拉曼光谱学概述

拉曼光谱技术通过从分子散射的百万分之一光子，从而探测分子的振动和旋转状态。与红外光谱法不同，不需要样品制备，也不会由于样品中的水分而产生干扰。可以使用非破坏性的仪器在现场对样品进行分析。

因此，拉曼光谱技术在工艺和制药检测、半导体加工质量控制和生物技术等领域已成为鉴定和分析的热门技术。它还被用于许多研究领域，包括碳纳米材料。

采用高功率激光器获取强度极低的拉曼信号，需要具有高效率和高激光损伤阈值的光学滤光片。与低成本滤光片相比，具有陡峭边缘的长通滤光片可提供更多的拉曼光谱信息，而高质量短通滤光片可获取有用的反斯托克斯光谱。

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）是一种非线性四波混频过程，用于增强弱（自发）拉曼信号。在CARS过程中，泵浦激光束（在频率泵浦下）和斯托克斯激光束（在Stokes处）相互作用，在CARS=2pump-Stokes频率下产生反斯托克斯信号。斯托克斯光束（Stokes）通常由Nd：钒酸盐激光器的1064nm线提供，该激光器还用作光参量振荡器（OPO）的泵浦源，而OPO（680-1010nm）的输出用作泵浦光束（泵浦）。当泵浦光和斯托克斯光之间的频率差（拍频）与（拉曼主动）振动模式（例如，在约2800cm-1处的CH2对称拉伸模式）的频率匹配时，分子振荡器将被相干驱动。这导致增强的反斯托克斯（较短波长）拉曼信号，这是提高CARS显微镜振动对比度的基础。

细胞生物学和组织成像是CARS显微镜技术发展的两个重要领域。通常，使用荧光显微镜进行细胞询问。使用CARS，可以进行亚微米级的化学特异性无标签成像。迄今为止，CARS显微镜已显示出其在脂类代谢，细胞器运输和活组织中药物扩散（药代动力学）研究中的潜力。CARS显微镜也已发现可用于临床应用，并且已经证明了健康脑组织中肿块的视频速率成像。

图2：来自固定组织样品的棕榈酸胆固醇酯的CARS显微镜图像。

左侧的图像是使用CARS显微镜实验中常用的发射滤光片获得的。右侧的图像是使用Semrock部件FF01-625/90获得的，在相同的样品ROI上显示出增强的图像对比度。采集这些图像时，使用相同的激光强度和PMT设置。

2.绿色光子拉曼光谱

当大多数人听到“绿色光子学”一词时，他们立即想到绿色激光笔。然而，绿色光子学不仅仅是波长在500至550nm之间的激光束。化石燃料的枯竭对我们的能源供应构成威胁，要求在能够维持我们当前以技术为动力的生活方式的技术开发方面进行创新。光子技术将在这一领域发挥越来越重要的作用，并且已经在许多计划的较前沿，从用于太阳能捕获的光伏材料的基础研究到创新型低功率照明的发展。

在Semrock，我们正越来越多地参与这一“绿色”革命，与研究实验室和制造商合作，为他们提供可满足其研发需求的光学滤光片。Semrock在太阳能电池检查领域里扮演关键角色。

拉曼光谱技术检测太阳能电池

光收集技术（例如太阳能电池）的目标是收集尽可能多的阳光并将其有效转换为有用的电能。开发基于硅的高转换效率太阳能电池是当前光伏（PV）技术的核心。为了获得更高的转换效率，需要高度结晶，无缺陷和无应变的硅膜/层。然而，同样具有挑战性的是采用可靠且定量的分析工具来监视和了解硅材料在制造后的性能。

拉曼光谱技术是一种这样的工具，其广泛用于太阳能电池工业中以监测为PV电池制造的硅的质量。了解材料的结晶度对于由单晶硅制造的太阳能电池至关重要，因为非晶硅的存在会导致转换效率降低。拉曼光谱技术是区分和定量硅中结晶度的非常好的工具。在晶体硅中，键角，键强度和键能量非常均匀且有序。结果，高度结晶的硅具有非常尖锐的峰，例如中心在520cm-1处的峰。在非晶硅中，键角、键强度和键能量会发生变化，从而导致480cm-1附近的宽扩散光谱特征。通过拉曼测量，可以从拉曼峰强度的比值I520/I480建立定量结晶级分的图像。

量化太阳能电池材料中的热应力和界面应力的能力至关重要。应力会很大地影响PV电池的转换效率。因此，了解应力的位置，应力如何影响电池性能以及如何控制应力以提高工艺产量至关重要。拉曼光谱技术通过监测样品上520cm-1峰的光谱位置，可直接测量硅基太阳能电池中的应力（或应变），从中可以生成亚微米空间分辨率的应力图。结果，拉曼光谱技术提供了对太阳能电池加工的直接了解，并防止效率较低的电池脱离生产。

图1：绘制硅中的应力图：通过监测拉曼峰的位置而产生的应力图，该拉曼峰的中心距硅晶片中的激光钻孔约520cm-1。结果，工程师可以评估产生较低应力并保持高转换效率的确切钻孔参数。

太阳能电池的替代材料和经过高度研究的材料是碳化硅和铜铟镓二硒化物或CIGS。鉴于CGIS是一种合金，因此可以使用每种成分的不同混合物来制造。高性能拉曼光谱仪使用具有陡峭边缘和小过渡宽度的滤光片，使人们可以检测到比硅的520cm-1峰更近（<190cm-1）的低能振动模式。通过监测172cm-1附近的拉曼峰，可以量化铟和镓的浓度，并在整个CIGS薄膜上生成合金异质性图。

图2：替代太阳能材料的拉曼光谱：使用高性能边缘滤光片的拉曼光谱可用于准确监控铜铟镓二硒（CIGS）太阳能电池膜中的铟和镓合金成分。

3.高性能拉曼光谱

拉曼光谱通过其振动和旋转能级结构可以检测和识别分子。与荧光方法不同，荧光方法需要添加单独的荧光分子作为附着在实际感兴趣分子上的“标签”，而拉曼光谱技术可以直接检测分子而无需化学改变。然而，另一个重要的区别是，散射的拉曼信号（占激发功率的百分比）比相应的荧光信号弱几个数量级。因此，通常将激光用作激发源以在紧密聚焦的光斑中提供高功率，并且使用非常灵敏的检测器来检测非常微弱的信号。因此，出色的过滤对于阻挡非常强的激光至关重要，同时仍然允许稍微移动波长的拉曼散射信号的高透射率。

Semrock备有广泛的拉曼光谱边缘滤光片选择，其边缘波长为224至1550nm。这些滤光片非常陡峭并具有高透射率，以至于它们甚至比全息陷波滤光片还要好，但价格不到其一半。现在，您可以看到比以往任何时候都更接近激光线的弱信号。凭借其深激光线阻挡，超宽和低波纹通带，成熟的硬涂层可靠性以及较高的激光损伤阈值，它们可以提供持续的性能。

为了防止激光到达检测器并淹没相对较弱的拉曼信号，我们提供了单陷波滤光片和多陷波滤光片的集合，它们会阻挡一条或多条激光线同时在两侧传输光。对于有区别的拉曼测量，请使用匹配的MaxLine™激光线滤光片消除激光光谱，从而消除激光光谱噪声泄漏。

4.受激拉曼散射（SRS）

在SRS显微镜中，像CARS显微镜一样，泵浦和斯托克斯光子都入射到样品上。如果频率差SRS=泵-斯托克斯（Stokes）匹配分子振动（vib），则会发生振动过渡的受激激发。与CARS不同，在SRS中，没有与激光激发波长不同的波长的信号。取而代之的是，泵浦波长处的散射光强度经历了拉曼损耗（SRL），斯托克斯波长处的散射光强度经历了拉曼增益（SRG）。SRS显微镜相对于CARS显微镜的主要优势在于，它可提供无背景化学成像，并具有优化的图像对比度，这两者对于生物医学成像应用都很重要，在生物医学成像应用中，水是样品中非共振本底信号的主要来源。

无标签的受刺激拉曼增益成像的脂质在人类黑素细胞。

5.表面增强拉曼散射（SERS）

拉曼信号固有地微弱，尤其是在使用可见光激发时，因此可用于检测的散射光子数量少。放大弱拉曼信号的一种方法是采用表面增强拉曼散射（SERS）。SERS使用通常由金（Au）或银（Ag）制成的纳米级粗糙金属表面。这些粗糙的金属纳米结构的激光激发会共振地驱动表面电荷，从而产生高度局部化（等离子体）的光场。当分子被吸收或接近表面的增强场时，可以观察到拉曼信号的大幅增强。拉曼信号通常比正常拉曼散射大几个数量级，因此无需荧光标记即可检测低浓度（10-11）。当将粗糙的金属表面与分子的吸收较大值匹配的激光结合使用时，拉曼信号可以进一步放大。这种效应称为表面增强共振拉曼散射（SERRS）。

SERS在越来越多的应用中发现越来越多的用途，包括：

●基础分析化学测试

●药物发现

●法医现场测试

●检测痕量化学和生物威胁剂

●即时医疗（POC）医疗诊断设备

6.紫外拉曼光谱

拉曼光谱测量通常面临两个限制：

（1）拉曼散射截面很小，需要强激光和灵敏的检测系统才能获得足够的信号

（2）信噪比还受到基本的固有噪声源（例如样品自发荧光）的限制。

拉曼测量常用绿色，红色或近红外（IR）激光进行，这主要是因为在这些波长下已经建立了激光器和检测器。通过代之以在紫外（UV）波长范围内测量拉曼光谱，上述两个局限性都可以得到基本缓解。

可见光和近红外激光的光子能量低于大多数分子的电子跃迁，但是当激光的光子能量位于分子的电子光谱内时（如UV激光和大多数分子的情况），拉曼强度-主动振动可能会增加许多数量级。这种效应称为“共振增强”拉曼散射。

此外，尽管UV激光趋于激发强烈的自发荧光，但是其通常仅在高于约300nm的波长下发生，与UV激光波长无关。由于在普通的266nm激光激发下，即使4000cm-1（非常大）的斯托克斯位移也会导致拉曼发射低于300nm，因此自发荧光不会干扰拉曼信号，因此可以进行高信噪比测量。

随着越来越多的紧凑，廉价和高功率的紫外线激光器问世，例如四倍的二极管泵浦Nd：YAG激光器（266nm）和NeCu空心阴极金属离子激光器（248.6nm），超灵敏的紫外线拉曼光谱技术已经成为更普遍的技术。然而，在紫外线范围内，光学滤光片可用性仍然落后。Semrock对提供了许多非常高性能的滤光片引以为傲，这些滤光片是UV拉曼光谱的理想选择。RazorEdge®长波通滤光片和MaxLine®激光线滤光片为支持UV激光器提供了选择。