微型拉曼光谱仪的核心在于拉曼散射效应。当激光照射到样品表面时,绝大多数光子发生弹性散射,频率保持不变;仅有极少量光子与分子发生非弹性碰撞,能量发生交换,导致散射光的频率产生偏移。这一频率偏移量被称为拉曼位移,它只与分子的振动和转动能级有关,与入射光的波长无关。因此,每种物质都拥有的拉曼光谱,如同分子的"指纹",可用于快速定性鉴定与结构分析。与红外光谱相比,拉曼光谱对非极性键更加敏感,且不受水的干扰,适用范围更广。
光路结构上,微型拉曼光谱仪多采用Czerny-Turner型光栅分光结构,将各功能模块高度集成于小巧机身中。其光路主要由五部分组成:激光光源发出单色激发光,经聚焦后照射样品;样品产生的拉曼散射光被收集透镜汇聚;随后通过陷波滤光片滤除强度远高于拉曼信号的瑞利散射光;再经光栅分光系统将不同频率的散射光展开;最终由探测器接收并转化为光谱信号。单光栅方案结构简单、体积更小,双光栅方案则在分辨率上更具优势,设计者需在体积、分辨率与光谱范围之间做出权衡。
微型化的本质,是通过精密光学设计,将传统台式拉曼的分析能力浓缩进便携机身,使其能够走出实验室,应用于现场检测。