移，对应化学键的振动模式，如C–H、N–H、P=O等。这些谱带反映了分子结构与组成的微观差异。相较于荧光染色，拉曼光谱无需外部标记，避免了光漂白与非特异干扰，具有非侵入性和实时性。
在细胞、组织和体液检测中，尤其适用于识别分子异常、判别病理状态，推动精准诊断与无损监测的发展。
图6. Jurkat细胞活性的拉曼检测。DOI: 10.1016/j.bpj.2017.05.009
环境监测
在环境监测中，拉曼光谱依靠分子振动能级变化所产生的拉曼散射，实现对污染物的分子识别。其核心在于入射激光与分子相互作用后产生特征性拉曼位移，反映化学键的振动状态。
该技术对水质中的重金属离子、农药等目标分子具有高选择性和抗水干扰能力，可直接在水相中获取有效信号。在大气监测中，拉曼光谱可识别NO2、SO2等有毒气体的振动特征，同时解析颗粒物的分子组成。
通过引入表面增强机制（SERS），信号灵敏度可提升数百万倍，使痕量污染物检测成为可能。
图7. 螯合剂–金属离子复合物的SERS光谱分析。DOI: 10.1021/acs.est.5c07025
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