测试干货∣扒一扒拉曼那点事儿——拉曼的联用技术

拉曼很腻害！可以毫不费力搞定被测物质详细的化学和分子信息，并将其暴露在光天化日之下。但她绝不是一只特立独行的猫，她有着和自己一样强大的小伙伴们。作为圈内人，我就来扒一扒拉曼与FTIR/PL/AFM/SEM这四朵小金花的秘史。

秘史一：Raman-FTIR

想起这一对组合，内心不禁一笑。一攻一守，绝配！傅立叶变换红外（FTIR）和拉曼光谱虽然都与分子的振动和转动能级相关，但是它们提供互补的信息。FTIR是一个直接的吸收过程而拉曼则是一个散射过程。它们的出现服从不同的规律，因而对不同官能团的敏感度也不同。例如，羰基总是具有很强的红外活性，而芳香环和碳碳双键则显示很强的拉曼峰。除了对不同官能团的敏感度区别之外，两种技术的联用可以使研究人员同时受益于二者的优势。

表1. Raman-FTIR优势比较

与独立的拉曼和红外分析系统相比较，拉曼和红外联用系统不但可以降低费用，而且极大地节省了实验空间，同时性能却不受影响。由于不需要转移样品且无需重新定位测量点，因而可以快速进行拉曼和红外测量，节约操作时间。由此，同时利用拉曼和红外光谱的优势，获得样品的全部振动信息。

图1. FTIR/Raman光谱数据与氧化铟乙醇气体传感器电阻的时间相关性^[1]

如图1所示，利用FTIR-Raman联用技术对氧化铟乙醇气体传感器的机理进行研究，并清晰的考察了气体环境，温度，不同吸附质对传感器表面的影响。

秘史二：Raman-PL

拉曼－光致发光光谱仪可用于各种各样的分析，包括复合半导体取向附生层的成分分析、光发射材料的缺陷评估、表面分析、集成光学电路的无损分析、杂质定量分析以及各种由GaN到InP等材料制成的激光二极管和LEDs的分析等。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。如图2所示

图2. 从左到右为Cu2ZnSn(S,Se)4的可见光、拉曼、光致发光光谱图^[2]

此外，这一技术也为超高速器件、小尺度量子纳米线、量子点以及新材料（例如单壁碳纳米管）的发展做出了重大贡献。拉曼－光致发光的联用为探测碳纳米管的直径和手性，表征近红外波段（1.6微米及以上）的发光等提供了快速、易用的分析方法。氮化镓(GaN)是很有发展前景的新一代发光材料之一。拉曼－光致发光联用可以表征出薄膜生长过程中出现的缺陷数量和类型。共焦成像可以观察到1微米尺度上的缺陷和间断，同时高光谱分辨率的拉曼数据可以对薄膜中的应力、晶体取向和自由载流子浓度进行详细研究。对PL发射峰进行宽谱表征，特别是在低温条件下，可以揭示出材料中缺陷的影响以及其它一些电子和光学属性的细节。（更多细节可参考：http://www.horiba.com/cn/scientific/products/raman-spectroscopy/raman-systems/hybrid-raman/raman-pl/applications/）

秘史三：AFM-Raman

拉曼和 AFM 的联用开启了一个非常有意义的新领域，它可以提供关于样品的成分和结构的全新的信息。这一联用系统可以在纳米尺度上提供样品形貌等物理信息，把这些信息与拉曼光谱成像提供的化学信息相结合，可以更加综合的对样品特性进行表征。

在这种联合系统中，也可以进行针尖增强拉曼散射(TERS) 之类的新技术研究，开发了真正的纳米尺度拉曼分析的潜力。

图3. TERS原理示意图^[3]

图4. TERS测量的一些常见配置^[3]

图4.所示a.b.c.依次为AFM-拉曼和TERS的透射、侧向耦联、顶部偶联；d.可用于扫描力显微镜(SFM)和TERS。顶部耦联适于在样品上同一区域依次进行拉曼和 AFM 分析；透射适合对透明样品进行拉曼－ AFM 和 TERS 分析；侧向耦联对不透明和透明样品都适用。

图5. 利用AFM-Raman和TERS对单壁纳米管(SWNTs)表征和分析^[3]

SWNT具有显著的手性，机械特性，热力学特性以及具有纳米结构的电子性能。利用TERS高效的空间分辨率以及AFM实时直观的成像，可对单根纳米管精细的表征和分析。如图5所示，a和b表示单壁纳米管的TERS和AFM成像，c图表示利用Si探针拖拽纳米管形成如d图所示形状，e图为d图的TERS成像，不同颜色代表了G峰的不同偏移量，f图表示沿着d图红色虚线方向不同的G峰值偏移量。

秘史四：Raman-SEM

拉曼技术在分子级别上提供样品的化学结构、组分信息；而 SEM 可在纳米尺度上提供高空间分辨率的形貌图像；将以上技术联用，使用 SEM 观察样品形貌，并为拉曼选择测样点，用拉曼得到样品化学结构与组分。如图6所示

图6. 利用Raman-SEM联用系统表征聚乙烯小球。利用SEM确定聚乙烯小球的具体位置，然后利用拉曼获得该小球的化学和分子信息^[4]

此外，还可将Raman-SEM-CL三者结合起来，提供更加丰富的信息。将 CL 引入电镜腔室，利用电镜的电子束激发样品得到荧光信号，可分析得到样品的结构缺陷、杂质以及痕量元素分布等信息。当然，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。将扫描电子束与光谱仪同步，可提供快速成像方案。如图7所示

图7. 左图：使用伪彩色显示 350nm~450nm 之间发射光谱区。中图：电镜下的样品图像。右图：对应的光谱，其中不同色彩区域与左图中显示的颜色对应^[5]

秘史五：拉曼和落射荧光光谱

落射荧光图像广泛应用于生物领域以观察细胞和组织，但是它不能象拉曼那样提供详尽的分子信息。把这两种技术集成在同一台显微仪器上，就可以在生物样品测量中首先对感兴趣的区域进行快速定位，然后对目标区域进行化学分析。在这种系统中可以开展 FISH( 荧光原位杂交 )实验，并把它们和拉曼化学分析结合在一起。如图8所示

图8. 单个细菌细胞的光学（左）和落射荧光（右）图像，荧光分别是由FITC（绿色）和cy3（红色）和cy5（蓝色）荧光染料产生的^[5]

结语

拉曼光谱技术发展至今有：单道检测的拉曼光谱分析技术、以CCD为代表的多通道探测器的拉曼光谱分析技术、共振拉曼光谱分析技术等；拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，避免了一些误差的产生，并且在分析过程中操作简便，测定时间短，灵敏度高等优点，使其得到广泛应用。利用拉曼光谱分析技术这一有效手段与FTIR/AFM/SEM/PL/CL等联用形成技术优势互补，为科学研究提供了一条有效的可行之路。同时，随着技术与精密仪器制造的发展，相信拉曼联用技术会不断创新和发展。

在了解了拉曼光谱分析技术的优势之后，我们仍需意识到该分析技术仍然有一些缺点需要我们去克服：(1)拉曼散射面积；(2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响；(3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰；(4)在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题；(5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响；等。

参考文献

[1] Sandra Sanze, Christian Hess. Ethanol Gas Sensing by Indium Oxide: An Operando Spectroscopic Raman-FTIR Study [J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118: 25603−25613.
[2] Qiong Chen, Naili Yue, Yong Zhang. Micro-Raman/PL and Micro-LBIC Studies of CZTSe Materials and PV Devices [M]. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2013, 118: 2567−2571.
[3] Prabhat Verma. Tip-Enhanced Raman Spectroscopy: Technique and Recent Advances [J]. Chemical Reviews, 2017, 117: 6447−6466.
[4] J. Hazekamp, M. G. Reed, C.V. Howard, et al. The feasibility of Cryo In-SEM Raman microspectroscopy [J]. Journal of Microscopy, 2011, 244(2):122–128.
[5] HORIBA 集团科学仪器事业部. 拉曼光谱入门手册(第二版) [OL].

本文由材料人编辑部纳米组Mr_PSP供稿，材料牛编辑整理。

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