ラマン分光法の基本原理は、光と物質の相互作用、具体的には分子の光子の非弾性散乱に基づいています。通常、レーザー光源からの単色光線がサンプルと相互作用すると、散乱光のほとんどは入射光と同じ周波数になります。これはレイリー散乱として知られています。
ただし、散乱光のごく一部は、入射光子とサンプル内の分子の振動エネルギー レベル間のエネルギー交換により周波数シフトを示します。この現象はラマン散乱と呼ばれます。
ラマンスペクトルを取得するには、サンプルに単色レーザー光線を照射します。散乱された放射線は、感度の高い検出器を備えた分光計を使用して適切な角度 (通常は 180°) で収集されます。周波数シフトされた散乱光を波長または波数の関数として測定すると、サンプルのラマンスペクトルが得られます。
共鳴ラマン散乱は、励起波長が分子の電子遷移に近い場合に発生します。これによりラマン散乱の強度が高まり、弱い信号でも検出しやすくなります。ただし、ラマン信号を圧倒する可能性のある蛍光干渉を回避するには、適切な励起波長を選択することが重要です。多くの場合、蛍光を最小限に抑えるために近赤外または可視レーザーが使用されます。
分子が光子を吸収すると、一時的に仮想エネルギーレベルに上昇します。この仮想状態は短命で、分子は光子を放出することですぐに振動エネルギー レベルに戻ります。入射光子と放出光子のエネルギー差は、分子の振動エネルギー レベルに対応します。
ラマン散乱には、ストークス散乱と反ストークス散乱の 2 種類があります。ストークス散乱では、放出光子のエネルギーは入射光子よりも低く (波長が長い)、反ストークス散乱では、放出光子のエネルギーは高くなります (波長が短い)。
非弾性散乱放射の周波数シフトは、分子の振動周波数に対応します。これらの周波数シフトを分析することで、サンプルの分子構造と化学組成に関する貴重な情報を得ることができます。
ラマンスペクトルは通常、強度と波数 (波長の逆数) のグラフとして表されます。スペクトルのピークは、サンプル内の分子の特定の振動モードを表し、識別のための固有の「指紋」を提供します。
四塩化炭素のサンプルを考えてみましょう。単色レーザーを照射すると、ストークス散乱と反ストークス散乱の両方が発生します。室温では、基底振動状態の分子の数が励起状態の分子の数よりも多いため、ストークス信号の強度は反ストークス信号よりも強くなります。
四塩化炭素のラマンスペクトルを分析することで、振動モードを識別できます。これらの振動モードに関連する周波数シフトは、分子の化学組成と結合に関する貴重な情報を提供します。
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