拉曼光譜學(xué)概述

拉曼光譜技術(shù)通過從分子散射的百萬分之一光子，從而探測分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。與紅外光譜法不同，不需要樣品制備，也不會由于樣品中的水分而產(chǎn)生干擾?？梢允褂梅瞧茐男缘膬x器在現(xiàn)場對樣品進(jìn)行分析。

因此，拉曼光譜技術(shù)在工藝和制藥檢測、半導(dǎo)體加工質(zhì)量控制和生物技術(shù)等領(lǐng)域已成為鑒定和分析的熱門技術(shù)。它還被用于許多研究領(lǐng)域，包括碳納米材料。

采用高功率激光器獲取強(qiáng)度極低的拉曼信號，需要具有高效率和高激光損傷閾值的光學(xué)濾光片。與低成本濾光片相比，具有陡峭邊緣的長通濾光片可提供更多的拉曼光譜信息，而高質(zhì)量短通濾光片可獲取有用的反斯托克斯光譜。

1.相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）

相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）是一種非線性四波混頻過程，用于增強(qiáng)弱（自發(fā)）拉曼信號。在CARS過程中，泵浦激光束（在頻率泵浦下）和斯托克斯激光束（在Stokes處）相互作用，在CARS=2pump-Stokes頻率下產(chǎn)生反斯托克斯信號。斯托克斯光束（Stokes）通常由Nd：釩酸鹽激光器的1064nm線提供，該激光器還用作光參量振蕩器（OPO）的泵浦源，而OPO（680-1010nm）的輸出用作泵浦光束（泵浦）。當(dāng)泵浦光和斯托克斯光之間的頻率差（拍頻）與（拉曼主動(dòng)）振動(dòng)模式（例如，在約2800cm-1處的CH2對稱拉伸模式）的頻率匹配時(shí)，分子振蕩器將被相干驅(qū)動(dòng)。這導(dǎo)致增強(qiáng)的反斯托克斯（較短波長）拉曼信號，這是提高CARS顯微鏡振動(dòng)對比度的基礎(chǔ)。

細(xì)胞生物學(xué)和組織成像是CARS顯微鏡技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)重要領(lǐng)域。通常，使用熒光顯微鏡進(jìn)行細(xì)胞詢問。使用CARS，可以進(jìn)行亞微米級的化學(xué)特異性無標(biāo)簽成像。迄今為止，CARS顯微鏡已顯示出其在脂類代謝，細(xì)胞器運(yùn)輸和活組織中藥物擴(kuò)散（藥代動(dòng)力學(xué)）研究中的潛力。CARS顯微鏡也已發(fā)現(xiàn)可用于臨床應(yīng)用，并且已經(jīng)證明了健康腦組織中腫塊的視頻速率成像。

圖2：來自固定組織樣品的棕櫚酸膽固醇酯的CARS顯微鏡圖像。

左側(cè)的圖像是使用CARS顯微鏡實(shí)驗(yàn)中常用的發(fā)射濾光片獲得的。右側(cè)的圖像是使用Semrock部件FF01-625/90獲得的，在相同的樣品ROI上顯示出增強(qiáng)的圖像對比度。采集這些圖像時(shí)，使用相同的激光強(qiáng)度和PMT設(shè)置。

2.綠色光子拉曼光譜

當(dāng)大多數(shù)人聽到“綠色光子學(xué)”一詞時(shí)，他們立即想到綠色激光筆。然而，綠色光子學(xué)不僅僅是波長在500至550nm之間的激光束。化石燃料的枯竭對我們的能源供應(yīng)構(gòu)成威脅，要求在能夠維持我們當(dāng)前以技術(shù)為動(dòng)力的生活方式的技術(shù)開發(fā)方面進(jìn)行創(chuàng)新。光子技術(shù)將在這一領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，并且已經(jīng)在許多計(jì)劃的較前沿，從用于太陽能捕獲的光伏材料的基礎(chǔ)研究到創(chuàng)新型低功率照明的發(fā)展。

在Semrock，我們正越來越多地參與這一“綠色”革命，與研究實(shí)驗(yàn)室和制造商合作，為他們提供可滿足其研發(fā)需求的光學(xué)濾光片。Semrock在太陽能電池檢查領(lǐng)域里扮演關(guān)鍵角色。

拉曼光譜技術(shù)檢測太陽能電池

光收集技術(shù)（例如太陽能電池）的目標(biāo)是收集盡可能多的陽光并將其有效轉(zhuǎn)換為有用的電能。開發(fā)基于硅的高轉(zhuǎn)換效率太陽能電池是當(dāng)前光伏（PV）技術(shù)的核心。為了獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，需要高度結(jié)晶，無缺陷和無應(yīng)變的硅膜/層。然而，同樣具有挑戰(zhàn)性的是采用可靠且定量的分析工具來監(jiān)視和了解硅材料在制造后的性能。

拉曼光譜技術(shù)是一種這樣的工具，其廣泛用于太陽能電池工業(yè)中以監(jiān)測為PV電池制造的硅的質(zhì)量。了解材料的結(jié)晶度對于由單晶硅制造的太陽能電池至關(guān)重要，因?yàn)榉蔷Ч璧拇嬖跁?dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低。拉曼光譜技術(shù)是區(qū)分和定量硅中結(jié)晶度的非常好的工具。在晶體硅中，鍵角，鍵強(qiáng)度和鍵能量非常均勻且有序。結(jié)果，高度結(jié)晶的硅具有非常尖銳的峰，例如中心在520cm-1處的峰。在非晶硅中，鍵角、鍵強(qiáng)度和鍵能量會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致480cm-1附近的寬擴(kuò)散光譜特征。通過拉曼測量，可以從拉曼峰強(qiáng)度的比值I520/I480建立定量結(jié)晶級分的圖像。

量化太陽能電池材料中的熱應(yīng)力和界面應(yīng)力的能力至關(guān)重要。應(yīng)力會很大地影響PV電池的轉(zhuǎn)換效率。因此，了解應(yīng)力的位置，應(yīng)力如何影響電池性能以及如何控制應(yīng)力以提高工藝產(chǎn)量至關(guān)重要。拉曼光譜技術(shù)通過監(jiān)測樣品上520cm-1峰的光譜位置，可直接測量硅基太陽能電池中的應(yīng)力（或應(yīng)變），從中可以生成亞微米空間分辨率的應(yīng)力圖。結(jié)果，拉曼光譜技術(shù)提供了對太陽能電池加工的直接了解，并防止效率較低的電池脫離生產(chǎn)。

圖1：繪制硅中的應(yīng)力圖：通過監(jiān)測拉曼峰的位置而產(chǎn)生的應(yīng)力圖，該拉曼峰的中心距硅晶片中的激光鉆孔約520cm-1。結(jié)果，工程師可以評估產(chǎn)生較低應(yīng)力并保持高轉(zhuǎn)換效率的確切鉆孔參數(shù)。

太陽能電池的替代材料和經(jīng)過高度研究的材料是碳化硅和銅銦鎵二硒化物或CIGS。鑒于CGIS是一種合金，因此可以使用每種成分的不同混合物來制造。高性能拉曼光譜儀使用具有陡峭邊緣和小過渡寬度的濾光片，使人們可以檢測到比硅的520cm-1峰更近（<190cm-1）的低能振動(dòng)模式。通過監(jiān)測172cm-1附近的拉曼峰，可以量化銦和鎵的濃度，并在整個(gè)CIGS薄膜上生成合金異質(zhì)性圖。

圖2：替代太陽能材料的拉曼光譜：使用高性能邊緣濾光片的拉曼光譜可用于準(zhǔn)確監(jiān)控銅銦鎵二硒（CIGS）太陽能電池膜中的銦和鎵合金成分。

3.高性能拉曼光譜

拉曼光譜通過其振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)能級結(jié)構(gòu)可以檢測和識別分子。與熒光方法不同，熒光方法需要添加單獨(dú)的熒光分子作為附著在實(shí)際感興趣分子上的“標(biāo)簽”，而拉曼光譜技術(shù)可以直接檢測分子而無需化學(xué)改變。然而，另一個(gè)重要的區(qū)別是，散射的拉曼信號（占激發(fā)功率的百分比）比相應(yīng)的熒光信號弱幾個(gè)數(shù)量級。因此，通常將激光用作激發(fā)源以在緊密聚焦的光斑中提供高功率，并且使用非常靈敏的檢測器來檢測非常微弱的信號。因此，出色的過濾對于阻擋非常強(qiáng)的激光至關(guān)重要，同時(shí)仍然允許稍微移動(dòng)波長的拉曼散射信號的高透射率。

Semrock備有廣泛的拉曼光譜邊緣濾光片選擇，其邊緣波長為224至1550nm。這些濾光片非常陡峭并具有高透射率，以至于它們甚至比全息陷波濾光片還要好，但價(jià)格不到其一半。現(xiàn)在，您可以看到比以往任何時(shí)候都更接近激光線的弱信號。憑借其深激光線阻擋，超寬和低波紋通帶，成熟的硬涂層可靠性以及較高的激光損傷閾值，它們可以提供持續(xù)的性能。

為了防止激光到達(dá)檢測器并淹沒相對較弱的拉曼信號，我們提供了單陷波濾光片和多陷波濾光片的集合，它們會阻擋一條或多條激光線同時(shí)在兩側(cè)傳輸光。對于有區(qū)別的拉曼測量，請使用匹配的MaxLine™激光線濾光片消除激光光譜，從而消除激光光譜噪聲泄漏。

4.受激拉曼散射（SRS）

在SRS顯微鏡中，像CARS顯微鏡一樣，泵浦和斯托克斯光子都入射到樣品上。如果頻率差SRS=泵-斯托克斯（Stokes）匹配分子振動(dòng)（vib），則會發(fā)生振動(dòng)過渡的受激激發(fā)。與CARS不同，在SRS中，沒有與激光激發(fā)波長不同的波長的信號。取而代之的是，泵浦波長處的散射光強(qiáng)度經(jīng)歷了拉曼損耗（SRL），斯托克斯波長處的散射光強(qiáng)度經(jīng)歷了拉曼增益（SRG）。SRS顯微鏡相對于CARS顯微鏡的主要優(yōu)勢在于，它可提供無背景化學(xué)成像，并具有優(yōu)化的圖像對比度，這兩者對于生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用都很重要，在生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中，水是樣品中非共振本底信號的主要來源。

無標(biāo)簽的受刺激拉曼增益成像的脂質(zhì)在人類黑素細(xì)胞。

5.表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）

拉曼信號固有地微弱，尤其是在使用可見光激發(fā)時(shí)，因此可用于檢測的散射光子數(shù)量少。放大弱拉曼信號的一種方法是采用表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）。SERS使用通常由金（Au）或銀（Ag）制成的納米級粗糙金屬表面。這些粗糙的金屬納米結(jié)構(gòu)的激光激發(fā)會共振地驅(qū)動(dòng)表面電荷，從而產(chǎn)生高度局部化（等離子體）的光場。當(dāng)分子被吸收或接近表面的增強(qiáng)場時(shí)，可以觀察到拉曼信號的大幅增強(qiáng)。拉曼信號通常比正常拉曼散射大幾個(gè)數(shù)量級，因此無需熒光標(biāo)記即可檢測低濃度（10-11）。當(dāng)將粗糙的金屬表面與分子的吸收較大值匹配的激光結(jié)合使用時(shí)，拉曼信號可以進(jìn)一步放大。這種效應(yīng)稱為表面增強(qiáng)共振拉曼散射（SERRS）。

SERS在越來越多的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)越來越多的用途，包括：

●基礎(chǔ)分析化學(xué)測試

●藥物發(fā)現(xiàn)

●法醫(yī)現(xiàn)場測試

●檢測痕量化學(xué)和生物威脅劑

●即時(shí)醫(yī)療（POC）醫(yī)療診斷設(shè)備

6.紫外拉曼光譜

拉曼光譜測量通常面臨兩個(gè)限制：

（1）拉曼散射截面很小，需要強(qiáng)激光和靈敏的檢測系統(tǒng)才能獲得足夠的信號

（2）信噪比還受到基本的固有噪聲源（例如樣品自發(fā)熒光）的限制。

拉曼測量常用綠色，紅色或近紅外（IR）激光進(jìn)行，這主要是因?yàn)樵谶@些波長下已經(jīng)建立了激光器和檢測器。通過代之以在紫外（UV）波長范圍內(nèi)測量拉曼光譜，上述兩個(gè)局限性都可以得到基本緩解。

可見光和近紅外激光的光子能量低于大多數(shù)分子的電子躍遷，但是當(dāng)激光的光子能量位于分子的電子光譜內(nèi)時(shí)（如UV激光和大多數(shù)分子的情況），拉曼強(qiáng)度-主動(dòng)振動(dòng)可能會增加許多數(shù)量級。這種效應(yīng)稱為“共振增強(qiáng)”拉曼散射。

此外，盡管UV激光趨于激發(fā)強(qiáng)烈的自發(fā)熒光，但是其通常僅在高于約300nm的波長下發(fā)生，與UV激光波長無關(guān)。由于在普通的266nm激光激發(fā)下，即使4000cm-1（非常大）的斯托克斯位移也會導(dǎo)致拉曼發(fā)射低于300nm，因此自發(fā)熒光不會干擾拉曼信號，因此可以進(jìn)行高信噪比測量。

隨著越來越多的緊湊，廉價(jià)和高功率的紫外線激光器問世，例如四倍的二極管泵浦Nd：YAG激光器（266nm）和NeCu空心陰極金屬離子激光器（248.6nm），超靈敏的紫外線拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)成為更普遍的技術(shù)。然而，在紫外線范圍內(nèi)，光學(xué)濾光片可用性仍然落后。Semrock對提供了許多非常高性能的濾光片引以為傲，這些濾光片是UV拉曼光譜的理想選擇。RazorEdge®長波通濾光片和MaxLine®激光線濾光片為支持UV激光器提供了選擇。