红外光谱和拉曼光谱的区别

在化学分析和材料表征中，红外光谱（IR）和拉曼光谱（Raman）是两种非常常见的分子振动光谱技术。它们看似相似：都可以提供分子结构信息，都基于分子振动与光的相互作用，也都能用于定性和定量分析。然而，它们的物理原理、实验条件、适用范围却存在本质差异。

本文将从物理机制、谱图特征、适用样品、实验条件等角度出发，深入浅出地对比红外和拉曼两种光谱技术，帮你厘清它们的异同和互补关系。

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一、不同的光谱“出身”：吸收与散射的本质区别

红外光谱的原理是光的吸收，拉曼光谱的原理是光的非弹性散射，这是二者最本质的区别。

红外光谱利用的是中红外光照射样品时，如果某个分子的振动频率刚好与红外光的频率相匹配，它就会吸收这一频率的光，导致透过或反射的光强减弱。在光谱图上，我们看到的是一个个“吸收峰”，反映的是光被分子的振动模式所吸收。

拉曼光谱则属于散射光谱。当单色光（通常是激光）照射样品时，大多数光会发生弹性散射（瑞利散射），但有一小部分光会因为与分子振动能级发生能量交换而改变频率——这种频率改变就是拉曼散射。我们测量的就是这种频率偏移的光，它反映了分子振动所“调制”光子的能量变化。

通俗地讲：

红外是看“光没了多少”；

拉曼是看“光偏了多少”。

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二、选择规则：偶极矩变化 vs 极化率变化

既然两种光谱都能“听见”分子振动，那么它们听到的是同一个“声音”吗？并不是。

红外光谱能探测的振动，必须是能引起分子偶极矩变化的振动；而拉曼光谱能探测的振动，必须是能引起分子极化率变化的振动。

这就决定了两者在实际检测中会“关注”不同的分子振动模式。例如：

对称振动往往在红外中弱，但在拉曼中强；

非对称振动在红外中强，而在拉曼中可能弱或不可见。

这也是为什么红外与拉曼往往被称为互补技术：一个能看到对称振动，一个能看到非对称振动，把两者联合起来，能更全面地“还原”分子的振动全貌。

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三、光源与仪器：红外灯 vs 激光束

红外光谱使用的是宽频光源（如氙灯、红外灯等），样品透过或反射后，通过干涉仪和探测器分析光的吸收程度。

而拉曼光谱使用的是单色激光（通常是532 nm、633 nm 或 785 nm等），打在样品上后收集散射光，并用光谱仪分析拉曼位移。由于拉曼信号极弱（只有百万分之一左右的散射光发生拉曼位移），所以对光源稳定性、透镜收集效率要求更高。

此外，由于激光具有高方向性和聚焦性，拉曼光谱非常适合做微区分析，甚至能配合显微镜实现纳米级别的成像。

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四、样品要求与适用场景：谁更“挑剔”？

红外光谱和拉曼光谱对样品形态和性质的适应性也有所不同。

红外光谱

更适合检测有极性官能团的化合物（如羧酸、酰胺、醇等）；

样品可为液体、薄膜、KBr压片等，但水的强吸收常干扰信号；

对厚样或反射面效果较差，表面灵敏度一般。

拉曼光谱

更适合检测非极性分子、对称结构（如C=C、芳香环）；

可以直接测量固体、液体甚至溶液中的样品，对水不敏感；

适用于原位检测、高通量筛选、表面增强分析（SERS）等。

特别是对于生物样品或水体系中的分子，拉曼比红外更有优势；而对于复杂的有机官能团分子，红外更容易识别特征峰。

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五、谱图表现与数据解读差异

在红外谱图中，横坐标是波数（cm⁻¹），纵坐标是吸光度或透过率。峰值位置反映分子的振动频率，峰强与振动偶极矩变化有关。

在拉曼谱图中，横坐标是拉曼位移（cm⁻¹），即激发光与散射光之间的频率差。纵坐标是拉曼散射强度。谱图往往对称地分布在零位移的两侧（Stokes 与 Anti-Stokes 区域），但通常只记录正向位移。

此外，红外峰多但分辨率较低，而拉曼峰少但分辨率高，因此在复杂体系中，拉曼更适合做结构指纹识别。

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六、联合应用：化学分析的“双保险”

在实际科研和工业应用中，红外和拉曼常被联合使用，以获得更完整的分子振动信息。例如：

在药物晶型分析中，红外能判断分子内氢键结构，拉曼能区分晶型变化；

在高分子材料表征中，红外能识别官能团变化，拉曼能观察骨架结构；

在原位反应监测中，红外适合追踪极性中间体，拉曼适合追踪非极性小分子。

两者如同“左手”和“右手”，在分子光谱分析中各司其职，配合默契。