名家专栏 | 拉曼光谱系列专栏—傅里叶变换拉曼光谱：探索微观世界的非破坏性工具

• 引言

傅里叶变换拉曼光谱技术（Fourier Transform Raman Spectroscopy, FT-Raman）是一种结合了拉曼散射效应与傅里叶变换技术的分析方法。它通过傅里叶变换处理干涉信号，显著提升了传统拉曼光谱的信噪比和分辨率，同时有效抑制了荧光干扰。随着科技的不断进步，傅里变换叶拉曼光谱技术在化学、材料科学、生物医药等多个领域得到了广泛的应用，为科学研究和技术创新提供了有力的支持。本文将精简介绍傅里变换叶拉曼光谱技术的基本原理、技术组成及其应用，为初步了解该领域的学生或研究人员提供关键信息。

• 基本原理

18世纪，傅里叶提出，“Any univariate function can be rewritten as a weighted sum of sines and cosines of different frequencies（任何单变量函数都可以写成一系列正弦函数和余弦函数的加权和）”。傅里叶变换的核心思想是将复杂的信号分解为一系列简单的正弦波或余弦波。构成原始信号的这些正弦波或余弦波各自具有不同的振幅和相位，*终呈现出的波形是它们在不同时间点产生强度的总和。异频成分越多，呈现出的信号就会越复杂。如果通过数学方法对包含多个频率信息的强度I-时间t函数进行一系列变换，可以得到一个与频率有关的复数函数，其中每一个点都对应于原始信号中频率的强度。经过傅里叶变换后的函数可以直接表现出信号在不同频率上的能量分布，从而简化分析过程并揭示信号的频谱特性。因此，傅里叶变换原理在量子力学、通讯、信号与图像处理等领域得到了广泛的应用。

1964年，G.W.Chatry和H.A.Gebble首次提出，利用干涉仪和傅里叶变换方法，结合近红外激发光源，可以实现具有广泛应用领域的拉曼光谱技术。传统的拉曼散射光谱仪一般是利用光栅分光系统的色散型光谱仪，傅里叶变换拉曼光谱仪使用干涉仪（如迈克尔逊干涉仪）取代传统拉曼光谱仪中的分光光栅。当激光与样品相互作用后，散射光进入干涉仪，形成包含所有频率信息的干涉信号（时域信号），即干涉图。

若入射光是波长为λi和亮度为Iλi的多色入射源，则其干涉图强度为：

其中∆为光程差。在发射谱为B(v)的激光光源入射的情况下，上式为：

其中第二项是光程差的函数，可写为：

经过傅里叶变换后，

因此，通过对光源发射谱的光强度I(∆)-∆曲线进行傅里叶余弦变换即可得到光源的发射谱。

三、主要技术组成

光源与样品相互作用：使用单波长线源（如激光器）作为光源，将分析物激发至虚拟激发态。激光束照射到样品上，样品分子吸收激光能量后发生振动和转动，进而产生非弹性的拉曼散射光。一般采用长波的近红外激光器激发。近红外激光光源的光子能量相对较低，只激发主要能级，可以较好地避免荧光效应，且不易损伤样品。

拉曼散射光收集：散射光经过光学系统收集后，通过迈克尔逊干涉仪动态测定干涉图。透镜将入射光准直成一束平行光投射到分光板G1。随后拉曼散射光被分为两束，一束到达动镜M1，另一束经反射到达定镜M2。两束光分别经过定镜和动镜反射后再回到分光板上汇合后射出。复合出射光因存在光程差而发生干涉。显然，干涉图是光强度I(∆)和光程差∆的函数。动镜以恒定速度前后移动，因此干涉图也是光强度和时间的函数。

傅里叶变换：携带样品特征信息的干涉光被光电检测器转为电信号。这些信号先被分解为不同频率的成分，然后采用傅里叶变换算法进行解析，将时间域的干涉图转化为强度-频率函数关系，即频率域的光谱图（如下图所示）。该过程通过计算机代数完成。

• 傅里变换叶拉曼光谱技术的优缺点

表1. 与传统拉曼技术的对比

四、傅里变换叶拉曼光谱技术的应用

傅里变换叶拉曼光谱技术以其高分辨率、高灵敏度以及宽光谱范围等特点，在多个领域得到了广泛的应用。在材料科学中，它可以用于材料表征和质量控制，如分析多晶硅、二氧化硅、纳米材料等物质的晶格振动和分子伸缩振动信息。在化学领域，傅里变换叶拉曼光谱仪可以用于化学成分和结构的分析，如聚合物、蛋白质、有机分子等的结构和组成研究。此外，傅里变换叶拉曼光谱在生物、医学领域也展现出了显著的重要作用。在环境科学中，傅里变换叶拉曼光谱仪可用于环境样品的快速检测和定量分析，如水、土壤、大气等污染物的实时监测和分析。

作者简介

作者：雷力，刘静仪

作者单位：四川大学原子与分子物理研究所

雷力，男，四川大学原子与分子物理研究所研究员，博士生导师。现任《光散射学报》编辑部主任、常务副主编，《高压物理学报》编委，中国物理学会光散射专业委员会委员，中国化学学会高压化学专业委员会成员。主要从事高压物理与化学研究，主要学术贡献：（1）提出“广义压强”概念，并给出物质在广义压强下的状态方程；（2）开发低温压缩拉曼光谱系统，用于在实验上确定材料在低温高压条件下的相边界；（3）发现新型高压固相复分解反应（HSM）与高压耦联反应（HPC）；（4）创建科研音乐化的“高压乐队”。

免责说明

北京卓立汉光仪器有限公司公众号所发布内容（含图片）来源于原作者提供或原文授权转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，北京卓立汉光仪器有限公司发布及转载目的在于传递 更多信息及用于网络分享。 

如果您认为本文存在侵权之处，请与我们联系，会第一时间及时处理。我们力求数据严谨准确，如有任何疑问，敬请读者不吝赐教。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。