顯微拉曼光譜儀基本原理

從光子散射到微區(qū)定性：顯微拉曼光譜儀的技術(shù)演進(jìn)與核心原理

在當(dāng)前的材料表征、生物醫(yī)藥及半導(dǎo)體檢測(cè)領(lǐng)域，顯微拉曼光譜儀（Micro-Raman Spectroscopy）早已成為不可或缺的精密分析工具。它通過(guò)將拉曼光譜分析技術(shù)與光學(xué)顯微鏡高度集成，實(shí)現(xiàn)了在微米尺度下對(duì)樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理狀態(tài)的非破壞性表征。

拉曼散射的物理本質(zhì)：能量的“非彈性”交換

顯微拉曼光譜的核心建立在拉曼散射（Raman Scattering）基礎(chǔ)之上。當(dāng)單色激光（頻率為 $\nu_0$）照射樣品時(shí)，光子與物質(zhì)分子發(fā)生相互作用。絕大多數(shù)光子發(fā)生彈性散射（瑞利散射），其頻率保持不變；而極少數(shù)光子（約占入射光總數(shù)的 $10^{-7}$）與分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)產(chǎn)生能量交換，導(dǎo)致散射光頻率發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象即為拉曼效應(yīng)。

頻率的位移量（$\Delta\nu$）被稱(chēng)為拉曼位移，它直接對(duì)應(yīng)于分子的特定振動(dòng)模式。由于不同化學(xué)鍵及其排列方式具有獨(dú)特的振動(dòng)頻率，拉曼光譜被形象地稱(chēng)為分子的“指紋圖譜”。在實(shí)際應(yīng)用中，我們主要觀測(cè)能量降低的斯托克斯散射（Stokes Scattering），因?yàn)樗诔叵戮哂懈叩男盘?hào)強(qiáng)度。

顯微光學(xué)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)空間分辨的關(guān)鍵

普通拉曼光譜儀只能獲取宏觀樣品的平均信息，而“顯微”二字的引入，本質(zhì)上是引入了共焦（Confocal）光路設(shè)計(jì)。通過(guò)在顯微鏡的焦平面放置一個(gè)針孔（Pinhole），系統(tǒng)能夠有效地過(guò)濾來(lái)自焦平面以外的背景雜散光和熒光干擾。

這種設(shè)計(jì)賦予了顯微拉曼光譜儀極高的空間分辨率。在高性能物鏡（如100x，NA=0.9）的配合下，其水平分辨率（XY方向）可達(dá) 0.5μm - 1μm，軸向分辨率（Z方向）可達(dá) 2μm 左右。這使得研究人員能夠?qū)Ψ蔷鶆驑悠分械奈⑿“w、多相材料的界面以及微米級(jí)的顆粒進(jìn)行定性分析。

顯微拉曼光譜儀核心技術(shù)參數(shù)參考

在評(píng)估或操作顯微拉曼設(shè)備時(shí)，以下核心參數(shù)決定了數(shù)據(jù)的科學(xué)性與重復(fù)性：

• 激光激發(fā)波長(zhǎng)：常見(jiàn)包括 325nm（紫外）、532nm（綠光）、633nm（紅光）、785nm及1064nm（近紅外）。波長(zhǎng)越短，散射強(qiáng)度越高（與頻率的4次方成正比），但易引發(fā)熒光背景。
• 光譜分辨率：通常在 0.1 $cm^{-1}$ 到 1 $cm^{-1}$ 之間，取決于光柵刻線密度（如 1800 gr/mm 或 600 gr/mm）及焦距。
• 光譜量程：覆蓋 50 $cm^{-1}$ 至 4000 $cm^{-1}$，涵蓋了從晶格振動(dòng)、無(wú)機(jī)物鍵合到有機(jī)物 C-H 鍵伸縮的全波段。
• 檢測(cè)器（CCD）量子效率：現(xiàn)代背照式深耗盡 CCD 在可見(jiàn)及近紅外波段的量子效率通常 >90%。
• 空間步進(jìn)精度：自動(dòng)載物臺(tái)的最短步進(jìn)通常可達(dá) 0.1μm，支持高精度的拉曼 Mapping 成像。

信號(hào)增強(qiáng)與應(yīng)用深度：從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)端的跨越

在實(shí)際操作中，顯微拉曼不僅提供成分信息，還能通過(guò)峰位移反映應(yīng)力分布、通過(guò)峰寬變化評(píng)估結(jié)晶度、通過(guò)峰強(qiáng)比值確定組分比例。例如，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，硅尖峰（520 $cm^{-1}$）的微小偏移是計(jì)算晶圓殘余應(yīng)力的核心依據(jù)；在石墨烯研究中，G峰與2D峰的強(qiáng)度比則是判斷層數(shù)的金標(biāo)準(zhǔn)。

為了克服拉曼信號(hào)微弱的先天限制，衍生技術(shù)如表面增強(qiáng)拉曼（SERS）和增強(qiáng)拉曼（TERS）進(jìn)一步突破了衍射極限，將檢測(cè)靈敏度提升至單分子級(jí)別。

對(duì)于從業(yè)者而言，理解顯微拉曼的原理不僅在于光譜的獲取，更在于如何平衡激光功率（防止樣品損傷）、曝光時(shí)間（優(yōu)化信噪比）與針孔大小（平衡空間分辨率與信號(hào)強(qiáng)度）。只有深刻理解光路中每一個(gè)光學(xué)元件對(duì)光子行為的影響，才能在復(fù)雜的工業(yè)檢測(cè)和前沿科研中，萃取出真實(shí)、具說(shuō)服力的微觀數(shù)據(jù)。