全内反射拉曼显微镜

拉曼显微镜用于生命科学、制药、地质和矿物学以及半导体工业等领域。传统的色散拉曼显微镜由激光、基于显微镜的样品室、光谱仪、探测器和光学器件组成。图1显示了仪器布局，其中激光被聚焦到样品上的显微镜物镜和拉曼散射是通过同一物镜在外延方向上收集的。(注意:为了用户安全，激光不能进入显微镜目镜内。)

图1:使用外延方向显微镜的常规拉曼仪器示意图。

拉曼信号通过显微镜上的侧端口传递到具有与Andor HoloSpec mq /1.8i摄谱仪匹配的f值的收集透镜。该光谱仪的主要优点是其组件的模块化性质，即入口狭缝和光栅可以根据不同的激发波长或应用要求轻松交换使用。然后拉曼散射通过狭缝并反射到全息光栅上。经过光栅的反射，衍射光被投射到2048 × 512像素的安多牛顿940 CCD上。光谱坐标的校准使用已知光谱峰位置的标准(例如50/50 v/v乙腈甲苯)进行。图2显示了使用30 mw 532 nm激发得到的背景减去1500 nm聚苯乙烯薄膜的光谱。通过激光对舞台进行光栅扫描，可以生成拉曼图像^[1]．其他的拉曼成像技术也被开发出来，其中可调谐滤波器被用来成像特定波数区域拉曼散射的存在^(2、3)．整个图像是用成像CCD在一次曝光中拍摄的，但可调谐滤波器必须为收集的每个波数区域进行调整。

图2:1500纳米聚苯乙烯薄膜的拉曼光谱显示其特征峰。

全内反射(TIR)拉曼显微镜可以用来测量薄膜和界面现象与减少背景从体介质。薄膜的检查是许多领域的重要工作，例如基于薄膜的电子器件的分析。在薄膜的情况下，由于探针体积小，拉曼信号量减小。获得有意义的薄膜测量的另一个复杂问题是来自大块的信号，包括来自光学和大块介质的背景，这些信号可能占主导地位。TIR拉曼显微镜的优点是用倏逝波探测样品，而不是直接照明，因此限制了获得拉曼信号的距离。TIR拉曼显微镜可用于增强来自薄膜的信号和拒绝背景信号。

图3:棱镜样品界面示意图，显示折射和反射光的条件。

TIR要求激光被定向到介质1和2之间的界面(图3)与η折射率₁>η₂在入射角(θ_我)大于或等于临界角(θ_c)，由斯涅尔定律决定:θ_c=罪^－1(η₂/η₁)．有两种途径可以实现TIR:将激光通过物镜或使用外部棱镜。通过物镜需要一个准直激光，通过一个高数值孔径(一般为1.45或更高)物镜被指向离轴。通过物镜的TIR具有易于设置的优点，但受到有效角度范围的限制，如果不能达到给定界面的临界角度，则可能会出现问题。大多数物镜的折射率通常限制了对水体系的使用。或者，样品可以光学耦合到外部棱镜。

基于棱镜的TIR允许广泛的可用角度和棱镜材料的选择。缺点之一是将激光传送到棱镜所涉及的仪器复杂。这可以通过使用如下所述的纤维来缓解。图4显示了基于棱镜的TIR拉曼显微镜的原理图。激光被聚焦到光纤上，光纤的另一端以可变准直器终止，以将激光聚焦在高折射率的半球面棱镜上。安装在旋转台上的手臂被设置为旋转中心在样品平面上，不移动。然后激光被引入到棱镜上的相同位置，而不管角度如何。拉曼散射的收集与上述常规拉曼显微镜相同。

蓝宝石/聚苯乙烯/空气界面的TIR拉曼光谱如图5所示(15 mW 532 nm激发)。当激光入射角接近64°(接近蓝宝石/聚苯乙烯界面的临界角度)时，测量的拉曼信号发生增强。TIR拉曼显微镜是相当敏感的，可以用来测量单个单层^[4]．

致谢

迈克尔·d·莱索因、艾米丽·a·史密斯著。拉曼仪器的建造是由艾米丽·史密斯教授在艾姆斯实验室的研究小组完成的，并得到了美国能源部、基础能源科学办公室、化学科学、地球科学和生物科学部门的支持。艾姆斯实验室由爱荷华州立大学为美国能源部运营，合同编号为。DE-AC02-07CH11358。

参考文献

1. Ploetz大肠;Laimgruber,美国;伯纳,美国;Zinth w;应用物理B:激光与光学2007,87,389。
2. 鲍登,m;鲍登;加德纳,g;大米、d;杰拉德，M.拉曼光谱学杂志1990,21,37。
3. 威尔斯，d.k.;贾伟强;罗森布拉特，通用汽车应用Opt. 1987,26,3530。
4. 麦基，k.j.;梅耶，m.w.;史密斯，E. A.分析化学2012,84,4300。