Quang phổ Raman ngày nay được sử dụng như một kỹ thuật phổ biến để nghiên cứu các phương thức dao động của các phân tử. Phương pháp này do nhà vật lý người Ấn Độ C. V. Raman tìm ra. Yếu tố hạn chế của phương pháp này là các chế độ quay và các chế độ tần số thấp khác của hệ thống cũng có thể được quan sát thấy trong quá trình đo. Ngoài ra, phương pháp này có thể được coi là phương pháp vân tay cấu trúc trong hóa học vì các phân tử có thể được xác định từ các chếđộ dao động.
Cơ chế quang phổ Raman dựa trên một hiện tượng gọi là tán xạ Raman, là hiện tượng tán xạ không đàn hồi của các photon. Một nguồn ánh sáng đơn sắc, chẳng hạn như laser được sử dụng. Khi tia laser chạm vào mẫu, nó tương tác với các dao động phân tử, phonon hoặc các kích thích khác trong hệ thống, tạo ra sự khác biệt về năng lượng của nó. Trong khi đó, năng lượng của các photon laser có thể bị dịch chuyển lên hoặc xuống so với năng lượng của nguồn. Sự chuyển dịch năng lượng không phụ thuộc vào nguồn mà nó là đặc trưng của mẫu. Cụ thể, nó cung cấp thông tin về các chế độ dao động trong hệ thống bởi vì khi một chùm ánh sáng đơn sắc chiếu tới mẫu, một phần nhỏ của ánh sáng tán xạ bị dịch chuyển tần số do trao đổi năng lượng với các chế độ dao động của các phonon trong vật liệu. Khi một phần nhỏ của chùm tia tới nhận năng lượng từ sự dao động phonon trong vật liệu thì sinh ra tán xạ Anti-Stoke; ngược lại sẽ sinh ra tán xạStoke. Còn khi năng lượng của chùm tán xạ bằng với năng lượng ban đầu thì được gọi là tán xạRayleigh, được thể hiện trong hình 2.4. Sự dịch chuyển Raman có thểđược tính bằng một phương trình [57]
hc E hν
λ
27 0 m hc hc E λ λ ∆ = ± (2.12) 1 1 1 0 1 1 ( ) ( ) ( ) m E cm cm cm hc − λ − λ − ∆ = ± (2.13) Trong đó: λ0là bước sóng tới, m λ là bước sóng tán xạ E hc
∆ độ dịch chuyển Raman, đơn vị (cm-1)
Hình 2.4 Sơ đồ tán xạ Rayleigh và Raman [58]