拉曼光譜:材料的指紋檢測系統

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每個人擁有獨特的指紋,從過去到現在,辨別指紋成為警方緝凶的絕佳證據。不同的材料也擁有各自的「指紋」,因為原子間的鍵結會產生獨一無二的振動。拉曼光譜是透過光子射入材料與材料分子的交互作用,使得光子失去部分能量,再透過偵測光子的能量改變,可以進一步作為材料的辨別。這項技術被廣泛應用於奈米科技、食藥檢測、藝術保存及考古探究。

撰文|黃鼎鈞

 

拉曼光譜是一套檢測材料的利器,以1930年諾貝爾物理學獎得主,來自英屬印度的物理學家錢德拉塞卡拉・拉曼(Chandrasekhara Venkata Raman)所命名的光譜儀器。拉曼光譜是一個「光進光出」的過程,一個特定能量的光子射入材料後,光子與不同分子交互作用使得光子失去部分能量,當光子從材料射出後,透過檢測其能量的改變,就能依此特徵判斷材料。

光子與分子交互作用這個過程被稱為「非彈性散射」,其實就是光子與分子非彈性碰撞後的狀態。彈性碰撞是指兩個物體碰撞前後,總動能不變的過程,相反地非彈性碰撞則是兩物體在碰撞前後,總動能改變了,動能被轉換成內能,形成內能的因素眾多,如碰撞時產生熱效應或能量被原子吸收等等。

材料當中,原子之間會在平衡位置附近擺動,結構不同使得原子間的鍵結會被拉伸或扭曲,這些現象都會讓材料發出獨特的振動頻率,就像人類的指紋都不一樣,當光進入材料與其分子振動產生交互作用後,光會產生獨一無二的能量改變,便可作為不同材料的判讀依據。

圖1、英屬印度物理學家錢德拉塞卡拉・拉曼,研究光散射進而發展出拉曼光譜,並於1930年獲得諾貝爾物理學獎|圖片出處 Wikimedia Commons。

 

拉曼光譜需要什麼光源

為便利檢測光子能量的改變,光源的能量必須單一,也就是只能使用「單一波長」的光源,若是光源裡頭有著不同波長的光(如:日光燈),訊號過多則會很難判斷能量的改變,因此「雷射」成為拉曼光譜的最佳光源。

圖2、不同波長的雷射光,雷射光具有單一顏色,也就是單一波長光源的特性,並且具有極高的準直性。圖片出處 Wikimedia Commons 。

 

圖3、 此為氦氖雷射的光譜,其顏色為紅光,我們可以看見在波長為632.8 nm 處其峰值相當尖銳,也就是上文提及的「波長範圍十分狹窄」,因此若它的光能量被材料改變就會非常明顯,會很容易被觀測到。圖片出處 Wikimedia Commons。

 

雷射具備高度單色光的特性,除了單一光波長的特性以外,也具有非常狹窄的波長範圍(圖3),在資訊圖中峰值相當尖銳,所以當材料分子與光子產生震動時,可以判斷極微小的能量改變。若是波長範圍不夠狹小,能量改變的散射光可能就會被掩埋在原本的光子波長訊號之中,便無法順利判讀能量改變的差異(圖3若有許多大大小小的峰值將會很難比對差異)。不僅如此,雷射是高光強度的光源,並且有極高的準直性。高強度的特性就像是我們在燈光明亮的房裡看書,每一個字可以看得很清楚,若是房間燈光昏暗,看書就變得非常吃力,一樣的原理,因為雷射的高強度,我們可以更容易得到拉曼光譜產生的訊號。另一方面,雷射極高的準直性,讓科學家可透過透鏡組合將雷射聚焦,不僅可以增加光強度,還可以準確地將雷射光照射在正確的材料位置上,而且能在非常小的範圍進行量測,其聚焦可達到微米(micrometer)等級。

 

光打下去該怎麼看

拉曼光譜實驗結果圖中,X軸通常以波長的倒數呈現,因為波長的倒數與能量成正比,方便科學家判讀光子散射後的能量變化。Y軸則表示散色光強度,散色光的強度與所觀測的分子振動模式有關,若觀察到的散色光強度越大,表示振動模式存在的比例越高,也可以推論這個材料結構品質的優劣。

舉例來說(圖4),當我們以拉曼光譜檢測石墨稀時,石墨稀的特徵值會出現在大約1580cm-1 及 2680 cm-1 的地方,這兩個峰值分別代表石墨稀的平面振動,以及光子在石墨烯中產生的共振,透過研究這兩個特徵峰的相對強度及相對位置,可以進一步探索石墨稀的其他特性。

若兩個特徵峰強度微弱,則表示石墨稀雖然存在,但可能在此之中存在不少缺陷;若1560cm-1的特徵峰相對較強,2680cm-1 的特徵峰相對變弱,可能代表有多層的石墨稀存在。每個材料呈現的特徵具備不同的物理機制,裡面包含許多科學意義有待科學家探索。當然,若我們發現不該有峰值的地方出現訊號,可能該樣品遭受其他的污染。

圖4、此為拉曼光譜在石墨稀上的量測,為筆者於台大物理所實驗室所量測,可以看見在1580cm-1及2680cm-1的兩個特徵峰質,分別代表平面的振動及光子在石墨稀中產生的共振。

 

應用與限制

拉曼光譜是一項被廣泛使用的檢驗技術,分子結構測定、化學成分分析和識別樣品雜質及汙染,常被用以奈米科技製程、藥物和食品加工。拉曼光譜在環境工程中亦可檢測土壤成分,是一種簡便的監測工具。由於拉曼光譜屬於非破壞性檢測,甚至在考古學上,能夠識別手工藝品及畫作,有助於鑑定該物品的歷史,透過瞭解藝術作品使用的顏料,更加瞭解該如何保存文物。

事實上拉曼光譜也有限制,其檢測是出自於材料的振動,當一個材料結構太過複雜,擁有太多不同的化學鍵結時,便無法產生足夠強度的相同振動訊號,拉曼光譜便無法作為檢測。另外,若材料顏色太過透明,雷射光將會直接穿透過物質,而不會產生散色,也就無法觀測到訊號。整體來說拉曼光譜是一項非常強大的檢測工具,幫助各領域的科學家探索材料及鑑別物質,相信無論是在奈米科技或者考古探究,拉曼光譜都是非常重要的角色,使研究人員能快速的識別材料。

 

 

參考資料:

  1. Wikipedia contributors. "C. V. Raman." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 11 Dec. 2022. Web. 19 Dec. 2022.
  2. Casiraghi, C. (2011). Raman intensity of graphene. physica status solidi (b), 248(11), 2593-2597.
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