拉曼光譜學概述

拉曼光譜技術通過從分子散射的百萬分之一光子，從而探測分子的振動和旋轉狀態(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生干擾?？梢允褂梅瞧茐男缘膬x器在現(xiàn)場對樣品進行分析。

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

采用高功率激光器獲取強度極低的拉曼信號，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）。當泵浦光和斯托克斯光之間的頻率差（拍頻）與（拉曼主動）振動模式（例如，在約2800cm-1處的CH2對稱拉伸模式）的頻率匹配時，分子振蕩器將被相干驅動。這導致增強的反斯托克斯（較短波長）拉曼信號，這是提高CARS顯微鏡振動對比度的基礎。

細胞生物學和組織成像是CARS顯微鏡技術發(fā)展的兩個重要領域。通常，使用熒光顯微鏡進行細胞詢問。使用CARS，可以進行亞微米級的化學特異性無標簽成像。迄今為止，CARS顯微鏡已顯示出其在脂類代謝，細胞器運輸和活組織中藥物擴散（藥代動力學）研究中的潛力。CARS顯微鏡也已發(fā)現(xiàn)可用于臨床應用，并且已經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。

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

2.綠色光子拉曼光譜

當大多數人聽到“綠色光子學”一詞時，他們立即想到綠色激光筆。然而，綠色光子學不僅僅是波長在500至550nm之間的激光束?；剂系目萁邔ξ覀兊哪茉垂獦嫵赏{，要求在能夠維持我們當前以技術為動力的生活方式的技術開發(fā)方面進行創(chuàng)新。光子技術將在這一領域發(fā)揮越來越重要的作用，并且已經在許多計劃的較前沿，從用于太陽能捕獲的光伏材料的基礎研究到創(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，與研究實驗室和制造商合作，為他們提供可滿足其研發(fā)需求的光學濾光片。Semrock在太陽能電池檢查領域里扮演關鍵角色。

拉曼光譜技術檢測太陽能電池

光收集技術（例如太陽能電池）的目標是收集盡可能多的陽光并將其有效轉換為有用的電能。開發(fā)基于硅的高轉換效率太陽能電池是當前光伏（PV）技術的核心。為了獲得更高的轉換效率，需要高度結晶，無缺陷和無應變的硅膜/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電池制造的硅的質量。了解材料的結晶度對于由單晶硅制造的太陽能電池至關重要，因為非晶硅的存在會導致轉換效率降低。拉曼光譜技術是區(qū)分和定量硅中結晶度的非常好的工具。在晶體硅中，鍵角，鍵強度和鍵能量非常均勻且有序。結果，高度結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、鍵強度和鍵能量會發(fā)生變化，從而導致480cm-1附近的寬擴散光譜特征。通過拉曼測量，可以從拉曼峰強度的比值I520/I480建立定量結晶級分的圖像。

量化太陽能電池材料中的熱應力和界面應力的能力至關重要。應力會很大地影響PV電池的轉換效率。因此，了解應力的位置，應力如何影響電池性能以及如何控制應力以提高工藝產量至關重要。拉曼光譜技術通過監(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力（或應變），從中可以生成亞微米空間分辨率的應力圖。結果，拉曼光譜技術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。

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

太陽能電池的替代材料和經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CIGS薄膜上生成合金異質性圖。

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和旋轉能級結構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的熒光分子作為附著在實際感興趣分子上的“標簽”，而拉曼光譜技術可以直接檢測分子而無需化學改變。然而，另一個重要的區(qū)別是，散射的拉曼信號（占激發(fā)功率的百分比）比相應的熒光信號弱幾個數量級。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的激光至關重要，同時仍然允許稍微移動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，但價格不到其一半。現(xiàn)在，您可以看到比以往任何時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在兩側傳輸光。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（vib），則會發(fā)生振動過渡的受激激發(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度經歷了拉曼損耗（SRL），斯托克斯波長處的散射光強度經歷了拉曼增益（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成像，并具有優(yōu)化的圖像對比度，這兩者對于生物醫(yī)學成像應用都很重要，在生物醫(yī)學成像應用中，水是樣品中非共振本底信號的主要來源。

無標簽的受刺激拉曼增益成像的脂質在人類黑素細胞。

5.表面增強拉曼散射（SERS）

拉曼信號固有地微弱，尤其是在使用可見光激發(fā)時，因此可用于檢測的散射光子數量少。放大弱拉曼信號的一種方法是采用表面增強拉曼散射（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構的激光激發(fā)會共振地驅動表面電荷，從而產生高度局部化（等離子體）的光場。當分子被吸收或接近表面的增強場時，可以觀察到拉曼信號的大幅增強。拉曼信號通常比正常拉曼散射大幾個數量級，因此無需熒光標記即可檢測低濃度（10-11）。當將粗糙的金屬表面與分子的吸收較大值匹配的激光結合使用時，拉曼信號可以進一步放大。這種效應稱為表面增強共振拉曼散射（SERRS）。

SERS在越來越多的應用中發(fā)現(xiàn)越來越多的用途，包括：

●基礎分析化學測試

●藥物發(fā)現(xiàn)

●法醫(yī)現(xiàn)場測試

●檢測痕量化學和生物威脅劑

●即時醫(yī)療（POC）醫(yī)療診斷設備

6.紫外拉曼光譜

拉曼光譜測量通常面臨兩個限制：

（1）拉曼散射截面很小，需要強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）激光進行，這主要是因為在這些波長下已經建立了激光器和檢測器。通過代之以在紫外（UV）波長范圍內測量拉曼光譜，上述兩個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分子的電子躍遷，但是當激光的光子能量位于分子的電子光譜內時（如UV激光和大多數分子的情況），拉曼強度-主動振動可能會增加許多數量級。這種效應稱為“共振增強”拉曼散射。

此外，盡管UV激光趨于激發(fā)強烈的自發(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。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，因此可以進行高信噪比測量。

隨著越來越多的緊湊，廉價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已經成為更普遍的技術。然而，在紫外線范圍內，光學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。