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技术文章

拉曼散射和荧光
引 言
拉曼散射和荧光发射具有相似的起源，是两个相互竞争的过程。通常，激光光子与分子碰撞后一部分能量传递给分子振动（斯托克斯过程）。散射光子因而能量减小，相应的散射光表现为频率红移。不同的分子振动对应于不同的频率位移，从而给出分子的拉曼光谱，该光谱就蕴涵了该样品分子的特征信息。



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相比之下，荧光或发光发生在光吸收过程之后，下面图 1 给出了一个比较容易理解的解释。


要解释拉曼散射必须考虑到虚态，光子与分子相互作用，几乎不需要时间间隔就发生散射光子再发射现象，这个过程与虚态密切相关。

这种虚态的存在也能够解释为什么非共振拉曼效应不依赖于激发激光的波长，因为在此相互作用机制中并不涉及到任何真实能级。

事实上，拉曼光谱通常不依赖于激发激光。然而，当激发光子的能量接近两个电子态之间的跃迁能量时，就会出现共振拉曼或者共振荧光（如图1中d所示）。这两个过程之间的差别主要在于所涉及的时间尺度，以及所涉及的中间态的本质。与共振荧光不同，阶跃荧光的起因是：分子直接吸收一个光子后，从所在激发电子态的振动激发能级驰豫到振动*低能级，然后从该*低振动能级辐射光子。

一个典型的荧光过程需要10-9s以上的时间，与之不同的是，拉曼跃迁可以在1皮秒以内的时间内完成。毫无疑问，共振效应（共振拉曼或共振荧光）的存在与否取决于激发激光的波长。假如激发光子不能给分子提供足够的能量，相应的产生荧光的跃迁将不能发生。然而，如果产生了荧光，其强度将远远大于拉曼散射光，从而掩盖了拉曼信号的特征。但是，拉曼光谱能够提供比荧光光谱更多的信息，因而拉曼光谱学家一直致力于寻找避免荧光的方法。

选择激发激光波长是避免荧光辐射一种行之有效的方法。对于大多数样品而言，选择近红外或者紫外激光可以避免激发荧光。近红外激发下，激光光子没有足够的能量以激发出分子荧光；紫外激发下，虽然激发出分子荧光，但是荧光辐射和拉曼信号的能量相差甚多，因而可以在没有荧光干扰的情况

下面图中给出的几个实例证实了改变激发波长对于荧光辐射的影响效果，这凸显出对于每一种具体样品仔细选择适宜的激光波长的重要性。



有时，荧光来自于被污染的样品中所存在的杂质，或者来自于一种包裹物周围的本底物质。在这些情况下，对于固体样品使用拉曼显微镜，由于限制了获得拉曼信号的采集体积，从而可以避免或者*大限度减小荧光背底的强度。使用具有真共焦（针孔）配置的拉曼显微镜，通过减小共焦针孔直径，可以减小样品收集体积，从而避免不必要的荧光背底干扰。


结 论
虽然强烈的荧光辐射时常会导致难以获得有用的拉曼光谱，但是仍然存在几种方法来解决这个问题。当样品的荧光辐射出现在可见光范围内时，具有多种可选激发激光波长的拉曼仪器就拥有很大的优势。
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