拉曼光譜：材料的指紋檢測系統
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。
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。
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。
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：
- Wikipedia contributors. "C. V. Raman." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 11 Dec. 2022. Web. 19 Dec. 2022.
- Casiraghi, C. (2011). Raman intensity of graphene. physica status solidi (b), 248(11), 2593-2597.