拉曼光谱入门手册（第二版）

HORIBA集团·

指定FA市场参考价值：RMBFA市场参考价值：RMB HORIBA集团·显微拉曼光谱仪的分析点（激光光斑）

拉曼光谱仪使用什么样的激光（瑞利）为什么使用大尺寸HORIBA科学仪器事业部

LabRAMHR

MRSXploRA

HENano

XploRA拉曼是一种光散射技术。激光光源的高强度入射光被分子散射时，大多数散射光与入射激光具有相同的波长分（大约1/10）散射光的波长（颜色）与入射光不同，一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中既包括单一的化学键，例如C-C，C=C，N-O，C-H等，也包括由数个化学键组成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动、多聚物长链的振动以及晶格振动等。基本概念化学结构和化学鉴别；基本概念相和形态；应力；污染物和杂质；

结构、纯度、反应监控矿物鉴别和分布、包裹体、相变药物成分均匀性和组分分布纯度、掺入成分、应力（激光照射到的体积）内所有分子的信息。因此，混合物的拉曼光谱中包含了代表测试体积内所有不同分子的拉曼信号。如果混合样品的各种成分是已知的，那么根据相对峰强可以衡量混合物组分的相对含量。生物组织和细胞等。水分子的拉曼散射截面非常小，所以拉曼散射强度也比其他分子弱很多；此外，水分子的拉曼光谱也非常简单，只有为数不多的几个拉曼峰，对于溶解物质的拉曼峰干扰甚小。

在大多数情况下，即便水分子在数量上占据很大优分析水溶液中的溶质是轻而易举的事情。

在1sHORIBAScientificHORIBAScientific（JobinYvon光谱技术生化医 光通讯 液相色谱(HPLC) 水质检 荧光光废气检 激光器制OEM能。拉曼光谱可以用于显微分析，其空间分辨率在显微拉曼光谱仪把拉曼光谱仪和标准的光学显微镜耦合在一起，可以在高放大倍数下观察样品形貌或将激光束聚焦成为一个微小的激光光斑，进行拉曼分析。显微拉曼测试的步骤非常简单：只需要将样品置于显微镜之下聚焦，即可进行拉曼测量。真共焦显微拉曼光谱仪可以用来分析微米尺寸的样品，还可以用来分析多层样品（多层聚合物覆膜）中不同（例如玻璃中的杂质、矿物中的液体或气体包容物）。基本概念大的激光辐照区域。HORIBADuoScan光路设计1μm270μmx270μm面积的大范围分析。拉曼光谱能否应用于自动检验和批量拉曼光谱能否应用于自动检验和批量所以可以用于高效率、自动化的批量筛分技术（HTS）与/分析、晶体筛选以及利用透射拉曼对药物片剂的成分和均一性进行检验。HTS拉曼系统将样品移动、聚焦以及数据采集和分

Multiwell另一束光纤则把样品的拉曼信号传回标准的拉曼光谱仪和探测系统。两束光纤同时连接到一个小巧紧凑的光纤探头上，探头将激光聚焦到样品上并收集拉曼信号。新一代光纤探头可以在远离拉曼分析仪几百米远的地方进行远程测试，此外，一台拉曼分析仪可以连接多个探头，从而能在工厂里实现经济实用的多点监控。反应混和物乳剂浆状物和悬浮液反应器或药瓶顶部气体分析原料和体相材料给料分析排放污水分析 以下介绍一些拉曼光谱应用已经日趋完善并得到高度肯定的领域。 API

单壁碳纳米管（SWCNTs）碳纳米管纯度碳纳米管的电学性质sp2sp3结构硬盘驱动器类金刚石涂层（DLC）性质无序性分析钻石品质和原产地应力表征纯度金属掺杂污物识别超晶格结构缺陷分析异质结构掺杂效果显微光致发光分析（PL）DNA/RNA分析药物－细胞相互作用光动力疗法（PDT）代谢增加疾病诊断单细胞分析细胞分类生物分子表征骨结构精细信息（结晶度、多晶型、相变基本概念基本概念3D的空间分辨率，

高强度的拉曼峰，而非晶材料的拉曼峰大多很宽，强度较（全结晶和全非晶（部分结晶（尖锐程度）都介于二者之间。不同中间态的差别可能是比较精细的，高光谱分辨率能够清晰地确认这些精细的变化，所以区分这些中间态非常必要。

多晶硅（红色）和单晶硅（绿色） 低温度、压力和

-196600℃之间，或者从10005bar。到350℃范围的温度控制可以确保完备的实验金刚石对顶砧可以提供高达50GPa的压力，控制样品的温度和湿度，可以用来分析溶剂－PVD/CVD显微拉曼光谱仪把拉曼光谱仪和一个标准的光学显同时也可以用显微的激光光斑进行拉曼分析。显微拉曼光谱仪操作简便，只需将样品置于显微镜物镜下，聚焦后即可进行测量。仅仅给拉曼光谱仪添加显微镜并不能控制采集特定体积内样品的拉曼信号——要实现这个目标必须增加空间XY平面内以及纵向（Z方向）的空间滤波功能，从而控制采集某特定体积内样品的拉曼信号。1μm及以下的单个颗粒或者薄层。

其空间分辨率的极限主要是由激发激光波长、激光束的品质以及显微物镜的要达到空间分辨率最优化，通常必须正确匹配高放大倍数的物镜，并采用可见激光激发，才能产生最优化的结果，典型的0.5μm~1μm

0.9μm0.9μm 反应混和物乳剂和胶状液浆状物和悬浮液药瓶或反应器的顶部空间原料和体相材料给料分析排放污水分析

偏振拉曼光谱除了可以提供常规拉曼能够给出的一般的化学识别信息之外，还可以探测有关分子取向和化学键振动对称性的信息。测量偏振拉曼光谱是通过选择性地测量与激发激光在样品与光谱仪探测器之间的光路中插入偏振片，由使用者选择测量某个方向的拉曼散射光。对于入射激光，也可选择保持原有偏振方向、偏振方向偏转90部化学键振动的对称性。对于一个拉曼峰，其退偏比ρAPI浓度成分的均一性多晶型结晶度粉末成分和纯度晶型拉曼分析技术其中，I是偏振方向与入射激光偏振方向垂直的拉曼拉曼分析技术ρ0.75，该振动共振拉曼光谱是常规拉曼光谱的一个变种，常规拉曼光谱可以采用任意波长的激光激发来测量其拉曼散射。如果不考虑因为使用不同的激发波长而带来的一些实际问102~106倍——因此，检测限会更低，测量时能提供的增强数量级与共振拉曼相当，SERS较之共振拉ppm~ppb范围的微量污

事实上，SERS的优势可以应用在任何拉曼仪器系统必须使用与所选SERS衬底匹配的激发波长之外没什么其它困难之处。同一种材料的SERS光谱和常规拉曼光曼-AFM分析结合了起来。这一令人激动的研究领域的SERS活性金属或金属纳米粒子使其具有SERS活性，那么SERS增强效应将可望只在针尖附近很小范围发生。由于针尖的尺度一般都小于100nm，所以这种测量的空间分辨率也将相应地小于100nm，最新的报道称可通过TERS5nm的空间分辨率。表面增强拉曼散射（）技术克服了传统拉曼光SERS可以用于痕量材料分析、流式细胞术以及其它拉曼增强需要具有纳米尺度的粗糙度金属表面作为基底，吸附在这种表面上的分子将会产生拉曼增强。最常用的金属是金和银——表面的制备可以通过电化学粗糙、纳米结构衬底的金属包覆或者金属纳米粒子的沉积（常常是胶体形式）。很多研究人员都自行制备SERS衬底，但商品化的成套产品提供了更加方便常规化的分析。 TERS实验通常需要将激发激光束通过标准的显微0.5μm~1.0μm范围内镜）；然后使具有SERS活性的针尖与激光光斑范围内0.5μm~1.0μm激光光斑范围内的常规

拉曼分析和原子力显微镜的组合能够在纳米尺度上提供样品形貌信息，以及由拉曼光谱和拉曼图像获得的化学信息。最终结果对样品表征更具综合性。拉曼和原子力显微镜的组合还可以用来进行针尖增强拉曼散射研究，实现真正纳米尺度的拉曼分析。SEMSEM获得的微观形貌CL提供材料的结构缺陷、杂质以及痕量元素等信息，可SERS1014~1015TERS成功实现纳米尺度的拉曼分析，TERS强度必须达到或超过常规拉曼信号强度。因为与常规拉曼分析相比，TERS所取样的分子数目相应地也减TERS强TERS测量在某些样品上已经获得了成功，这些结果太阳能-SEM太阳能拉曼分析和光致发光的组合能够在一台仪器系统中同时表征材料的振动特性和电子特性。典型的应用包括确定半导体材料和纳米材料的带隙、杂质水平、缺陷探测、重组机制以及材料品质。落射荧光图像广泛应用在生物领域以获得细胞或组织的图像，但是不能提供拉曼分析所能给出的详细的分子信息。两种技术在同一显微镜系统中的联合可以在生物样品中对感兴趣的区域进行快速定位并进行针对性的化学分H（荧光原位杂交）之类实验非常容易实现，并且可以和拉曼化学分析结合起来。显微拉曼光谱仪把拉曼光谱仪和标准的光学显微镜耦合在一起。激发激光束通过显微镜聚焦为一个直径在0.5μm~1.0μm大小的微小光斑。这一光斑所在范围内的拉曼信号通过显微镜回到光谱仪，然后得到光谱信息。XploRAXploRA0.5μm的单个粒子；0.5μm的样品特征；0.5μm的空间分辨率下样品特征的拉曼成像分

显微拉曼光谱仪的激光光斑大小主要由两个因素确定，一是激光波长，二是所使用显微物镜的数值孔径。能够实现的最小光斑尺寸就是衍射极限，根据光学定律，激DDλ是激发激光波长，NA是所使用显微物镜的0.90100倍的显微物镜，波长532nm激光的光斑直径理论上为空间分辨率（即：在使用同样的显微物镜条件下，488nm785nm近红外激光的光斑小一些同样，数值孔径较大的显微物镜能够提供较高的空间分辨率（0的0.55的物镜的光斑小一些）R的极限：R532nm0361nm。然而，该公式适应于标准的光学显微镜，在显微拉曼光谱仪中实际发生的光学过程则要复杂得多。例如，激光光子和拉曼光子的散射以及它们与样品表面的相互作用都会导致空间分辨率下降。因此，通常认1μm空间分辨率可以接近衍射极限。

RRλ是激发激光波长，NA是所使用物镜的数值孔径。例如，采用数值孔径为0532nm激光激发下，理论上空间分辨率为361nm。然而，该公式是基于标准的光学显微镜的，而在显微拉曼光谱仪中实际光学过程则要复杂得多。例如，激光光子和拉曼光子的散射以及它们与样品表面的相互作用都会导致空间分辨率下1μm对于某些“优质”样品，空间分辨率可以接近衍射极限。间分辨率（即：在使用同样的物镜条件下，488nm蓝色激光的光斑就比785nm近红外激光的光斑小一些），同使用同一波长激光的情况下，数值孔径0.900.55的物镜的光斑小一些）1μm~2μm的纵向分LabRAMHREvolution这样的拉曼系DuoScan光路，就可以使得激光光斑最270μmx270μm，具体尺寸与所使用的显标准的显微拉曼光谱仪其激光光斑一般在0.5μm~1.0μm范围内（受限于显微物镜数值孔径和激光波长）。

3D（感谢英国Intertek的NeilEverall提供数据乳液3D显微拉曼光谱仪能否用来分析样品表面显微拉曼光谱仪能否用来分析样品表面仪就能够用来分析样品表面以下的特征。例如对液体/气（样品提供：ATMELROSSETPaulCezanne大学）

可以。显微拉曼系统配备XY(Z)自动样品平台就能

根据拉曼峰强生成材料浓度和分布的曲线250nm和350nm根据拉曼峰位生成材料的分子结构、相以及材料的应250nm和350nm根据拉曼峰宽生成材料的结晶度和相的曲线XY自动控制样品平台的拉曼系统可以用来XZ或YZ显微拉曼显微拉曼 二维：XY成像、XZ和YZ成像 三维：XYZ

)ICPXZXZ75µm显微拉曼光谱仪能否用来分析液体显微拉曼光谱仪能否用来分析液体()皿中，使用液体样品池来进行分析，它有一个多通路的反射镜可以提高信号强度。另一种选择是将液体装在小玻璃瓶里，然后利用共焦显微拉曼光谱仪使玻璃容器的拉曼信显微拉曼光谱仪能否用来分析大块的显微拉曼光谱仪能否用来分析大块的0.5μm~1.0μm量级（受限于激光波长和所使用n光路，就可以使得激光光斑最大可以提升到270μmx270μ，具体尺寸与所使用的物镜有关。这样就可以获取样品上一个相对较大面积内的平均光谱，如此显微拉曼光谱仪就可以用于宏观大样品分析了。此外，通过透射附件可以实现材料体信息的采集。根据拉曼峰位生成材料的分子结构、相以及材料的应力图像拉曼光谱成像可以在二维或三维进行收集，生成XY、XZYZXYZ

根据拉曼峰强生成材料浓度和分布图像根据拉曼峰位生成材料的分子结构、相以及材料的应根据拉曼峰宽生成材料的结晶度和相的图像

XHORIBAScientific（JobinYvon光谱技术）1nm-200nmSiC晶片（2英寸）区域大小、所需像元（数据点）数目以及每个像元的采集（取决于样品成分的拉曼强度和对光谱质量的要求一般拉曼光谱成像可包含数百、数千甚至数百万条拉曼光谱，所以采集时间可能会比较长。还能提供很高的光谱分辨率，能够测量的光谱范围也比较1秒超快拉曼光谱成像模块的开发极大地缩短了测量时5毫秒以下，这样的速度意味着大面积细致的拉曼光谱成像也能够在几秒到几分钟内完成。拉曼光谱成像拉曼光谱成像传统的拉曼光谱成像一般需要相对较长的采集时间，但对于拉曼散射效率特别低的材料也能给出很高的灵敏度，还能提供很高的光谱分辨率，能够测量的光谱范围也比较15毫秒或者更少，这样的速度意味着大面积精细的拉刻蚀Si片SWIFT拉曼光谱（左）和光学图像（右）

我们非常重视与科研院校实验室的技术交流，与科研工作者积极合作，共同探索新的研究领域，向着更高的技术要求发起挑战。一粒完整药物片的SWIFT48081条光

光致发光光谱是一种非接触、无损伤的探测材料电子结构的方法，它是一种与材料的电子态有关的双光子吸收－辐射过程。拉曼和光致发光的组合能够在同一仪器平台中同时表征样品材料的振动属性和电子属性。拉曼－光致发光组合系统可以在亚微米的空间分辨率进行共焦成像。从紫外到近红外的激发波长都适用，便于控制激光在材料内的穿透深度，进而控制取样的体积范围。该系统可以配备不同的探测器，如DInGaAs1.5μm的激发波长下都可以进行高灵4.2K的变温拉曼分析。

联用技术联用技术碳纳米管的拉曼和PL

单个细菌细胞的光学（左）和落射荧光（右）图像，荧光分别是由（绿色）和cy3（红色）和cy5（蓝色）（本数据由Prof.AndrewWhiteley,CentreforEcologyandHydrology,Oxford,UK和DrWeiHuang,UniversityofSheffield,UK许可使用）能否在同一仪器上进行拉曼光谱和原子联用技术AFM能否在同一仪器上进行拉曼光谱和原子联用技术(TERS)之类的新技术研究，开发了真正的纳米尺度拉曼

AFMTERS阴极发光测量？合起来，为材料研究提供更加丰富的信息。HORIBA公SEM可在纳米尺度上提供高空间分辨率的形貌图CL引入电镜腔室，利用电镜的电子束激发样品得AFMTERS

SEM观察样品形貌，并为拉L选择测样点，用拉曼得到样品化学结构与组分，同时用L您也可以分别用这三种技术做成像，并把图像重叠起来进行分析。SEM和拉曼联用，或者只选SEMCL联用。figure2,SEfigure3,CLfigure1,Hyperspectralfigure2,SEfigure3,CLfigure1,HyperspectralCL硬件技术硬件技术

（如碳纳

633nm，660nm

紫外激光适合生物分子（蛋白质、DNA、RNA等）/15D=NA计算得出，其中是激发激光的波长，NA532nm激光的光斑直径理论上可以小到0.72785nm波长激光时，激光光斑1.1μm，因此，最终的空间分辨率在

拉曼光谱分析所使用的紫外激光器波长一般在244nm~364nm硬件技术硬件技术通常使用紫外激发可以抑制荧光的影响，因为在紫外紫外激发可以提高灵敏度，因为拉曼散射强度与激光325nm激发的拉曼633nm14倍。因为紫外光束看不见，并且紫外激光器相对更大型、由于紫外光子的能量更高，所以在紫外激光照射下样DuoScan之325nm激光照射下，纤维素会在DuoScan模式下，可以超5分钟也不被烧坏。很多为可见和红外拉曼分析而设计的拉曼系统不适D探测器以获得优化的实验结果。LabRAMRn系列现代拉曼系统的配置可以在整个紫外到近红外波长范围内

一个双光子过程，首先需要吸收一个外来光子，然近红外激发会导致灵敏度降低，因为拉曼散射强度与激光波长的四次方成反比，因此，785nm激光激发532nm激光激发的拉曼强度的CCD探测近红外激光的光束质量（即光束宽度和发散度）不是DNADNA的相互作用SPRIDNADNA的相互作用SPRI CCD来选择性地阻挡激光线（瑞利散射），同时允许拉曼散 Edgee滤光片是一种长波通光学滤光片，它可以吸收波长低于某个数值的所有光而允许波长大于该数值的所有光高效率通过。例如，用于532nmdge534nm以下（70c1以下）包括激光534nm的光则可以通过，70cm14000c1或者更高的拉曼光谱。e滤光片在吸收和透过光谱区域之间的带边极为陡峭，对激光线提供了非常有效的阻挡。e滤光 拉曼光谱仪使用的陷波滤光片也是与特定的激光波长相匹配的，它有很锐利的的吸收带，吸收带宽通常为几个纳米（对应于几百个波数）532nm激光532nme滤光片不同的是，陷波滤光片的寿命有限，并且其性能会随时间推移而降低。陷波滤光片的优势是它可以同时测量斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射，这一点在某些特殊场合是非常有用的。这样使用三级单色仪的优势在于其激光过滤是无限可变的，可以使用任何一种激光光源工作。除此之外，它对激光的滤除效果非常完美，可以实现的频率下限最低达4c1~5cm1。然而，与更为常见的基于滤光片滤光的标准单级拉曼系统相比，这样一台仪器需要更多的专业技能才可以操作，因此，三级拉曼光谱仪很少用于常规的日常分析中。

D探测器是一种硅基多通道阵列探测器，可以探D探测器允许进行多通道操作（可以在一次采集中探测到整段光谱），所以很适合用来检测拉曼信号。D的应用很广泛，数码相D可以用作传感器，而在科学光谱仪中使用更高CCDD（线状（面状（也称为像元每个元素受到光的作用产生电荷——光越强，作用时间越长，产生的电荷越多。最终，读出电子元件把电荷从像元中引出，从而每个电荷都被读出测量。CCD阵列的长轴上，第一个像元探测D探测器需要冷却到较低温度以采集高质量光谱，冷却方式通常有两种：一种是半导体制冷，可达到的0℃；另一种是液氮低温制冷，最低温度达6℃。大多数拉曼光谱系统使用半导体制冷方式，CCD硬件技术CCD的尺寸是决定单次采谱范围的重要因素，相对于半英寸的小尺寸CCD，一英寸的大尺寸CCD一次采CCDCCD是一个平面的探测器，被探Czerny-Turner硬件技术得即使在探测器的边缘也能成平场。HORIBA集团科学CCD时无任何散焦。若光路中使CCD以吻合中间的近似平面区域，CCD。大小尺寸CCDCzerny-Turner

别的常规分析只需要低/中光谱分辨率。相比之下，对于光谱分辨率是一个重要的实验参数。如果分辨率太低，就会丢失光谱信息，妨碍正确地识别和表征样品。如果分辨率太高，总的测量时间将会远远超过必要的时间。光谱分辨率“过低”或者“过高”取决于特定的应用以及期望从实验中得到什么样的信息。一般来说，低/中分辨率适合进行简单的化学识别或

导体性或者发光属性，拉曼分析是表征这些拉力/压力的至关重要的工具。但是由于这种压力/拉力导致的效果是 分子间或者分子内氢键所产生的弱相互作用能够引起拉曼光谱很小的变化，具有高分辨本领的光谱可以用来研究这样的相互作用。蛋白质的一级结构对于拉曼光谱当然有重要的决定作用，但是其二级、三级结构包括了局部或者更广泛的折叠，足以扰动其振动模式，进而影响到光谱。并且，其效果是细微的，只有高分辨分析才能对此进行表征。色散型拉曼光谱仪的光谱分辨率主要由四个因素决定，在以下的讨论中，某一个因素对光谱分辨率的影响，是在假定其他所有因素保持不变的前提下考虑的。在实际问题中，所有这些因素都存在很多变化，这使得直接比较拉曼系统的性能变得非常困难。200mm（中分辨率测量）800mm（适300gr/mm（低分辨率）1800gr/mm

2400gr/mm3600gr/mm的，但是高密度光栅会存在一些局限性，不适合做常用的配置。利用高密度光栅提高光谱分辨率是有限度的，因为对于某一具体的光谱仪来说，无论从实用角度还是物理学角度，能够使用的最大的光栅密度都有一个上限。因此，光栅提供了一个提高光谱分辨率的初级方法，但是一旦达600gr/mm的100cm-1~200cm-1，100cm-1以下会出现一些非常有意义的特征具有低波数配置的拉曼系统可以测量到100cm-1以30cm-1~50cm-1（标准5cm-1~10cm-1的测试。100c1以上的标100c1以下会出现一些非常有意义的特征光谱，能够测量这些特征光谱对于完整地表征样品也是至关重要的，实际上在某些情况下，分析这些低波数特征是区分不同材料的唯一方法。关于我们HORIBA集团·关于我们HORIBAScientific（HORIBAScientific（HORIBA科学仪器事业部）HORIBA致力于为用户提供最先进的检测和分析仪器：包括元素分析、荧光、刑侦、ICP、粒度表征、