紅外光譜和拉曼光譜的區別

在化學分析和材料表征中，紅外光譜（IR）和拉曼光譜（Raman）是兩種非常常見的分子振動光譜技術。它們看似相似：都可以提供分子結構信息，都基于分子振動與光的相互作用，也都能用于定性和定量分析。然而，它們的物理原理、實驗條件、適用范圍卻存在本質差異。

本文將從物理機制、譜圖特征、適用樣品、實驗條件等角度出發，深入淺出地對比紅外和拉曼兩種光譜技術，幫你厘清它們的異同和互補關系。

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一、不同的光譜“出身”：吸收與散射的本質區別

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，這是二者最本質的區別。

紅外光譜利用的是中紅外光照射樣品時，如果某個分子的振動頻率剛好與紅外光的頻率相匹配，它就會吸收這一頻率的光，導致透過或反射的光強減弱。在光譜圖上，我們看到的是一個個“吸收峰”，反映的是光被分子的振動模式所吸收。

拉曼光譜則屬于散射光譜。當單色光（通常是激光）照射樣品時，大多數光會發生彈性散射（瑞利散射），但有一小部分光會因為與分子振動能級發生能量交換而改變頻率——這種頻率改變就是拉曼散射。我們測量的就是這種頻率偏移的光，它反映了分子振動所“調制”光子的能量變化。

通俗地講：

紅外是看“光沒了多少”；

拉曼是看“光偏了多少”。

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二、選擇規則：偶極矩變化 vs 極化率變化

既然兩種光譜都能“聽見”分子振動，那么它們聽到的是同一個“聲音”嗎？并不是。

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

這就決定了兩者在實際檢測中會“關注”不同的分子振動模式。例如：

對稱振動往往在紅外中弱，但在拉曼中強；

非對稱振動在紅外中強，而在拉曼中可能弱或不可見。

這也是為什么紅外與拉曼往往被稱為互補技術：一個能看到對稱振動，一個能看到非對稱振動，把兩者聯合起來，能更全面地“還原”分子的振動全貌。

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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），樣品透過或反射后，通過干涉儀和探測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。由于拉曼信號極弱（只有百萬分之一左右的散射光發生拉曼位移），所以對光源穩定性、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分析，甚至能配合顯微鏡實現納米級別的成像。

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四、樣品要求與適用場景：誰更“挑剔”？

紅外光譜和拉曼光譜對樣品形態和性質的適應性也有所不同。

紅外光譜

更適合檢測有極性官能團的化合物（如羧酸、酰胺、醇等）；

樣品可為液體、薄膜、KBr壓片等，但水的強吸收常干擾信號；

對厚樣或反射面效果較差，表面靈敏度一般。

拉曼光譜

更適合檢測非極性分子、對稱結構（如C=C、芳香環）；

可以直接測量固體、液體甚至溶液中的樣品，對水不敏感；

適用于原位檢測、高通量篩選、表面增強分析（SERS）等。

特別是對于生物樣品或水體系中的分子，拉曼比紅外更有優勢；而對于復雜的有機官能團分子，紅外更容易識別特征峰。

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五、譜圖表現與數據解讀差異

在紅外譜圖中，橫坐標是波數（cm?1），縱坐標是吸光度或透過率。峰值位置反映分子的振動頻率，峰強與振動偶極矩變化有關。

在拉曼譜圖中，橫坐標是拉曼位移（cm?1），即激發光與散射光之間的頻率差。縱坐標是拉曼散射強度。譜圖往往對稱地分布在零位移的兩側（Stokes 與 Anti-Stokes 區域），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，因此在復雜體系中，拉曼更適合做結構指紋識別。

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六、聯合應用：化學分析的“雙保險”

在實際科研和工業應用中，紅外和拉曼常被聯合使用，以獲得更完整的分子振動信息。例如：

在藥物晶型分析中，紅外能判斷分子內氫鍵結構，拉曼能區分晶型變化；

在高分子材料表征中，紅外能識別官能團變化，拉曼能觀察骨架結構；

在原位反應監測中，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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