拉曼光谱原理

光镊拉曼光谱技术产品简介光镊拉曼光谱技术（laser tweezers Raman spectroscopy LTRS）结合光镊与显微拉曼光谱技术，可对单个微纳颗粒或单细胞进行操控与生化分析。常规显微拉曼光谱技术可以获得微米尺度分子结构信息，但是对于悬浮气/液体中微小粒子或细胞样品检测时，由于布朗运动或溶液悬浮等因素，很难对样品进行精准定位与测量。光镊技术可以稳定束缚与操纵微纳颗粒及生物分子，有效实现悬浮微颗粒的精准检测。光镊技术对微粒的操控是非接触的遥控方式，不会给对象造成机械损伤，可穿过气/溶液表层界面检测内部颗粒物信息，同时，光镊捕获的微粒尺度为几十纳米到几十微米，是生物细胞、细胞器、生物大分子以及气溶胶等物质尺度范围。拉曼光谱亦是一种无损伤的分子光谱技术，具有谱峰信息丰富，特异性强等优势，因此，光镊拉曼适用于微纳米尺度的单分子研究领域应用。典型应用系统介绍RTS-LTRS 光镊拉曼光谱系统是北京卓立汉光仪器有限公司全新推出的光镊-拉曼联用系统，该系统结合先进的光镊微控技术与拉曼分子识别分析技术，高度集成、性能稳定、易于操作，能够实现同时控制大量(200 个)目标和高精度的微纳米级颗粒物的分析测量。仪器原理和实现方式光镊技术捕获单个颗粒的基本原理如下图所示。激光通过倒置显微镜形成汇聚光线，高度聚焦的激光会在焦点中心形成一个势能梯度中心，称之为势阱或光阱。透明的球形微粒会被光阱在三维空间中捕获，从而进行操控、排列与微小力的测量。更复杂一点的情况是光折射的梯度力与光散射力以及粒子本身的重力与浮力共同平衡，并在限制粒子的布朗运动后实现 3D 捕获操控。光镊原理：采用 100kHz AOD（声光偏转器）高速分时扫描不同位置，从而形成多个光阱；区别于传统的光镊技术，这种技术可以实现：1. 控制目标更多：可以产生 200 个以上的光阱，同时捕获 200 个以上的目标微粒；2. 控制激光强度：0~100%，可独立控制每个光阱3. 控制光阱移动：轨迹、步长、速度等4. 降低光阱的漂移：光阱间漂移仅 0.05nm/min5. 提高测力精度：更加精确定位光阱坐标6. 降低系统噪音：无机械振动，提高整体稳定性结构介绍RTS-LTRS 光镊拉曼光谱系统有两种结构（如下图所示）。结构一：在标准的 RTS2 的基础上配置具有双层无限远光路的倒置显微镜，上层光路多光阱光镊系统，下层光路为拉曼光路出入口，可内置不同波长激光器，也可外部耦合激光器，拉曼信号通过光纤或者空间光路耦合到光谱仪，光路如下：结构二：在标准的 RTS2 的基础上配置具有双层无限远光路的倒置显微镜，上层光路多光阱光镊系统，拉曼激光从显微镜的侧口进入，拉曼信号原路返回接光谱仪，可内置不同波长激光器，也可外部耦合激光器，拉曼信号通过光纤或者空间光路耦合到光谱仪，光路如下：性能优势标配 320mm 焦长影像校正高通光量光谱仪，高像素深制冷光谱 CCD 相机，可扩展 EMCCD，ICCD，InGaAs 阵列等探测器，扩展系统功能；集成化设计，无外置裸露光学元器件；可以实现不同尺寸的多目标悬浮和自由移动，从纳米尺度至百微米尺度；多目标捕获，水中 200 个以上的不同尺寸目标，空气中不同尺寸液滴阵列的捕获；可 XYZ 三维方向精确控制捕获激光和拉曼激发激光焦点之间的相对位置，测试不同位置拉曼信号；非接触、作用力均匀，不会造成对象机械损伤和污染；可对常见样品及微/纳米颗粒、不规则颗粒及气相中的液滴进行 3D 捕获；系统稳定度更高，测量结果受环境干扰更小；操控更加灵活，光阱移动精度更高；避免视场不同位置光阱刚度的差异；可以进行多目标力学测量。典型参数测试案例光镊数据多目标实时测力，力学测量的分辨率可达约 100fN，精确度约 1pN。拉曼数据拉曼-光镊联用数据测试颗粒：浓度为 0.5M 到 2M 的 NaCl 水溶液发生的气溶胶颗粒气溶胶样品捕获拉曼激光定位激发识别回音壁信号峰位峰位信息导入软件液滴半径与折射率测试结果数据 稳定的环境条件下，在 2 分钟内的连续 25 次测量中，液滴半径为 4359.73±0.55nm，分辨率优于 1nm；折射率为 1.3757±0.0002，波动约 0.015%。

紫外共振拉曼光谱系统--UVRaman100 新一代紫外共振拉曼光谱仪中国科学院大连化学物理研究所中国科学院李灿院士及其研究小组自行研制了我国第一台紫外共振拉曼三联光谱仪，获得中国科学院发明二等奖、国家发明二等奖。并于2008年4月8日，和北京卓立汉光仪器有限公司共同组建“现代仪器联合实验室”，强强联手，迈出了研究成果向产品转化的重要一步。紫外共振拉曼系统简述共振拉曼或紫外共振光谱系统组成主要是：1、激光器部分：紫外或可见光激光器，紫外可调谐窄线宽激光器。2、光谱仪部分：三联单色仪＋高灵敏度科学级CCD。3、信号采集部分：高效率光谱采集组件。共振拉曼或紫外共振拉曼的优点是： ◆ 合适的紫外激光激发可以完全避免荧光本底的干扰。◆ 由于拉曼信号强度正比于激发激光频率的四次方，紫外激光激发拉曼信号效率更高。（同等功率266nm激光可激发出比532nm激光高16倍的拉曼信号）。◆ 共振拉曼可以提供很高的共振增强因子，（理论极限可达106倍）从而大幅度提升检测极限。◆ 可以实现选择性激发，当我们把激光器调谐到某物质激发峰上时，可以只对此特定物质实现共振增强提升几个数量级的信号强度，其他物质由于几乎没有共振增强，可以进一步提升信噪比，这一点对于催化和生物研究非常有利。◆ 由于采用的是三联单色仪滤除瑞利散射，而非陷波滤波器，设备可以测试地低到到几个波数的拉曼光谱。设备详细指标与参数1、激光器部分：◆ 325nm HeCd激光器：325nm TEM00 mode 激光功率30mW-50mW输出备选◆ 244nm倍频可调谐氩离子激光器： 244nm TEM00 mode 激光功率24mW 另有229，238，248，250，257，264nm输出谱线◆ 532nm 绿光DPSS激光器：TEM00 mode，激光功率20-100mW备选◆ 窄线宽可调谐掺钛蓝宝石激光器：可调谐范围输出平均功率单个晶体可调谐范围基频700-960nm1W100nm二倍频350-480nm90-500mW50nm三倍频233-320nm20-250mW33nm四倍频193-240nm5-100mW25nm光谱线宽0.1cm-1功率稳定度3% rms注：如须覆盖整个光谱波段需要更换晶体Tips： 共振增强并不是是在一个特定的波长上急剧开始，而是存在着一个波长范围。实际上，即使激发激光的波长处于分子电子跃迁波长之下几百个波数的时候就可以看到5到10倍的增强作用。这个“前共振”增强作用在实验上是非常有用的。我们往往可以采用相对比较便宜的激光器，比如325nm的氦铬激光器，可调谐倍频氩离子激光器虽然不是连续可调谐，也可以达到一定程度的共振增强效应。当然，为了求得最高的增强因子，我们需要一种波长连续可调谐且光谱线宽很窄的的紫外激光器，比如窄线宽可调谐掺钛蓝宝石激光器激光器。2、紫外共振拉曼光谱仪部分A.光谱仪：◆ 光谱仪焦距：500mm ；f/6.5◆ 光栅尺寸：68mm×68mm or 68mm×84mm◆ 扫描最小步长：好于0.005nm◆ 镜片反射率：紫外和可见区的镜子的反射率达到90%B.相减模式拉曼光谱采集◆ 分辨率: 4.0 cm-1 (紫外区), 3.0 cm-1 (可见区)◆ 波数范围：50-4000 cm-1 (紫外区), 25-4000 cm-1 (可见区)C.光谱探测器CCD或EMCCD光谱CCD光谱CCD光谱EMCCD像素数1024×2562048×5121600×400像素尺寸 um26×2613.5×13.516×16成像面积　mm26.6×6.727.6×6.925.6×6.4最低制冷温度 oC-100-100-100电子增益NANA1-1000应用方向：● 催化研究● 生物化学，生命科学● 材料学，高分子科学● 纳米科学● 半导体，光电材料附录：附录1.紫外拉曼与共振拉曼原理与应用简述荧光干扰问题和灵敏度较低严重阻碍了常规拉曼光谱的广泛应用。但近年来发展起来的紫外拉曼光谱技术有效地解决了上述问题。紫外拉曼光谱技术的出现和发展大大地扩展了拉曼光谱的应用范围。右图是紫外拉曼光谱避开荧光干扰的原理图。荧光往往出现在300 nm-700 nm区域，或者更长波长区域。而在紫外区的某个波长以下，荧光极少出现。 因此，对于许多在可见拉曼光谱中存在强荧光干扰的物质，例如氧化物、积碳等，通过利用紫外拉曼光谱技术就可以成功的避开荧光从而得到信噪比较高的拉曼谱图。从下图磷酸铝分子筛ALPO-5 示例可以看出，紫外共振拉曼光谱技术由于能避开荧光，可以成功用于微孔和介孔分子筛材料的表征。紫外拉曼光谱技术的另一个突出特点是，拉曼信号可以通过共振拉曼信号得到增强。共振拉曼效应可以从拉曼散射截面公式得到解释：根据Kramers-Heisenberg-Dirac 散射公式: 在公式 (1)中，ωri 是初始态i到激发态r的能量差频率，ωL是入射激光频率。当激发光源频率靠近电子吸收带时，第一项分母趋近于零，因而其散射截面异常增大, 导致某些特定的拉曼散射强度增加104~106 倍。共振拉曼光谱的谱峰强度随着激发线的不同而呈现出与普通拉曼不同的变化。将紫外共振拉曼用于表征多组份体系时，可以选择性的激发某些组分相应的信息，从而使与这些组分相关的拉曼信号大大增强，得到共振拉曼光谱这种共振增强或者共振拉曼效应是非常有用的一个技术，它不仅可以极大的降低拉曼测量的探测极限，而且还可以引入到电子选择上面。这样，如果我们使用共振拉曼技术来研究样品，不仅可以看到它的结构特征，而且还可以得到它的电子结构信息。金属卟啉，类胡萝卜素以及其他一系列生物重要分子的电子能级之间跃迁能量差都处在可见光范围之内，这使得它们成了共振拉曼光谱的理想研究材料。共振选择技术还有一个非常实际的应用。那就是二分之一载色体的光谱由于这种共振作用会得到增强，而它周围的环境则不会。对于生物染色体来说这就意味着，我们使用可见光即可特定的探测到有源吸收中心，而它们周围的蛋白质阵列则不会探测产生影响（这是因为这些蛋白质需要紫外光才能使其产生共振增强作用）。共振拉曼光谱在化学上探测金属中心合成物，富勒分子，联乙醯以及其他的稀有分子上也是一种重要的技术，因为这些材料对于可见光都有着很强的吸收。其他更多的分子吸收光谱由于处于紫外，所以需要紫外激光进行共振激发，我们就称之为紫外共振拉曼（UlraViolet Resonance Raman Spectroscopy） 紫外共振拉曼光谱技术是研究催化和复杂生物系统中分子分析的一个重要工具。大多数的生物系统都吸收紫外辐射，所以它们都能提供紫外的共振拉曼增强。这样高的共振拉曼共振选择效应使得象蛋白质和DNA等重要生物目标的拉曼光谱得到极大增强，而其他物质则不会，非常便于目标确认及分析。例如，200nm的激励光能够增强氨基化合物的振动峰；而220nm的激励光则可以增强特定的芳香族残留物的振动峰。水中的拉曼散射非常弱，这个技术使得与水有关的微弱系统的拉曼分析也变成了可能。附录2：实验举例◆ 微孔-介孔材料骨架中超低含量的孤立的过渡金属离子(例如Ti-MCM-41)能够通过紫外共振拉曼光谱可靠、准确地鉴别出来。 ◆ 利用紫外拉曼避开荧光和增加灵敏度的特点,可以对分子筛合成过程中的合成前体、中间物以及分子筛晶体的演化过程进行研究。◆ 紫外拉曼光谱可以选择性地得到在紫外区具有强吸收的物质（例如TiO2和ZrO2）的表面相信息。

拉曼光谱系统--ZLX-RS拉曼光谱测量系统介绍 拉曼(Raman)光谱与红外吸收光谱同为研究物质的分子振动能级来分析物质的组成，但相对于红外吸收光谱，拉曼光谱的谱线通常较为简单且有独特性，而且被测物不需进行前处理，因此在判读物质的组成成分时有明显的优势， 然而以前拉曼光谱由于系统组成复杂庞大且昂贵，只有极少数的专家有能力购买与驾驭，从而限制了其应用的推广。幸运的是，近年来由于元器件(全息陷波滤光片，科学级CCD探测器等) 的革命性发展，使得Raman光谱的测量不再昂贵艰难，从而带动了拉曼光谱研究的热潮与普及。 拉曼系统特别适用于反应过程监控、产品识别、遥感，水溶液、凝胶体和其它介质中高散射粒子的判定。拉曼系统的光源也可以选择785nm 半导体激光器, 、514nm氩离子激光器50mW或100mW的532nm全固体绿光激光器或HeNe激光器。 系统组成：光源系统+分光系统＋检测系统＋数据采集及处理系统＋软件系统＋计算机系统 卓立汉光提供ZLX-RS系列组合式拉曼光谱测量系统，模块化的设计，便于根据实验的需要，灵活的选择所需的组件，适用于科研院所、高等院校物理实验室和化学实验室的拉曼光谱及荧光光谱的测量，结构简单、便于调整及测量、灵敏度高、稳定性好。 ZLX-RS-532型组合式拉曼光谱测试仪，采用532nm波长DPSS全固态激光器作为激发光源，高分辨率、低杂散 光的单色仪作为分光器，进口陷波滤波片作为陷波滤波器，采用高灵敏度PMT作为光电探测器，并经光子计数数据采集系统进行数据处理，配有多种附件，适用于液体、固体样品的分析。系统采用USB2.0通讯接口，方便用户自行选择笔记本电脑作为控制电脑。系统包含如下几个部分： 半导体激光器一台，单色仪一台，激光器支架一个，样品室及样品架（包括三维可调垂直样品架，水平液体样品架，固体、粉末样品架等），单光子技术系统一台，控制软件一套，电脑一台，小型光学平台一张。ZLX-RS-532参数及性能指标单色仪焦距300 mm单色仪F/#f/3.9光 栅1200g/mm，闪耀波长500nm单色仪狭缝宽度0.01-3mm连续可调，示值精度0.01mm信号处理器单光子计数器激发光源DPSS激光器输出波长:532nm输出功率:&ge 50mW波长范围200-900nm信噪比＞12000:1（水拉曼信噪比，激发波长532nm，积分时间：1s）波长准确度&le ± 0.2nm波长重复性&le 0.1nm杂散光&le 10-4线色散倒数2.7nm/mm光谱分辨率＜0.1nm(@波长在435.83nm)计算机接口USB2.0