紅外光譜和拉曼光譜的區(qū)別

在化學(xué)分析和材料表征中，紅外光譜（IR）和拉曼光譜（Raman）是兩種非常常見(jiàn)的分子振動(dòng)光譜技術(shù)。它們看似相似：都可以提供分子結(jié)構(gòu)信息，都基于分子振動(dòng)與光的相互作用，也都能用于定性和定量分析。然而，它們的物理原理、實(shí)驗(yàn)條件、適用范圍卻存在本質(zhì)差異。

本文將從物理機(jī)制、譜圖特征、適用樣品、實(shí)驗(yàn)條件等角度出發(fā)，深入淺出地對(duì)比紅外和拉曼兩種光譜技術(shù)，幫你厘清它們的異同和互補(bǔ)關(guān)系。

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一、不同的光譜“出身"：吸收與散射的本質(zhì)區(qū)別

紅外光譜的原理是光的吸收，拉曼光譜的原理是光的非彈性散射，這是二者最本質(zhì)的區(qū)別。

紅外光譜利用的是中紅外光照射樣品時(shí)，如果某個(gè)分子的振動(dòng)頻率剛好與紅外光的頻率相匹配，它就會(huì)吸收這一頻率的光，導(dǎo)致透過(guò)或反射的光強(qiáng)減弱。在光譜圖上，我們看到的是一個(gè)個(gè)“吸收峰"，反映的是光被分子的振動(dòng)模式所吸收。

拉曼光譜則屬于散射光譜。當(dāng)單色光（通常是激光）照射樣品時(shí)，大多數(shù)光會(huì)發(fā)生彈性散射（瑞利散射），但有一小部分光會(huì)因?yàn)榕c分子振動(dòng)能級(jí)發(fā)生能量交換而改變頻率——這種頻率改變就是拉曼散射。我們測(cè)量的就是這種頻率偏移的光，它反映了分子振動(dòng)所“調(diào)制"光子的能量變化。

通俗地講：

紅外是看“光沒(méi)了多少"；

拉曼是看“光偏了多少"。

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二、選擇規(guī)則：偶極矩變化 vs 極化率變化

既然兩種光譜都能“聽(tīng)見(jiàn)"分子振動(dòng)，那么它們聽(tīng)到的是同一個(gè)“聲音"嗎？并不是。

紅外光譜能探測(cè)的振動(dòng)，必須是能引起分子偶極矩變化的振動(dòng)；而拉曼光譜能探測(cè)的振動(dòng)，必須是能引起分子極化率變化的振動(dòng)。

這就決定了兩者在實(shí)際檢測(cè)中會(huì)“關(guān)注"不同的分子振動(dòng)模式。例如：

對(duì)稱(chēng)振動(dòng)往往在紅外中弱，但在拉曼中強(qiáng)；

非對(duì)稱(chēng)振動(dòng)在紅外中強(qiáng)，而在拉曼中可能弱或不可見(jiàn)。

這也是為什么紅外與拉曼往往被稱(chēng)為互補(bǔ)技術(shù)：一個(gè)能看到對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，一個(gè)能看到非對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，把兩者聯(lián)合起來(lái)，能更全面地“還原"分子的振動(dòng)全貌。

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三、光源與儀器：紅外燈 vs 激光束

紅外光譜使用的是寬頻光源（如氙燈、紅外燈等），樣品透過(guò)或反射后，通過(guò)干涉儀和探測(cè)器分析光的吸收程度。

而拉曼光譜使用的是單色激光（通常是532 nm、633 nm 或 785 nm等），打在樣品上后收集散射光，并用光譜儀分析拉曼位移。由于拉曼信號(hào)極弱（只有百萬(wàn)分之一左右的散射光發(fā)生拉曼位移），所以對(duì)光源穩(wěn)定性、透鏡收集效率要求更高。

此外，由于激光具有高方向性和聚焦性，拉曼光譜非常適合做微區(qū)分析，甚至能配合顯微鏡實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的成像。

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四、樣品要求與適用場(chǎng)景：誰(shuí)更“挑剔"？

紅外光譜和拉曼光譜對(duì)樣品形態(tài)和性質(zhì)的適應(yīng)性也有所不同。

紅外光譜

更適合檢測(cè)有極性官能團(tuán)的化合物（如羧酸、酰胺、醇等）；

樣品可為液體、薄膜、KBr壓片等，但水的強(qiáng)吸收常干擾信號(hào)；

對(duì)厚樣或反射面效果較差，表面靈敏度一般。

拉曼光譜

更適合檢測(cè)非極性分子、對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)（如C=C、芳香環(huán)）；

可以直接測(cè)量固體、液體甚至溶液中的樣品，對(duì)水不敏感；

適用于原位檢測(cè)、高通量篩選、表面增強(qiáng)分析（SERS）等。

特別是對(duì)于生物樣品或水體系中的分子，拉曼比紅外更有優(yōu)勢(shì)；而對(duì)于復(fù)雜的有機(jī)官能團(tuán)分子，紅外更容易識(shí)別特征峰。

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五、譜圖表現(xiàn)與數(shù)據(jù)解讀差異

在紅外譜圖中，橫坐標(biāo)是波數(shù)（cm?1），縱坐標(biāo)是吸光度或透過(guò)率。峰值位置反映分子的振動(dòng)頻率，峰強(qiáng)與振動(dòng)偶極矩變化有關(guān)。

在拉曼譜圖中，橫坐標(biāo)是拉曼位移（cm?1），即激發(fā)光與散射光之間的頻率差。縱坐標(biāo)是拉曼散射強(qiáng)度。譜圖往往對(duì)稱(chēng)地分布在零位移的兩側(cè)（Stokes 與 Anti-Stokes 區(qū)域），但通常只記錄正向位移。

此外，紅外峰多但分辨率較低，而拉曼峰少但分辨率高，因此在復(fù)雜體系中，拉曼更適合做結(jié)構(gòu)指紋識(shí)別。

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六、聯(lián)合應(yīng)用：化學(xué)分析的“雙保險(xiǎn)"

在實(shí)際科研和工業(yè)應(yīng)用中，紅外和拉曼常被聯(lián)合使用，以獲得更完整的分子振動(dòng)信息。例如：

在藥物晶型分析中，紅外能判斷分子內(nèi)氫鍵結(jié)構(gòu)，拉曼能區(qū)分晶型變化；

在高分子材料表征中，紅外能識(shí)別官能團(tuán)變化，拉曼能觀(guān)察骨架結(jié)構(gòu)；

在原位反應(yīng)監(jiān)測(cè)中，紅外適合追蹤極性中間體，拉曼適合追蹤非極性小分子。

兩者如同“左手"和“右手"，在分子光譜分析中各司其職，配合默契。

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