现代拉曼光谱（原著第2版）

拉曼光谱是研究分子结构和化学组成的有力工具，由于其快速、高灵敏度、检测用量少等优点，应用广泛。★拉曼光谱实验：拉曼实验仪器的选择，透射拉曼散射和空间偏移拉曼散射，样品的制备与处理，用于安装实验样品的配件，光纤耦合和波导管，显微技术，拉曼光谱仪的校准，实验数据的处理、呈现和样品的定量分析，样品的定性分析方法 ★拉曼光谱理论： 吸收和散射、系统状态与胡克定律、基本选择定则、振动数量和对称性、互斥规则、极化率、极化性测量、对称元素和点群、晶格模式 ★共振拉曼散射：基本过程、共振拉曼散射和普通拉曼散射的主要区别、强度增强、Franck Condon和Herzberg Teller散射、泛频峰、波长的影响、电子信息、实际应用★表面增强拉曼散射和表面增强共振拉曼散射：电磁增强和电荷转移增强、表面增强共振拉曼散射(SERRS)、选择定则、表面化学、基底、定量分析与复合检测★现代拉曼光谱的应用：无机物、矿物及环境分析，艺术和考古学，聚合物和乳液的定性分析和定量分析，染料和颜料，拉曼光谱在分析有色分子中的应用，电子领域，生物学和临床医学，制药领域，法医学领域，过程分析与反应跟踪★先进拉曼散射技术：柔性光学，空间分辨率，脉冲激光仪和可调谐激光仪，针尖增强拉曼散射（TERS）和近场光学显微镜(SNOM)，单分子测量，时间分辨散射，荧光抑制，拉曼光活性 ，UV激发 本书不仅可供从事化学分析和仪器分析、生物、制药、材料、电子、机械等行业的科研人员、技术人员和管理人员阅读，也可供高等学校分析化学、生物工程、制药工程、材料工程等相关专业的师生参考。

全书共分为三个部分7章。第一部分（第1章、第2章）介绍了拉曼光谱的基本理论和如何使用拉曼光谱；第二部分（第3～第5章）详细阐述了拉曼光谱理论、共振拉曼散射与普通拉曼散射的区别、表面增强拉曼散射和表面增强共振拉曼散射的原理和应用；第三部分（第6章、第7章）介绍了拉曼光谱分析技术的主要应用领域和前沿研究。纵观全书，内容系统全面，理论体系严谨，注重理论与实践的结合。本书不仅适合高等院校化学相关专业的研究生、本科生及老师阅读，同时对从事化学分析、光谱学研究、检测检验和材料学研究的技术人员、科研人员和管理人员来说也是一本非常有价值的参考书。

商照聪，上海化工研究院有限公司，博士研究生，教授级高工。教育背景：1994年本科毕业于华中农业大学土壤农化专业，1997年硕士研究生毕业于中国科学院沈阳应用生态研究所。2014年博士研究生毕业于中国科学院沈阳应用生态研究所。工作履历：毕业后一直从事肥料质量标准化与检测以及危险化学品分类鉴定科研与管理工作，现任上海化工研究院检测中心副主任，上海化学品公共安全工程技术研究中心副主任，国家化学品及制品安全质量监督检验中心和国家化肥质量监督检验中心（上海）副主任，兼任全国分子筛标准化分技术委员会主任委员和全国钾肥标准化分技术委员会秘书长，中国植物营养学会新型肥料委员会副主任委员，中国化学学会理事等。担任上海市危化品安全专家和环境保护安全专家。项目承担情况：近年来他组织承担了包括国家科技部、上海市科委在内的30多项科研项目；作为负责人承担了上海市经信委《土壤环境污染物快速鉴定和风险评估技术的研究》项目、上海市科委《污染场地现场快速检测评估及修复关键技术研究与示范》项目、上海市国资委《土壤污染综合评估体系建立及淋洗修复技术与设备研发》项目、上海市科委《上海市危险化学品分类鉴定及应急救援检测专业技术服务平台》项目。作为课题骨干参加化学品安全分类鉴定相关的“十一五”、“十二五”、“十三五”国家科技支撑项目等。

第1章  绪论001-017
1.1　概述 002
1.2　拉曼散射的发现 002
1.3　基本理论 002
1.4　分子振动 007
1.5　基团振动 010
1.6　拉曼光谱的基础解析 012
1.7　小结 017
参考文献 017

第2章  拉曼光谱实验019-065
2.1　概述 020
2.2　拉曼实验仪器的选择 020
2.3　透射拉曼散射和空间偏移拉曼散射 026
2.4　样品的制备与处理 027
2.4.1　样品的制备与安装——光学因素的影响 028
2.4.2　样品的处理 031
2.5　安装实验样品的配件 036
2.5.1　小纤维制品、薄膜、液体和粉末样品 036
2.5.2　温控池和压力池 036
2.5.3　薄膜、样品表面和催化剂在拉曼光谱实验中的特殊应用 037
2.5.4　反应池、流通池、样品转换器的自动安装 039
2.6　光纤耦合和波导管 041
2.7　显微技术 043
2.7.1　显微拉曼 043
2.7.2　实验样品光谱的深度解析 044
2.7.3　拉曼光谱成像 046
2.8　拉曼光谱仪的校准 049
2.9　实验数据的处理、呈现和样品的定量分析 051
2.9.1　光谱数据的处理 051
2.9.2　拉曼光谱的呈现方式 055
2.9.3　实验样品的定量分析 055
2.10　实验样品的定性分析方法 058
2.10.1　解析未知样品的拉曼光谱时需要考虑的因素 058
2.10.2　计算机辅助样品拉曼光谱定性解析 061
2.10.3　数据传输和交换的光谱格式 063
2.11　小结 064
参考文献 064

第3章  拉曼光谱理论067-087
3.1　概述 068
3.2　吸收和散射 068
3.3　系统状态与胡克定律 070
3.4　基本选择定则 072
3.5　振动数量和对称性 072
3.6　互斥规则 074
3.7　极化率 074
3.8　极化性测量 078
3.9　对称元素和点群 082
3.10　晶格模式 085
3.11　小结 086
参考文献 087

第4章  共振拉曼散射089-103
4.1　概述 090
4.2　基本过程 090
4.3　共振拉曼散射和普通拉曼散射的主要区别 091
4.3.1　强度增强 091
4.3.2　Franck Condon散射和Herzberg Teller散射 093
4.3.3　泛频峰 096
4.3.4　波长的影响 097
4.3.5　电子信息 098
4.4　实际应用 100
4.5　小结 103
参考文献 103

第5章  表面增强拉曼散射和表面增强共振拉曼散射105-131
5.1　概述 106
5.2　电磁增强和电荷转移增强 109
5.2.1　电磁增强 110
5.2.2　电荷转移或化学增强 114
5.2.3　表面增强拉曼散射过程的各个阶段 117
5.3　表面增强共振拉曼散射（SERRS） 118
5.4　选择定则 119
5.5　表面化学 121
5.6　基底 122
5.7　定量分析与复合检测 127
5.8　小结 130
参考文献 130

第6章  现代拉曼光谱的应用133-175
6.1　概述 134
6.2　无机物、矿物及环境分析 134
6.3　艺术和考古学 138
6.4　聚合物和乳液 139
6.4.1　概述 139
6.4.2　聚合物的定性分析 140
6.4.3　聚合物的定量分析 143
6.5　染料和颜料 143
6.5.1　拉曼光谱在分析有色分子中的应用 143
6.5.2　原位分析 145
6.5.3　偶氮染料互变异构的拉曼光谱分析 147
6.5.4　染料的多态性 148
6.6　电子应用 148
6.7　生物学和临床医学 153
6.8　制药领域 156
6.9　法医学 158
6.10　过程分析与反应跟踪 161
6.10.1　概述 161
6.10.2　电子和半导体 161
6.10.3　PCl3生产监测 162
6.10.4　二氧化钛的锐钛矿型和金红石型 162
6.10.5　聚合物和乳液 162
6.10.6　医药行业 164
6.10.7　固相有机合成/组合化学 164
6.10.8　发酵工业 165
6.10.9　气体 165
6.10.10　催化剂 166
6.10.11　核工业 168
6.11　小结 168
参考文献 169

第7章  先进拉曼散射技术177-203
7.1　概述 178
7.2　柔性光学 178
7.3　空间分辨率 182
7.4　脉冲激光仪和可调谐激光仪 185
7.5　针尖增强拉曼散射（TERS）和近场光学显微镜(SNOM) 191
7.6　单分子测量 194
7.7　时间分辨散射 194
7.8　荧光抑制 196
7.9　拉曼光活性 198
7.10　UV激发 200
7.11　小结 202
参考文献 203

附录　无机化合物的谱带位置表 205

译者前言拉曼光谱是一种基于拉曼散射的光谱学方法。从1923年斯迈克尔（A. Smekal）首先提出光的非弹性散射现象，到1928年拉曼（C.V. Raman）和克雷施南（K.S. Krishnan）通过实验观察到拉曼散射现象开始，拉曼光谱的研究发展至今已接近一百年。拉曼光谱可检测各种物理形态的样品，被广泛应用于预测化学结构和物理形态的信息、从特征光谱图（类似“指纹”）识别物质、定量或半定量测定样品中物质的含量等领域。近年来，随着电子学、光学和化学计量学的迅猛发展，以及光谱检测器的设计、软件、数据分析和克服干扰的能力等方面的改进，尤其是适用于恶劣环境的小型便携式拉曼光谱仪的出现，拉曼光谱的应用研究取得了长足进步，这些研究也为许多有趣而富有挑战性的问题提供了解决方案。英国斯特拉思克莱德大学（University of Strathclyde，UK）的Ewen Smith和英国曼彻斯特大学（University of Manchester，UK）的Geoffrey Dent主编的“Modern Raman Spectroscopy: A Practical Approach”一书，是一本全面介绍拉曼光谱基础理论、应用研究和发展前沿的著作。作为活跃在拉曼光谱学研究领域的权威学者，两位作者拥有丰富的阅历和独到的见解，也持续不断地跟踪拉曼光谱前沿技术的发展。在本书中，作者为初次接触和对拉曼光谱学感兴趣的读者介绍了拉曼光谱的基本原理和实验方法，帮助读者对基本理论和实践有更深刻的理解，能够有效地应用这项技术。对于对拉曼光谱学有一定基础的读者而言，作者用大量篇幅对拉曼光谱理论进行了详细阐述，并对拉曼散射技术尤其是表面增强拉曼散射（SERS）技术的发展和应用研究提供了丰富的信息，帮助读者理解拉曼光谱的优势和改进方向。同时，本书还提供了大量拉曼光谱学领域的参考文献，可以帮助读者进一步深入研究，探索拉曼光谱学更复杂和更广泛应用的巨大潜力。全书分为三个部分，共7章。第一部分（第1章、第2章）介绍了拉曼光谱的基本理论和如何使用拉曼光谱；第二部分（第3章～第5章）详细阐述了拉曼光谱理论、共振拉曼散射与普通拉曼散射的区别、表面增强拉曼散射和表面增强共振拉曼散射的原理和应用；第三部分（第6章、第7章）介绍了拉曼光谱分析技术的主要应用领域和前沿研究。纵观全书，内容系统全面，理论体系严谨，注重理论与实践的结合。本书是图书市场上不多见的系统性介绍拉曼光谱原理及应用的专业书籍，不仅适合高等学校化学相关专业的研究生、本科生及教辅人员阅读，同时对从事化学分析、光谱学研究、检测检验和材料学研究的技术人员来说也是一本非常有价值的参考书。本书的翻译工作由上海化工院检测有限公司和上海化工研究院有限公司组织完成，上海化工院检测有限公司是国内危险化学品分类鉴定领域的权威机构，长期从事拉曼光谱的应用研究，尤其是拉曼光谱在危险化学品快速筛查和识别方面的研究，已成功建立了10万条以上的化学品拉曼光谱数据库，并开发了自主知识产权的光谱比对算法和化学品快速识别系统。本次译稿的每个章节都经过多人的多遍阅读和修订，希望翻译工作能够让读者们满意。由于译者学识有限，加之书中涉及大量专业知识，译文中难免出现疏漏之处，敬请广大读者谅解并批评指正。译者2022年1月于上海前言自本书第一版出版以来，拉曼光谱的应用有了很大的发展。随着光学、电子学和数据处理技术的发展，以及制造商和光谱学家对相关技术的改进，拉曼散射变得更易记录且能提供更多的信息。一方面，小型便携式光谱仪越来越坚固耐用、可靠，而且价格也越来越低，有些甚至可用低电压（1.5 V）电池供电，在恶劣环境中也能发挥良好的性能；另一方面，先进的设备更加简单、灵敏、灵活和可靠，而且开发出很多新的方法可供使用。曾被贴上缺乏灵敏性标签的拉曼光谱技术，现在通过正确的使用方式，可用于单分子电子结构的探测或帮助诊断癌症，从而吸引了更多不同背景的用户进入该领域。我们编写本书的目的是为刚开始接触拉曼光谱的人员提供必要的知识，以帮助他们更有效地使用该技术。为了使读者更容易进行拉曼光谱的检测和解析，本书前几章主要阐述了基本理论和实践建议。对于对拉曼技术已经有深入理解的人来说，拉曼散射是一项非常丰富的技术，能够提供独特的信息，可以帮助研究人员以独特的视角来研究具体问题。尤其是对于那些有着广泛知识背景的读者，在写作过程中选择呈现哪些理论是一个艰难的选择。在展示理论是如何发展时，我们尽可能少用方程式，并有意将这些方程式放在介绍基本概念的章节之后。我们重点研究了分子的极化率，即控制强度的分子性质。方程式不涉及推导过程，仅用于解释，因此即使读者不懂数学，也能够理解得出的结论，而对数学感兴趣的读者，则可以使用这个框架进行深入的研究，从而进一步理解选择定则、共振拉曼散射和现代文献中的一些语言。虽然根据第一性原理推导散射理论有助于读者理解，但这并不是传统解析拉曼光谱的方法。经典物理学理论没有使用量子力学，无法提供大多数拉曼光谱学家所需的信息。因此，书中只给出了经典领域的文献，但是没有对相关理论进行解释。表面增强拉曼散射在已发拉曼散射论文中占比较大，并广泛应用于现代发展，因此，本书有一整章用于阐述该技术。为了让读者快速了解拉曼散射的主要应用领域，我们在最后两章介绍了性能更好的新技术并提出了很多建议。其中一些新技术因价格过高而不太普及，但如果持续改进，它们将很有可能变得更易应用。所以，读者都应该了解这些新技术的优势所在。在实际应用中，面临的困难之一是在频谱尺度描述方面是否符合IUPAC规则。波数偏移的方向应该是一致的，但在文献中并非总是如此。此外，拉曼散射表示的是一个激发频率的偏移，应该被标记为Δcm-1，但通常用cm-1表示而省略Δ。本书中，我们尽可能地使用用户常用于记录频谱或在文献中看到的格式。但是，我们在本书中列举的文献示例，其格式无法改变。因此，敬请完全遵守IUPAC规则的纯粹主义读者谅解。我们希望那些对拉曼光谱学产生兴趣或重拾兴趣的人，能够快速地从前两章内容中对其有进一步的了解。此外，希望他们能受到拉曼光谱技术简洁和信息内容的启发，进一步深入了解本书的其余部分，并探索拉曼光谱在更复杂领域的应用潜力。