共焦拉曼散射拉曼介紹拉曼特征-徐超課件

1、內(nèi)容簡(jiǎn)介 一、Raman 散射及 Raman光譜學(xué)簡(jiǎn)介 二、共聚焦技術(shù)（confocal） 三、共聚焦拉曼光譜的應(yīng)用一、 Raman 散射及 Raman光譜學(xué)簡(jiǎn)介光散射 例如，當(dāng)一束光通過(guò)均勻、透明介質(zhì)（如玻璃）時(shí)，人的肉眼從側(cè)面看不到光的傳播路徑，而如果介質(zhì)不均勻（如膠體），我們便可以在介質(zhì)中清晰看到光的路跡。這種現(xiàn)象便是光的散射引起的：在玻璃這種均勻透明介質(zhì)中，光基本都被反射或折射通過(guò)樣品，散射非常弱，而在不均勻介質(zhì)中，一定數(shù)量的光子被散射向四面八方被人眼感知。散射的分類 散射可以分為彈性散射和非彈性散射。 彈性散射中散射的光子能量和入射光子能量一致，而非彈性散射則是其能量發(fā)生了變化。 散

2、射光波長(zhǎng)相對(duì)入射光波長(zhǎng)的改變量的大小對(duì)應(yīng)于不同的散射機(jī)制。-5 cm-1Rayleigh散射& Raman 散射 當(dāng)光子被物質(zhì)中的原子或者分子散射時(shí) 絕大多數(shù)光子的能量保持不變，即發(fā)生彈性散射（比如Rayleigh散射）。 一小部分光子能量發(fā)生變化，即非彈性散射（ 比如Raman 散射）。 Raman 散射的過(guò)程分為斯托克斯（Stokes）過(guò)程和反斯托克斯（anti-Stokes）過(guò)程。 Stokes 過(guò)程中，散射光的能量比入射光能量小，anti-stokes 過(guò)程中，散射光子的能量比入射光子能量大。Raman 散射原理Raman 散射能級(jí)躍遷示意圖Rayleigh 散射前后，光子的能

3、量不變2. Stokes 過(guò)程中，光子損失了h的能量，散射光能量變小3. anti-Stokes 過(guò)程，光子吸收了h的能量，散射光能量變大Raman光譜簡(jiǎn)介 Raman 散射光的散射截面很小，通常只有 Rayleigh 散射的 10-3 10-6，信號(hào)采集困難。 19 世紀(jì) 60 年代之后，隨著激光的出現(xiàn)以及高分辨率的單色儀和高靈敏度的光電檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，使 Raman 光譜學(xué)進(jìn)入嶄新的階段，在研究物質(zhì)成分，結(jié)構(gòu)及相變，物理性質(zhì)比如超導(dǎo)等方面獲得了巨大成功。RamanRaman典型Raman光譜系統(tǒng)一種 Raman 光譜系統(tǒng)的簡(jiǎn)單光路圖 激光經(jīng)分光鏡反射后，被透鏡聚焦以正入射方式照射在樣品上，

4、樣品的出射光（包括反射光、Raman 散射、瑞利散射及環(huán)境雜散光等）被同樣的透鏡收集，通過(guò)雙色鏡及濾波片進(jìn)入光譜儀二、共聚焦技術(shù)（confocal）共聚焦技術(shù)的發(fā)展 20 世紀(jì) 50 年代中期，Minsky M 在美國(guó)哈佛大學(xué)進(jìn)行博士后研究時(shí)提出共聚焦（confocal）顯微鏡的基本概念。 隨著納米、光電技術(shù)及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，如何得到更高分辨率的成像成為了人們追逐的目標(biāo)，confocal 技術(shù)也逐漸受到人們的重視。 confocal 以一種非常簡(jiǎn)單的方法使光學(xué)顯微鏡的空間分辨率逼近光學(xué)的衍射極限，使納米光學(xué)成為每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都能研究的課題并得以飛速發(fā)展光學(xué)衍射極限1.光通過(guò)小孔時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍

5、射光斑。如果兩個(gè)物體的距離太近，兩物體的一級(jí)衍射光斑會(huì)部分重合而難以被分辨開來(lái)。2.理論上，光學(xué)系統(tǒng)中最小橫向分辨率約為0.61/2nsin ，其中為入射光波長(zhǎng)，n 為周圍環(huán)境的折射率，為物鏡的孔徑角。共聚焦技術(shù) 所謂“confocal”，就是使光軸上的物點(diǎn)和像點(diǎn)共軛。 光學(xué) confocal，即在激發(fā)光路和探測(cè)光路中分別加入一個(gè)小孔光闌當(dāng)做空間濾波器，這兩個(gè)光闌被稱為照射光闌和探測(cè)光闌。 照明光闌和探測(cè)光闌相對(duì)于被探測(cè)點(diǎn)（被照射點(diǎn)）來(lái)說(shuō)是共軛的，激發(fā)光路與探測(cè)光路分別都在這兩個(gè)光闌上聚焦，探測(cè)點(diǎn)也被稱為 confocal 點(diǎn)，其所在平面即為 confocal 平面典型的激光共聚焦光路1.激光

6、（綠色線）首先通過(guò)一個(gè)微米級(jí)別的小孔，經(jīng)雙色鏡反射后聚焦在樣品點(diǎn)表面，這個(gè)小孔限制了樣品被激發(fā)的區(qū)域。2.樣品表面發(fā)射的信號(hào)光（紅色線）以正反射式方式透過(guò)雙色鏡并聚焦在另一小孔（探測(cè)光闌）上，這一小孔限制了樣品被探測(cè)的區(qū)域，包括面內(nèi)（x-y 平面）的面積及垂直表面的探測(cè)深度（z），保證不使探測(cè)范圍外的雜散光混入。兩種共焦方法 真共焦 簡(jiǎn)單共焦 (贗共焦)兩種共焦的對(duì)比 真共焦先將激光束經(jīng)透鏡會(huì)聚至一個(gè)針孔（光源針孔），成為典型的“點(diǎn)光源”。這個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的光束在顯微光軸的側(cè)面，經(jīng)由分束板至顯微光軸，再通過(guò)顯微物鏡會(huì)聚在樣品的上述照射點(diǎn)處。位于取樣點(diǎn)（即照射點(diǎn)）的“像斑”處的針孔起到了空間濾波的

7、作用；通過(guò)調(diào)節(jié)針孔孔徑，可以控制及精確地界定被探測(cè)區(qū)域的軸向位置和橫向尺寸。最后再將拉曼光反射到 CCD 接受器。困難在于整機(jī)穩(wěn)定性必須特別高。略有機(jī)械漂移，針孔就會(huì)離位，信號(hào)即被阻斷 贗共焦取消了“光源針孔”，激光束直接引入顯微光軸，也經(jīng)顯微物鏡會(huì)聚至樣品照射點(diǎn)。在樣品照射點(diǎn)的“像斑”處，不用共焦針孔而用狹縫（就用單色儀的入口狹縫）。共焦針孔的二維空間濾波簡(jiǎn)化成狹縫的一維空間濾波了。限制 CCD 探測(cè)器上像素的讀取行數(shù)。于是，狹縫作為一維空間濾波，限制像素的讀取行數(shù)作為另外的一維（與狹縫垂直）濾波，共同形成一個(gè)虛擬的“方孔”，而稱為“贗共焦”放寬了對(duì)機(jī)械穩(wěn)定性的要求，因而可以降低成本。降低了

8、空間分辨率（包括橫向軸向）軸向空間分辨率的對(duì)比共聚焦顯微鏡的優(yōu)勢(shì)1. 信號(hào)光和激發(fā)光都被限制在小區(qū)域內(nèi)，因此大大提高空間側(cè)向的分辨率（x 和 y 方向）。2. 周圍背景的反射光、散射光等均被收集光路上的小孔進(jìn)行了空間濾波，因此降低了背景的強(qiáng)度。3. 提高了視場(chǎng)深度和軸向的清晰度（z 軸）。只有靠近嚴(yán)格焦平面的一個(gè)薄層的部分光信號(hào)才能通過(guò)收集小孔被探測(cè)器收集，而焦點(diǎn)外區(qū)域?qū)τ谔綔y(cè)信號(hào)的貢獻(xiàn)可以忽略，從而提高軸向的清晰度及有效的抑制了雜質(zhì)（如灰塵熒光、樣品背面的污染）產(chǎn)生的背景噪音。分辨率接近于光學(xué)的半波衍射極限。三、共聚焦拉曼光譜的應(yīng)用共焦拉曼光譜區(qū)分寶石真假 同天然紅寶石相比, 人工合成紅寶石的主要拉曼峰如 377, 416 cm-1的半高寬均 6 c m-1, 一般為 8 10 cm-1天然、 人工合成紅寶石的拉曼光譜共焦顯微拉曼光譜深度剖析法在筆跡鑒定中的應(yīng)用顯微共焦拉曼光譜研究電化學(xué)合成聚苯胺膜 在不同的激發(fā)光聚焦深度,聚苯胺膜的拉 曼光譜有明顯變化. 反映出聚苯胺膜的摻雜程度在膜生長(zhǎng)過(guò)程中隨膜厚度