红外与拉曼显微分析：原理、对比及应用实践

日期：2025-07-23 浏览：7

红外与拉曼显微分析：原理、对比及应用实践

在高性能材料的理性设计中，建立宏观性能（如机械稳定性、化学稳定性、生物相容性）与材料微观结构之间的关联，是至关重要的一环。红外（IR）与拉曼（Raman）显微分析技术，正是为此而生的强大工具。它们将振动光谱的高化学选择性与传统光学显微镜的空间分辨能力相结合，能够在微米尺度上表征复杂非均质材料的化学成分空间分布。

技术原理剖析

拉曼显微分析

典型的拉曼显微镜系统由激光激发源、反射式光学显微镜和光谱仪构成。其核心原理在于非弹性散射：当激光光子与样品相互作用时，一小部分光子会与材料的分子振动发生能量交换，从而使其散射光的频率相较于激发光发生位移。这个频率位移的大小，恰好对应于材料分子基本振动模式的能量，这便是拉曼光谱化学特异性的来源。

在实际操作中，高质量的显微物镜身兼二职：既将激发光束聚焦到样品上的目标区域，又负责收集反向散射的光子。一个必须克服的技术挑战是，瑞利散射（弹性散射）的效率比拉曼散射高出数个数量级。因此，如何有效滤除强度极大的瑞利散射光，是检测方案中的关键。幸运的是，近年来介电薄膜滤光片技术的飞速发展，已显著简化了这一难题。

理论上，拉曼显微分析的空间分辨率仅受衍射极限的制约，在理想条件下横向分辨率可达亚微米级别。通过引入共焦光阑，还能实现精细的纵向分辨率，这为通过拉曼深度剖析构建三维化学图像开辟了道路。拉曼图像通常通过对样品进行光栅扫描并同步采集光谱来获得。尽管宽场照明成像配置也被探索过，但由于灵敏度问题，其应用场景相对有限。通过绘制特定材料组分特征谱带的强度分布，可以轻松地从拉曼图像中提取化学成分图。光谱中的一些细微变化，如谱带位移，同样可以被用来生成材料其他性质（如结晶度和应力）的空间分布图。

红外显微分析

典型的红外显微镜系统则由一台研究级的傅里叶变换（FT）红外光谱仪与一台兼容透射和反射模式的显微镜耦合而成。由于反射式物镜在宽广的红外光谱区域内具有均匀的高反射率且无色差，因而得到了广泛应用。

测量时，通过样品透射或从样品反射的红外光谱，需要用一个合适的背景光谱进行归一化。归一化后的光谱所呈现的信号衰减，源于红外光在与样品组分活性振动模式共振的频率上被直接吸收。吸收峰出现的频率是特定官能团（如 C=O）存在的特征标志，这赋予了红外光谱强大的化学识别能力（见图1）。早期的红外显微镜主要采用样品光栅扫描的方式采集图像，而现在，采用宽场照明和阵列检测器的成像型系统也已普及。

红外显微分析的空间分辨率通常在 20 μm 到 40 μm 之间，受限于光源亮度，一般无法达到衍射极限。一些在宏观红外光谱中广泛应用的采样技术，如衰减全反射（ATR）和掠入射反射，也已成功地被微型化并应用于显微分析中。与拉曼成像类似，通过绘制目标组分特征吸收带的强度随空间位置的变化，即可获得化学成分分布图。

图1：(a) 注塑成型热塑性烯烃（TPO）薄膜超薄切片的红外显微光谱。位于 3700 cm^-1 处的尖锐谱峰归因于滑石粉填料的O-H伸缩振动。(b) 一张 325 μm × 325 μm 的TPO截面红外成像图，图中滑石粉特征峰的强度由蓝（低）至红（高）的色阶表示。左侧的黄红色条带是由于在模具表面附近形成了一个富含滑石粉的层。

如何在红外与拉曼之间抉择？

如同它们的宏观分析技术一样，红外与拉曼显微分析是互补的技术，广泛适用于块体、颗粒、薄膜乃至液体环境中的各类材料。那么，在实际应用中，我们该如何在这两种技术之间做出抉择？

选择的关键往往取决于哪种技术的跃迁信号能最有效地甄别样品中的不同组分。决定这两种跃迁强度的分子性质——拉曼散射对应分子极化率，红外吸收对应跃迁偶极矩——通常并无关联。一个经典的例子是，对于具有对称中心的分子，红外活性振动根据对称性选择定则是拉曼非活性的，反之亦然，这使得两种技术表现出极强的互补性。

样品的自身特性是另一个决定性因素。

拉曼显微分析的优势与挑战：

优势：样品制备要求极低。大多数固体材料的表面都可直接检测。由于拉曼散射光子通常在宽广的立体角内各向同性地散射，使用与激发光相同的物镜即可轻松收集信号。对于透明材料，还具备一定的深度剖析能力。
挑战：荧光背景干扰是其最致命的短板。对于许多材料，尤其是使用高能量激发波长（如 488 nm, 532 nm）时，强烈的荧光背景会彻底淹没微弱的拉曼信号。荧光过程的截面通常远大于拉曼散射，即使激发波长未精确处于样品电子跃迁的共振频率，也可能产生压倒性的荧光背景。此时，叠加在巨大荧光背景上的散粒噪声可能远大于拉曼信号本身，无论怎样增加信号平均次数都无法获得高质量的图谱。虽然使用较低能量的激发波长（如 785 nm, 1064 nm）可以缓解此问题，但拉曼散射效率会随波长的四次方（λ⁴）迅速下降。此外，拉曼散射的截面普遍远低于红外吸收，因此一些拉曼散射截面极低的材料，可能因信号过弱而无法进行有效的微区分析。

红外显微分析的优势与挑战：

优势：信号强度通常不是问题。
挑战：样品制备要求严苛。透射模式要求样品被置于红外透明的基底（如 CaF₂ 或 KBr）上，且样品本身必须足够薄以避免信号饱和。反射模式则需要将分析物置于高反射性基底（如金或银）上，同样对样品厚度有严格限制。许多红外吸收跃迁的截面非常大，即便是微米级的样品也可能吸收掉几乎全部的共振入射光，导致谱带平顶，产生所谓的“饱和效应”，这种伪影会严重干扰定性和定量分析。例如，厚度仅为 30 μm 的聚合物就可能在 C-H 伸缩振动区域出现饱和伪影。对于某些样品，可以采用超薄切片或微型ATR等方法来应对此问题。

要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测材料微区成分分析，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

分析能力解读

定性分析

红外与拉曼显微光谱都是强大的微观样品定性分析工具。振动光谱中特定谱带的出现，直接指示了特定官能团的存在，通过分析全谱信息，往往可以推断出分析物的化学结构。如今，庞大的红外和拉曼标准谱库的建立，极大地促进了基于光谱匹配算法的物相鉴定。振动光谱的化学特异性无疑是其最强大的特性，在识别微观尺度上成分不均的复杂材料组分时，显得尤为有效。