共聚焦顯微拉曼光譜

　　拉曼散射屬于一種非彈性散射，是用來研究晶格及分子的振動模式、旋轉模式和在一系統(tǒng)里的其他低頻模式的一種光譜技術。其原理如下圖1所示：

星元極光

圖1 分子躍遷能級圖

不同的能級躍遷對應著不同的拉曼信號。線的粗細大致上表示了信號的強弱。

　　假設散射物分子原來處于基態(tài)，振動能級如圖1所示。當入射光照射分子時，激發(fā)光與分子的作用使分子的極化率發(fā)生變化，相當于分子對光子產(chǎn)生了虛的吸收，從而使電子躍遷到一個虛能級（Virtual energy state），虛能級上的電子即刻躍遷到下能級并放出光子，即散射光。其中，絕大部分散射光與入射光頻率相同，即在分子與光的相互作用過程中，沒有發(fā)生能量的轉移，這便是彈性散射，稱之為瑞利散射；而有極小一部分散射光，與分子或晶格間發(fā)生了能量轉移從而導致散射光頻率改變，這部分散射便被稱為拉曼散射。在拉曼光譜中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。

　　由于不同分子或原子團的振動方式是唯一的，因而其拉曼散射光的頻率也是特異的，因此，拉曼光譜也別稱為“分子指紋”光譜。拉曼光譜的應用非常廣泛，其可以表征材料的化學成分、化學結構、相與形態(tài)、結晶度以及分子相互作用的信息，另外，還能夠獲得晶體內(nèi)的雜質(zhì)、應力、以及溫度等信息。

化學領域

　　化學鍵以及對稱分子的振動頻率都是特異的，因此拉曼光譜提供了作為分子鑒別的重要手段。例如，SiO,Si2O2,和Si3O3的振動頻率是可被鑒別出來的，并列為紅外光譜學以及拉曼光譜學配位分析的基礎。拉曼位移的大小、強度及拉曼峰形狀是鑒定化學鍵、官能團的重要依據(jù)。利用偏振特性，拉曼光譜還可以作為分子異構體判斷的依據(jù)。在催化化學中，拉曼光譜能夠提供催化劑及表面上物質(zhì)的結構信息，還可以對催化劑制備過程進行實時分析。拉曼光譜是研究電極/溶液界面的結構和性能的重要方法，能夠在分子水平上深入研究電化學界面結構、吸附和反應等基礎問題并應用于電催化、腐蝕和電鍍等領域。

圖2 Li離子電池Si電極在充放電過程中的原位拉曼光譜

引自：J.F.Yang,et.al.,J.Power Sources,282,294(2015)

固態(tài)物理

　　原料特性、量測溫度和找尋樣品的晶體取向。例如，對于單晶、多晶以及非晶的區(qū)分，拉曼光譜的展寬能夠表征晶體質(zhì)量，通過對特定聲子模式進行監(jiān)控，能夠針對二維材料很快確定其層數(shù)和厚度。另外，拉曼光譜可以監(jiān)測固體的低頻激發(fā)，例如等離子體、磁振子和超導氣體的激發(fā)。通過斯托克斯線和反斯托克斯線強度的比值，能夠得知晶格的溫度。

圖3 氮化硼納米管（BNNT）的拉曼光譜

其中晶格溫度通過計算E2g模式的斯托克斯和反斯托克斯線的強度比值得出

引自：J.Lu,App.Phys.Express,7,022401(2014)

生命科學

　　單細胞拉曼光譜能提供細胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)含量等大量信息，可在不損傷細胞的條件下實時動態(tài)監(jiān)測細胞結構變化，從而應用于細胞水平的疾病診斷（如癌細胞檢測）、細胞藥物處理、單細胞生命活動檢測等領域。

圖4 細胞內(nèi)脂滴和細胞核內(nèi)區(qū)域的受激拉曼散射光譜（左）和受激拉曼成像（右）

引自：C.W.Freudiger,Science,322,1857(2008)

半導體

　　拉曼光譜可用于分析半導體材料的純度，雜質(zhì)、缺陷或污染物的分析，化合物半導體中合金成分、超晶格或異質(zhì)結構的研究，應力或應變特性，離子注入后半導體的損傷分布，外延層的質(zhì)量、組分、載流子濃度等。

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圖5 單個ZnO納米環(huán)的顯微圖像（左），常規(guī)拉曼成像結果（中）和偏振拉曼成像結果（右）

材料分析

　　拉曼光譜在材料科學中是物質(zhì)結構研究的有力工具，可對各種薄膜進行結構分析，例如，單晶、多晶、微晶和非晶硅以及硼化非晶硅、氫化非晶硅、金剛石、類金剛石等碳材料等；可對耐高溫材料的相結構進行分析，研究各種納米材料的量子尺寸效應，分析高分子聚合物的分子結構和組成，立體規(guī)整性，結晶與分子鏈的取向，分子相互作用等。

圖6 ReS₂分子膜的拉曼光譜與mapping。

引自：L.Wang,Opt.Mater.Express,10,1092(2020)

　　將拉曼光譜與共聚焦顯微系統(tǒng)結合

　　隨著上述各個應用領域中被檢測物的尺寸不斷縮小，特別是進入微米甚至納米尺度，對拉曼光譜的分析便要求提高其空間分辨率，因此，共聚焦顯微拉曼光譜檢測技術應運而生，其通過結合顯微鏡的顯微放大功能，以及共焦孔的限域功能，可將拉曼檢測的空間分辨率提高至光學衍射極限，即微米甚至亞微米量級。圖7是共聚焦顯微拉曼的典型光路示意圖

圖7 共聚焦顯微拉曼光譜原理圖

　　共焦顯微拉曼光譜能夠實現(xiàn)三維分辨能力，除了能夠分析微納米尺度的樣品，還可以分析多層薄膜中不同的層和界面，透明樣品表面下的雜質(zhì)或污染物等。

　　通過點掃描或面掃描mapping功能，能夠實現(xiàn)拉曼光譜的二維或者三維成像。通過提取mapping中每個點的拉曼信息，拉曼成像可以顯示出各種材料屬性(成分、結構、相、多形態(tài)、應力、結晶度)的空間分布。

更多拉曼光譜技術

1.共振拉曼光譜

　　通常，拉曼光譜的激發(fā)光能量與分子的吸收能級或固體中的能帶并不匹配，因此分子對激發(fā)光子的吸收是“虛”的吸收，這也是本文一開始所指的電子吸收光子躍遷到一個“虛能態(tài)”。然而，當激發(fā)光能量與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度可達到正常拉曼譜帶的104倍以上，并觀察到正常拉曼效應中難以出現(xiàn)的、其強度可與基頻相比擬的多級或組合振動光譜。常規(guī)拉曼與共振增強拉曼的原理如圖8所示。

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