1、前言

  常遇用户询问PL（光致发光）如何测量，有的用户自己有共聚焦拉曼，却送样出去找专门的仪器测试PL光谱，白白浪费测试费。也会收到不少用户采用大光路荧光光谱仪（如大型稳瞬态荧光光谱仪）测量样品效果很不理想（如杂峰很多），后来找我们采用显微拉曼获得非常好的测量结果。拉曼和荧光在很多场合看上去是截然分离的，相互干扰，属于两个不同的研究群体，但在测试技术原理方面，两者有着极其相似的表观现象和实现路径，本期就这一问题抛砖引玉，便于研究者准确选择合适的设备和技术来表征样品。

2、拉曼光谱和荧光光谱理的异同

    如下图1为瑞利散射、拉曼散射和荧光现象的电子跃迁和退激路径，瑞利散射即我们常见的吸收光谱、反射光谱或散射光谱，其核心是光子的波长（即能量）不变。拉曼散射和荧光现象在能级跃迁和退激的机理上差异比较大，但是其表观现象是几乎一模一样的，即激发波长和发射波长不一样，请记住这个不一样，他非常重要，这表明拉曼仪器可以测荧光，荧光仪器也可以测拉曼。拉曼现象里面有斯托克斯位移和反斯托克斯位移，对应于拉曼波长相对于激发波长变长和变短。在荧光现象里面也有这个现象，即下转换荧光和上转换荧光。

      

                                                 图1 主要光谱技术的能级变化示意图

    这里举两个典型的例子便于大家理解。二硫化钼是一种典型的具有PL光谱的二维材料，532nm激发，可以同时获得二硫化钼的拉曼信号和PL信号（如下图2）。这里展示拉曼位移和波长的横坐标对照，是为了不同领域的研究者容易理解拉曼光谱和荧光光谱在仪器本身的测试原理上是一致的。

                        图2 二硫化钼拉曼光谱和PL光谱                       

    另一个典型的例子是大型稳瞬态荧光光谱仪的灵敏度使用水拉曼信号来评价的（如下图三）。图四的CCl₄拉曼光谱也是采用荧光光谱仪测到的。 

       图3 超纯水的拉曼光谱                        图4  CCl₄拉曼光谱

    上面给出的案例表明了拉曼光谱仪和荧光光谱仪在测试原理上的相同之处，某些场合甚至可以交换使用。那么两者能否相互取代呢？答案是否定的，下面来说说两者的差异。

    首先，激发光源的差异。如下为532nm波长拉曼光谱仪激发的水拉曼光谱，与图三采用氙灯激发的水拉曼相比，峰型有明显的区别，采用拉曼光谱测量的水拉曼明显有两2个及以上的峰组成，荧光光谱仪测量的水拉曼则是高斯分布的单峰。根本原因出在了激发光源的巨大差异，拉曼光谱的激光器线宽要求≤0.05nm，荧光光谱测定水拉曼的带宽为5nm，两者带宽相差100倍。激发波长的线宽会直接影响拉曼光谱的分辨率，图6的CCl4拉曼光谱和图4比，再次印证了激发光源带宽的重要作用。因此在市面上几乎很难找到连续光谱光源的拉曼光谱仪，绝大部分都是窄线宽的单波长激光器作为拉曼光谱仪的激发光源。当然，我们站在荧光光谱仪的角度，要求获得激发光谱，不同样品灵活选择最佳激发波长，连续光谱则是最佳选择。

              图5水的拉曼光谱（拉曼光谱测定）                      图6 CCl4的拉曼光谱（拉曼光谱测定）

    其次，激发效率和样品类型的差异。实际应用中，荧光光谱仪面对的大部分样品状态是液体，或荧光量子效率高的固体样品，用荧光光谱仪几乎无法测到固体样品的拉曼信号，也很难测定荧光量子效率低的半导体样品。反过来，只要在荧光样品的激发光谱范围内，都能用显微共聚焦拉曼光谱仪获得荧光光谱。这个现象的根本原因是显微共聚焦拉曼将激光光束被聚焦压缩到微米级尺寸，激发的功率密度数量级提高，高倍物镜的信号收集效率也大大高于荧光光谱仪的收集透镜所致。

    再次，系统的杂散光抑制能力的差异。由于拉曼光谱的峰代表了物质结构，不允许样品本身以外的任何干扰信号被测量到，因此共聚焦拉曼光谱仪是一套将杂散光抑制做到极致精密光学系统。该系统激发光源进行了纯化（干涉滤光片）、10⁷级别的深度截止滤光片套件用于滤出瑞利散射、高杂散光抑制比单色仪和深度制冷CCD探测器。相对而言，荧光光谱仪可以说在杂散光抑制方面基本没做任何特殊设计，仅仅凭借单色仪光栅分光的能力，遇到杂散光高的样品，通常在发射端放置滤光片来解决。荧光光谱仪的设计出发点本身就是测量荧光信号强的样品，因此对于弱发光+高散射样品有时候就显得无能无力了。

    当然，拉曼光谱仪和荧光光谱仪还有更多的差异，比如荧光光谱仪要求能够测量荧光寿命和绝对量子产率，拉曼光谱仪要求具有拉曼光谱扫描成像功能等，本文不做深入讨论。

3、共聚焦拉曼光谱仪测量荧光的优势

    通过以上分析，我们能够容易得出共聚焦拉曼光谱仪测量荧光的两个显著优势：

    首先，高信噪比。如前所述，高信噪比是拉曼测量荧光无与伦比的优势，这是有共聚焦拉曼系统本身设计特点决定的。如图7为荧光光谱仪测量一种半导体薄膜样品的PL光谱结果，图8则为显微共聚焦拉曼测量结果。由结果可以看出，荧光光谱仪测量的PL光谱包含了大量的干扰信号。这些信号主要来自氙灯，由于单色仪本身的杂散光抑制率在10⁴级别，很难完全消除激发波长以外的杂散光干扰，这些氙灯带来的杂散光用高通滤光片是无法消除的，测试结果很容易误导研究者。

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             图7 荧光光谱仪测量半导体薄膜PL光谱                        图8 拉曼光谱仪测量半导体PL光谱       

    其次，荧光（PL）扫描成像。在传统荧光技术领域，很少被要求扫描成像，但在半导体PL研究领域则一直是有相关要求的。随着科学技术的发展，传统荧光领域也对扫描成像提出了要求。如下展示部分采用共聚焦拉曼光谱仪获得的PL光谱扫描成像结果。共聚焦拉曼光谱仪在荧光光谱扫描成像具有极其优异的表现。 

              图9 一种荧光探针结晶后的PL光谱扫描成像

               图10 2厘米见方钙钛矿薄膜PL扫描成像结果

            图11  2英寸铟磷晶圆的PL光谱扫描成像

    共聚焦拉曼光谱仪在测量荧光（PL）光谱仪方面也是存在明显的局限性的，也主要表现在以下两个方面：

    首先，激发波长的限制。我们大多数的拉曼光谱仪配置的激发波长为532nm、633nm和785nm。如果样品的激发光谱不在这个范围内（如需要紫外波长激发），则拉曼光谱仪就完全无能为力了。通常在商品化的共聚焦拉曼光谱仪上面加载激发波长是非常困难和昂贵的，很多拉曼系统不能同时兼顾紫外、可见和近红外全光谱（如250-1700nm），显微物镜大多数只能满足380-1200nm范围的激发和信号收集。

    其次，价格昂贵。激光共聚焦拉曼光谱仪动辄大几十万，高至两三百万，增加一套激发波长的价格也是十数万至数十万，特别紫外激发波长和超过1000nm荧光光谱测量的近红外，价格可能需上百万。相对而言，荧光光谱仪的激发波长连续可调，探测波长扩展至近红外的代价相对于拉曼光谱仪也低很多，对研究者的经费预算更为亲民。

    综上所述，拉曼光谱仪和荧光光谱仪有很多的相似性，也有显著的差异，共聚焦拉曼光谱仪能够被用于测量荧光光谱或光致发光光谱（PL）的。根据实际应用选择合适的表征技术将达到事半功倍的效果。

5、仪器推荐

DeepBlue2000共聚焦拉曼光谱仪具有完全的开放性，包括如下特点：

    1、激发波长的开放。激光光路可以根据需要选择自由光路和光纤光路，自由光路耦合效率高，光斑质量好；光纤光路兼容性好，滤光片允许的情况下可以更换多种激发波长。同时，滤光片支架设计合理，更换和调节方便，灵活性强。

    2、拉曼/荧光光路的开放。信号收集可选用光纤光路，便于方便更换不同的测量光谱仪。如，对于近红外光谱测量，采用低价值的小型光纤光谱仪即可，极大的节省了科研经费。无需百万级别，即可玩转近红外二区的显微荧光光谱测量。

    3、光学系统的开放性。DeepBlue2000光学腔体设计简洁，空间大，方便新增或更换不同的光学镜片，可适配反射式物镜，实现250-1700nm宽光谱范围的测量。

    本文以上提供的PL光谱和PL光谱成像均可采用该系统实现。

参考文献：

1、CCl₄的激光拉曼光谱研究 物理与工程2009