科普系列文章——揭秘五大常见拉曼技术：从基础原理到应用优劣势的全面解析

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拉曼散射作为一种重要的光谱分析技术，近年来发展出了多种变体，包括自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering）、相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS）、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）、表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering, SERS）以及针尖增强拉曼散射（Tip-Enhanced Raman Scattering, TERS）。这些技术各具特色，在化学分析、生物成像、材料科学和生命科学等领域中有着广泛应用。本文将详细分析每种拉曼技术的基本原理及其优劣势，帮助读者更好地理解并应用这些技术。科普系列文章——带你全方位了解Raman光谱






一、自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering）



                                自发拉曼散射是最基础的拉曼散射形式。当单色激光照射到样品上时，入射光子与分子发生相互作用，有一小部分光子会发生非弹性散射，即光子的能量会发生变化，这就是自发拉曼散射。自发拉曼散射可以分为两种形式，入射光子将一部分能量转移给分子的斯托克斯散射（Stokes scattering）和入射光子从分子中获取能量的反斯托克斯散射（Anti-Stokes scattering）。通常情况下斯托克斯散射信号强度要强于反斯托克斯散射信号强度，二者的比值与分子的振动状态有关，因此可以反映分子的温度等信息。
自发拉曼散射能够广泛应用于液体、固体和气体的分析。其操作简便且适用于多种样本类型，可以获取样品的详细化学成分信息。因此，在基础研究中，自发拉曼仍然是不可或缺的工具。然而，自发拉曼的信号较弱，灵敏度不足，这意味着其在痕量检测中的应用受限。此外，由于拉曼散射的信号强度通常较低，检测需要较长的积累时间，这在实际应用中可能会成为瓶颈。


图1、 自发拉曼散射原理和应用。
（a）自发拉曼散射原理示意图。（b）利用自发拉曼散射判断二硫化钼材料厚度。






二、相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS）



                                相干拉曼反斯托克斯拉曼散射（CARS）是一种基于非线性光学效应的高灵敏度光谱技术，利用两个相干的激光光束（泵浦光和探测光）与分子振动模式的相互作用产生增强的反斯托克斯散射信号。当泵浦光的频率ωp与探测光的频率ωs满足共振条件ωp-ωs=ωv时（其中ωv是分子振动模式的频率），泵浦光的激发会使大量分子处于高能级的激发态（具有较高能量）。随后，在激发态分子返回基态的过程中，分子将一部分能量转移给泵浦光，从而生成一个频率更高的反斯托克斯光，其频率为ωCARS=ωp+ωv。由于相干反斯托克斯拉曼散射过程中激发态分子的态密度远高于自发拉曼散射过程，因此反斯托克斯拉曼信号强度被大幅度增强，且与泵浦光的强度Ip、探测光的强度Is和分子的三阶非线性光学极化率χ

（3）

有关，表示为：ICARS∝Ip Is

2

∙|χ

（3）

|

2

相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）是一种非线性光学技术，通过使用泵浦光和探测光激发样本，可以显著增强拉曼信号，具有很高的灵敏度。CARS可以在较低的激光功率下实现高信噪比和快速成像能力，适合用于细胞和组织的无标记成像，尤其在生物医学成像领域表现出色。CARS的主要问题是存在较强的非共振背景，这会导致信号中混杂非拉曼活性分子的影响，影响分析精度。此外，CARS的实验装置较为复杂，需要精密的光学系统，这增加了实验的难度和成本。



图2、相干反斯托克斯拉曼散射原理和应用。
（a）CARS原理示意图。（b）小鼠耳组织进行体内CARS成像。






三、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）



                                受激拉曼散射（SRS）与相干拉曼反斯托克斯拉曼散射（CARS）相似，也是一种非线性光学效应，存在两束相干激光（泵浦光和探测光）。当泵浦光的频率ωp与探测光的频率ωs满足共振条件ωp-ωs=ωv时，受激拉曼损耗效应（Stimulated Raman Loss, SRL）导致泵浦光强度减弱，大量泵浦光光子将能量转移给分子（相较于自发拉曼散射），使其处于高能级的激发态，同时产生具有相干性的斯托克斯散射信号，这一过程就是受激拉曼散射（SRS）。受激拉曼散射所产生光子的频率为ωSRS=ωp-ωv，其信号强度与泵浦光的强度Ip的平方和探测光的强度Is成正比，表示为：

ISRS∝ISIP

2

受激拉曼散射（SRS）的主要优势在于其高灵敏度和高速度，能够实时提供分子层面的化学成分信息，而无需使用荧光标记。相较于CARS，SRS生成的信号没有CARS中常见的非共振背景（即非拉曼活性的分子也可能产生CARS信号），因此SRS具有更干净的信号，尤其在复杂的生物样品中，能提供更清晰的化学图像。此外，SRS的信号强度与样品中分子的浓度呈线性关系，因此比较适合定量分析，尤其在生物成像和药物分布研究中具有优势。但SRS的实验装置和操作也相对复杂，成本较高。此外，由于其依赖于非线性光学效应，实验中需要高强度的激光，这在某些情况下可能对样本产生热损伤。


图3、受激拉曼散射原理和应用。
（a）SRS原理示意图。（b）MCR分析和同一组织的癌变大块人类乳腺组织的SRS图像。






四、表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering, SERS）



                                表面增强拉曼散射（SERS）是一种利用金属纳米结构增强拉曼信号的技术。与传统的拉曼光谱相比，SERS能够将某些分子的拉曼信号增强10

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以上，极大提高了检测的灵敏度，使得非常微量的分子也能被有效探测。SERS的增强效应主要依赖于分子被吸附在粗糙的金属表面或金属纳米结构上，常见的金属材料包括金、银和铜等。SERS的工作原理主要基于两个关键的增强机制：电磁增强和化学增强。其中，电磁增强是SERS中最主要的贡献者。当入射激光照射到金属纳米结构时，金属表面上的自由电子被激发，产生一种被称为“表面等离激元共振”（Surface Plasmon Resonance, SPR）的现象。这种共振能够在金属表面产生局部的强电磁场，使得位于金属表面附近的分子受到电磁场的激励，进而显著增强它们的拉曼散射信号。由于这种电磁增强效应的范围仅限于靠近金属表面的纳米尺度区域，因此只有贴近金属表面的分子才能得到显著的信号增强。化学增强发生在分子与金属表面之间的相互作用，例如分子与金属表面的电子交换或电荷转移等。化学增强机制相对较弱，仅对SERS的整体增强效果起到了补充作用。表面增强拉曼散射技术（SERS）的主要优势在于其极高的灵敏度和分子特异性。它能够将拉曼信号极大幅度增强（10

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-10

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倍），从而实现单分子水平的检测，特别适用于极低浓度样品的分析。SERS技术还能够提供分子“指纹”光谱，使其能够精确识别和区分不同的化学物质。此外，SERS的实验装置相对简单，使用金、银等金属纳米结构作为增强基底可以显著提升拉曼信号。基于这些优势，SERS在多个领域得到了广泛应用，包括痕量化学分析、环境污染物监测、食品安全检测、生物标志物的早期诊断、药物检测和法医学分析等。其在生物医学中的潜力尤其突出，能够用于癌症标志物、病毒或细菌的检测，为疾病早期诊断和分子成像提供敏感的工具。

图4. 表面增强拉曼散射原理和应用。
（a）SERS原理示意图。（b）利用SERS进行分子定量检测。






五、针尖增强拉曼散射技术（Tip-Enhanced Raman Scattering, TERS）



针尖增强拉曼散射技术（TERS）是一种结合了拉曼光谱和扫描探针显微镜技术的方法，能够实现纳米尺度的化学成像和分析。这项技术的核心在于利用金属针尖（通常由金、银等贵金属制成）大幅度增强拉曼信号，从而突破传统光学技术的衍射极限，获得极高的空间分辨率。TERS的工作原理与SERS相似，依赖于“电磁增强效应”。当激光照射到金属针尖时，针尖附近会产生局部表面等离激元共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）。这种共振现象能够在针尖的极小区域内增强局部电磁场，进而显著增强该区域内的拉曼散射信号。由于这种增强效应的范围仅限于纳米尺度，因此TERS能够在极小的区域内进行高精度的化学分析。
针尖增强拉曼散射技术（TERS）的主要优势在于其超高的空间分辨率和强大的信号增强能力。通过结合扫描探针显微镜和拉曼光谱，TERS能够突破光学衍射极限，实现纳米级别的成像和化学分析，空间分辨率可达1-10纳米。同时，TERS能够显著增强拉曼信号，特别适合检测弱信号或低浓度样品。在应用方面，TERS广泛用于纳米材料表征、单分子分析、表面化学研究以及催化反应机制的探讨。其在生物学领域的潜力也十分巨大，可以对DNA、蛋白质等生物分子进行高分辨率成像，为分子结构和功能研究提供关键的纳米尺度信息。但TERS的实验装置复杂，实验操作难度大，对针尖的制备和控制要求高。此外，TERS的检测范围非常小，只能对极小区域内的样本进行分析，因此其应用范围受到一定限制，更多用于精细结构的研究。


图5、针尖增强拉曼散射原理和应用。
（a）TERS原理示意图。（b）利用SERS进行单个H2TBPP分子成像。
多种拉曼技术各有优势和局限，自发拉曼适合基础分析，但灵敏度很低；CARS和SRS作为非线性光学技术，能够实现相对不错的灵敏度和无标记成像，但装置复杂且成本高；SERS则以其超高的灵敏度在痕量检测中占据重要地位，而TERS则在纳米尺度的化学成像中展现了独特的优势。未来，随着纳米技术和光学技术的发展，这些拉曼技术有望进一步提升其灵敏度和分辨率，为生命科学、材料科学以及环境监测等领域提供更加精准的分析工具。希望通过对各类拉曼技术的深入理解，科研人员和工程师们能够选择最适合的工具应对各自的研究和应用需求。



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上海默乐光检科技有限公司成立于2023年，是上海交通大学生物医学工程学院创新科技成果转化项目，基于全球首创并具有自主知识产权的增强拉曼分子组学检测和定量分析技术，向客户提供基于表面增强拉曼光谱方法学的科学仪器、研发服务、诊断产品及配套耗材，为生命科学、临床医学、食品科学、药物研发、工业监控等应用领域提供分子检测成套解决方案。
公司国际首创基于全新视角的表面增强拉曼光谱方法学，克服传统SERS技术检测重复性差的瓶颈问题，实现针对复杂生物样本中具体代谢物成分信息提取与分析。目前，已形成高灵敏增强拉曼分子组学分析仪、便携式增强拉曼分子组学分析仪及配套耗材的研发、生产和销售，同时开展各领域科研服务。
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