拉曼技术和激光要求

作为振动过渡的探讨，拉曼散射在首次被发现并且被认为是一种现象，导致了各种方案和项目的发展具有相当大的成功的现象。

应用范围从基础科学研究延伸到工业和医疗仪器。有些过程利用线性喇曼散射，而另一些则利用高峰功率场探测非线性拉曼响应。这篇文章的目的是提供一个简明概述的各种好处和差异，结合激光源的要求和新方法的进展，使激光最近的发展。

线性拉曼

激光的出现及其提供高强度相干光源的能力使拉曼散射成为一种有效的光谱学方法。这是通过增加自发事件的信号水平来实现的，以方便使用现成的探测器。到目前为止，最常用的技术是线性拉曼，它利用商业连续波激光器的优势。

激发波长的选择受所用样品的影响，通常，较短的波长会产生更高的效率，但会增加散射，并可能在紫外区域内对生物样品造成损害。二极管泵浦固体激光器(DPSS)，波长在473 nm和1064 nm之间，窄带宽输出几十GHz或低于1 MHz，如果需要整个振动跃迁的线宽为高分辨率，低噪声(小于0.02%)和高超的光束质量(基本横向电磁模式TEM00)提供了所需的拉曼测量分辨率的性能优化。

波长是根据所讨论的样品选择的，532 nm一般用于必要的虚电子跃迁。在下一节中，来自不同领域的拉曼应用的四个例子说明了线性拉曼的应用范围和已经取得的进展。Jernshøj等人描述了一个研究实际应用的例子，即使用拉曼光谱和多元分析有效控制食品质量。¹

在设计实验室环境之外的系统时，对肉类和蔬菜的质量进行检查和审查，以及来源规范。对于现实世界的应用，激光源必须在正确的输出参数下工作，同时保持一个坚固的设计，使其便携和非常高效，考虑到集成到其他仪器，并能够成功地与操作软件的接口连接。接下来的两个实验得益于窄线宽激光源提供的高分辨率以及高质量光束。

图1所示。一个计算光合微生物的RR微流控装置的例子。当模型菌株Synechocystis sp. PCC 6803的细胞流过微流控装置的拉曼检测区时，每秒连续获得约27次的RR光谱。用v1 RR带分化12c -和13c细胞。12个C-细胞和13个C-细胞的条带强度分别以绿色和红色表示。放大23.3 s附近的部分图，显示13c -和12c -细胞依次通过拉曼检测区域，彼此相距约0.1 s;这两个细胞未经处理的RR光谱显示所有类胡萝卜素RR带都有明显的红移。图片来源:经Li等人许可转载(改编)²．版权所有(2012)美国化学学会

应用单纵模(SLM)激光在532 nm和1 MHz的线宽允许从类胡萝卜素激发高分辨率共振拉曼(RR)光谱来区分¹³有限公司₂和¹²有限公司₂，用于细胞群的高通量分析²，见图1。正在研究的细胞来自光合微生物，在生物技术和可再生能源领域具有特殊价值。在整个研究过程中，已经制备了一个高通量拉曼活化细胞分选(RACS)系统，用于进行拉曼活化细胞计数。

具有高精度集中激光束的能力，提供0.5-1μm的空间分辨率，这是看看各个单元所需的0.5-1μm。JI等人向上提出了一种用于准确定量测量原子薄膜中的光学迁移率的独特方法.JI等人提出了高分辨率拉曼。^3.利用强磁场使拉曼模强度发生相当大的变化，在一个平面出现，而不是在平面外的拉曼模。它是由磁场引起的对称破缺引起的。对依赖于场的拉曼强度的定量分析可以确定光迁移率。低噪声和高功率稳定性对定量测量至关重要。

此外，使用的SLM激光器(激光量子环面)的高质量光束，允许在测量设置中进行共焦微拉曼。在连续波(CW)拉曼中，最常用的线宽是GHz的几十秒，在这里，大多数强激光器都很容易获得。在癌症研究中，筛查细胞的潜在癌症行为需要一个自动分析系统。这种基于激光镊拉曼光谱(LTRS)的系统是由Casabella等人提出的。⁴

TEM00中最高阶的光束质量确保了近焦以及持久、稳定的光束指向，这是在微流控通道中捕获单个细胞和拉曼测量所必需的。我们使用了两种不同波长的激光(捕获波长为1064 nm，拉曼波长为532 nm，都来自激光量子Ventus系列)，通过其远程控制操作的能力，这两种激光被很好地纳入了整个系统控制。

当拉曼转换发生接近真正的转换时，一些样本使得更有效和有效的散射。但是，并非每一个兴趣样本都会产生这种好处。诸如表面增强拉曼散射（SERS）或作为子发出的尖端增强拉曼散射（TERS）的变化的开发增加了线性拉曼的灵敏度和空间分辨率。

在SERS中，利用结构表面增强拉曼信号水平，并通过这些结构优化电场。普拉卡什和他的同事指出，近年来，混合结构利用含有磁性材料的纳米级半导体，由于其卓越的SERS性能而引起了人们的兴趣。欧洲杯足球竞彩⁵

在TERS中，激发光通过原子力显微镜（AFM）尖端被引导到样品上，在等离子体效应下。这促进了克服激光点的衍射极限的能力，其空间分辨率增加，以及由于尖端几何形状而输送现场增强。在某些情况下，在样品上的目的地，由于在激发体积内减少的振荡器（分子）的数量减少的振荡器（分子）而导致的场地引起的信号增加。具有优异偏振程度的高质量激光束允许仅略微镜头到AFM针上的焦点。

此外，这产生了极化相关的表面等离子体的有效激发:在针的尖端负责电场增强的机制。库马尔的欧洲杯猜球平台文章⁶和langelüddecke.⁷突出方法和概述各种应用。正如输入耦合到显微镜设置的习惯，良好的光束指向稳定性和几分钟的快速预热时间可以提供可靠的日常操作，有助于良好的集中研究。

图2。低温下用特高压- stm检测卟啉衍生物的单分子TERS。(A)粉末的拉曼光谱代表许多方向，然而(B) TERS能够分辨分子倾斜，(C)也显示了一个平面方向的分子的单分子分辨率。特别是TERS光谱(B)和(C)之间的差异是显著的。图片来源:经Xhang等人许可改编⁸版权所有麦克米伦出版有限公司2013

接下来，在转向非线性拉曼之前，概述了使用TERS取得的两个例子。TERS的高空间分辨率允许通过测量光谱来显示单个分子的倾斜度，参见Zhang等人的论文中的图2。⁸

图3。a)沿纳米颗粒/玻璃界面行扫描的尖端增强拉曼光谱。欧洲杯猜球平台在700 cm以下的叠加表现出若干阶模态⁻¹， 2LO模式约1323厘米^-1，自旋波模式在1587 cm左右⁻¹．用于获得这组光谱的步长为1 nm。插图中显示了在TERS线扫描期间获得的AFM图像(b)三种模式沿线扫描的强度分布图，显示了当TERS尖端位于纳米颗粒上时，自旋波强度急剧增加。当尖端缩回(尖端脱落)时，所有模态的强度都随之降低。(c)尖端-纳米粒子构型示意图显示了相对于尖端，粒子两侧之间的各向异性。晶体切面和边缘根据Rodriguez等人设置。²⁷图片来源:经Rodriguez等人许可转载(改编)。⁹版权所有(2007)麦克米伦出版有限公司2013。

此外，使用0.5nm的空间分辨率，见图。2（右侧），作者可以解析单个卟啉衍生物的环系统。在另一个Captivate实验中，TERs能够暴露氧化铁纳米粒子中的旋转波，如Rodriguez等人所述。⁹并在图1中示出。3使用微拉曼实验。

非线性拉曼

为了显着提高拉曼工艺的效率，已经检查了各种相干（非线性）拉曼工艺。非线性拉曼工艺使用至少两个不同的波长，而且还利用等效的拉曼主动振动模式作为线性拉曼方法。通常，采用两种不同颜色的激光束和脉冲模式的激光设置允许更复杂但相干的过程，其产生通常更高级的信号。在实践中，线性拉曼相干拉曼散射的益处是这整体更高的信号。在连贯的抗组织拉曼散射（汽车）中，施加两个波长之间的差异以连贯地驱动拉曼过渡。通常，通常使用两个窄带宽PicoSecond电子同步激光脉冲列表，其中一个扫描在波长中扫描汽车光谱。汽车信号的形状因线性拉曼而变化，还有一般的灵敏度受到信号的谐振和非共振部分之间的区别。谢谢同仁的书中提出了该技术的轮廓。¹⁰

相干拉曼的替代方案是受激喇曼散射(SRS)它还使用两种不同颜色的激光同步输出脉冲来相干地驱动非线性过程。这样做的好处是大大减少了非共振背景，输出轨迹相当于传统的拉曼光谱，使现有的化合物结果数据库与测量数据的定量解释结合起来使用。¹¹

SRS利用一束激光的调制，这是一种双调制技术。受激拉曼增益和反向损耗检测(SRGOLD)提出了无背景检测，是使用三色激光束激励方案的最新变体。¹²基本上，CARS和SRS的不同版本都可以使用飞秒或皮秒激光器(甚至纳秒激光器)进行，每一种都有不同的优点和缺点。

在过去，使用了两个电子同步可调谐激光源¹³，或者像今天更常见的，提供光同步脉冲的光学参量振荡器。然而，目前商业上可用的实现往往受到调优速度的限制，因此CARS/SRS频谱获取缓慢。¹⁴

一种改进的解决方案是使用多路CARS，它可以显著提高采集速度，甚至允许单波束能力^15日16或多路复用SRS。^17,18利用这种方法，窄带泵和宽带箭头脉冲，甚至仍​​然，具有相位整形的一个超宽带频谱提供了所有波长，其能够同时记录大量拉曼偏移。

然而，并行检测可能需要先进的和独特的特定探测器和电子设备。¹⁸在近红外光谱中，极宽带激光振荡器通常提供约400 nm的带宽，以及高重复速率放大系统(如OPCPA提供更大的带宽300 nm)，宽带单束拉曼技术已经成为可能。

带宽可使波数范围高达4000厘米^-1．它还具有多种方式的有效组合，或者使用光电二极管的形式使用相对简单的检测器来实现多种模态的高效组合。使用宽带宽的汽车一种应用是基于光谱聚焦的缺点。¹⁹一个依赖于玻璃拉伸器的基本实现是用两对(或更多)泵/斯托克斯脉冲同步测量两个振动频率，称为差分CARS(或D-CARS)。该技术的一个主要优点是对最终图像的快速采集速度为几秒，并利用D-CARS信号有效地抑制非共振背景。

这种基本分析方法能够快速区分饱和脂和不饱和脂。^20.供应适当大的带宽的激光源不仅允许单梁汽车，而且还采用了多峰或高光谱方案，它们合并覆盖2600厘米的波数范围的D-CARS^-1分辨率为10厘米^-1与二次谐波产生(SHG)以及双光子荧光(TPF)成像相结合——所有这些都来自于单个光束，同时使用脉冲整形器。^21日,22日

图4。TPF(绿色)，皮下脂肪沉积的CARS(红色)和小鼠尾部组织的胶原蛋白(蓝色)的SHG。图像信用：转载（适应），权限由POPE等。⁹美国光学学会版权所有

图2中提供了示例图像。图4示出了多于一个成像模块的信息。使用八度跨越振荡器（激光量子Venteon）和空间光调制器来进行单脉冲（单梁）车显微镜的早期实施。²³

图5。在2930厘米处选择性激发未染色的HeLa细胞的CARS图像⁻¹(一),3200厘米⁻¹（b）和3400厘米⁻¹(c).比例尺为6 μm。图片来源:经Isobe等人许可转载(改编)²³．版权所有(2009)美国光学学会

在图中。如图5所示，从该实验中提出了未染色的HeLa细胞的汽车图像，说明生物样品的相关性和应用。利用八度高跨越振荡器使研究人员能够集中在窄的光谱区域上。1000厘米^-1到4800厘米^-1．目的是快速测量光谱CARS，傅里叶变换(FT) CARS技术显示出巨大的潜力。奥吉尔韦等人已经证明了这一原理²⁴在泵浦探头型双脉冲设置的基础上使用100 MHz振荡器。

在这种方法中，CARS的频谱是通过CARS干涉图的傅里叶变换获得的，即CARS的发射作为两个相同共线激励脉冲序列之间的时间延迟的函数，以及序列脉冲之间产生的时间延迟。非共振背景可以通过简单地去除零延迟附近的贡献来消除。

图6。(a, b)整合在2800-2900厘米光谱波段构建的未染色HeLa细胞CARS图像⁻¹(a)， 2900-3000厘米⁻¹(b). (c) NSC处理后重建的未染色HeLa细胞的三张CARS图像的组合图像，使用来自线粒体或内质网(蓝色)、细胞核(蓝色)和水(红色)的CARS光谱。比例尺为8 μm。图片来源:经Isobe等人许可转载(改编)²³．版权所有(2009)美国光学学会

通过简单的Si-Diode可以实现汽车信号的识别。使用5 FS振荡器，光谱带宽为4000厘米^-1FT CARS在单次测量中应用于生物样品的带宽已被证明。²³由FT汽车（图6）获得未染色的HeLa细胞的图像，示出了线粒体或内质网，细胞核和水的区分。

使用FT CARS获取完整CARS频谱的速度取决于两个脉冲能以多快的速度通过辅助CARS干涉图所需的延迟时间。刷新时间依赖于这个循环可以重复的速度。协助干涉图的时间延迟依赖于相干喇曼激励的失相时间，这通常是在皮秒(ps)时间尺度上。

干涉的非共振背景只在短延迟时间内存在，因此可以通过适当定位数值变迹窗口完全抑制。²⁶在IENOBE和同事发布的工作的应用中，使用机械延迟线。²³加快测量速度的初始步骤是利用异步光采样(ASOPS)双梳式设置。在这里，两个重复频率锁定的激光振荡器在重复频率上有轻微的偏移，用来产生脉冲对。²⁴

在这种情况下，刷新时间是由激光重复频率的倒数产生的。一次扫描的测量时间取决于两个脉冲的延迟速度如何覆盖干涉图的时间框架。在Ideguchi的实现中，使用1 GHz重复频率振荡器的优势超过了100 MHz重复频率振荡器²⁵是10倍高的刷新率。因此，这意味着10倍的占空比-相同积分时间的测量数-结合在相同重复率差异下的更高的采样步骤密度。

换句话说，在相同采样步长下使用GHz重复频率可以执行更高的刷新时间，即单位时间内更多的测量。快速采集时间和高刷新率允许测量瞬变或短生命物种。最近，一个使用两个GHz振荡器的双梳状CARS系统的初步实现已经完成。²⁶发射脉冲的带宽是60nm，允许子20 fs压缩脉冲。它们允许跨度从400-1400厘米的测量值^-1分辨率为6厘米^-1由傅里叶变换的时间窗产生，以kHz刷新率，一次扫描的实时采集时间短至5µs。

图7。甲苯、氯仿、环己烷的混合比例为1:1:1的双梳CARS光谱。重复频率的差异为δf rep 600hz。apodized分辨率为6厘米⁻¹并取120个谱的平均值。测量时间为2 ms，总实验时间为200 ms。图片来源:经Mohler等人许可转载(改编)²⁶．美国光学学会版权所有

为了说明该技术可以以合适的分辨率测量以区分不同的物质，已经采取了氯仿，甲苯和环己烷的混合物的光谱，参见图3。7.虽然甲苯和环己烷的两个相邻峰仅为13厘米^-1除了，他们明确解决。测量表明，线性依赖性的浓度最大以及脉冲能量，在探索定量分析时将是有用的。使用具有SUB-20 FS的振荡器允许将设置扩展，具有多模式或高光谱操作的容量。

结论

综上所述，我们提出了一系列线性拉曼的应用，以证明它们利用高超的光束质量、优秀的光束指向和低噪声的现代激光源的功率稳定性，包括适用的窄线宽特性。

高效、强大和远程操作的潜力为所有应用程序提供了主要优势，同时也是与工业或自动化系统良好集成的要求。由于更容易访问，覆盖数百纳米光谱的宽带脉冲激光源允许快速和相干喇曼测量以及提供有效的多模态。最后,傅里叶变换的汽车结合双梳技术，在微秒内提供快速光谱CARS测量。与现成的100 MHz振荡器相比，使用GHz重复频率振荡器提供了高出10倍的频谱采集刷新率。

致谢

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