全内反射拉曼显微术

拉曼显微镜应用于生命科学、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器、基于显微镜的样品单元、光谱仪、探测器和光学器件组成。图1显示了一个仪器布局，激光通过显微镜物镜聚焦在样品上，通过同一物镜在外展方向上收集拉曼散射。(注意:为了用户安全，应阻止激光进入显微镜目镜。)

图1:利用外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孔传递到一个f数与Andor HoloSpec的相册/1.8i光谱仪相匹配的收集透镜。该光谱仪的主要优点是其组件的模块化特性，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。拉曼散射然后通过狭缝并反射到全息光栅上。从光栅反射的衍射光被投射到2048 × 512像素的安铎牛顿940 CCD上。使用已知光谱峰值位置的标准(例如50/ 50v /v乙腈甲苯)进行光谱坐标校正。图2显示了用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，其中一个可调谐滤波器被用来成像拉曼散射在特定波数区域的存在^(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针对收集到的每个波数区域进行调整。

图2:1500nm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。对薄膜的研究在许多领域都是一项重要的工作，例如基于薄膜的电子器件的分析。在薄膜中，由于探针体积小，拉曼信号量降低。要获得有意义的薄膜测量，更复杂的是来自体的信号，包括来自光学和体介质的背景，可能支配信号。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，因此限制了拉曼信号获得的距离。TIR拉曼显微镜可用于增强来自薄膜的信号和排斥背景信号。

图3:折射和反射光条件的棱镜样品界面示意图。

TIR要求激光定向到介质1和介质2(图3)之间的界面上，其折射率为η₁>η₂入射角(θ_我)大于或等于临界角(θ_cθ_c=罪^－1(η₂/η₁)．实现TIR有两种途径:通过物镜发送激光或使用外部棱镜。通过物镜需要定向离轴的准直激光通过高数值孔径(通常为1.45或更高)物镜。通过物镜的TIR具有容易设置的优点，但受有效角度范围的限制，如果不能达到给定界面的临界角度，这可能是有问题的。大多数物镜的折射率通常限制了其在水溶液系统中的用途。或者，样品可以通过光学耦合到外部棱镜上。

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的复杂性。这可以通过使用下面描述的光纤介绍来缓解。图4为基于棱镜的TIR拉曼显微镜示意图。激光被聚焦到光纤上，光纤的另一端装有可变准直器，以将激光聚焦在高折射率的半球面棱镜上。安装在旋转台上的臂被设置成旋转中心在样品平面上而不移动。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面描述的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(15mw 532 nm激发)。当激光入射角接近64°时，测量到的拉曼信号增强，这接近蓝宝石/聚苯乙烯界面的临界角度。TIR拉曼显微镜是非常敏感的，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;应用物理学B:激光与光学2007,87,389。
2. 鲍登,m;鲍登，d.j.;加德纳,g;大米、d;拉曼光谱学杂志1990,21,37。
3. 维尔(Veirs);贾文强;罗森布拉特，g.m.。选1987,26,3530。
4. 麦基，k·j;梅耶，m.w.;分析化学2012,84,4300。